Hepatic metabolism and post-transductional modifications

Article published in March 2019

DOI: http://dx.doi.org/10.18567/sebbmdiv_ANC.2019.03.1

María L. Martínez Chantar

Liver Disease Lab, CIC bioGUNE y CIBERehd – Instituto de Salud Carlos III

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The importance of a crosstalk between transcriptional, posttranscriptional and posttranslational regulation in the wide spectrum of signaling pathways involved in the malignant transformation is a cutting edge research topic that has only recently been suggested in liver disease. An improved understanding of how changes in protein homeostasis can drive pathogenesis in human diseases will provide the basis for the discovery of several important therapies.

La enfermedad hepática grasa no alcohólica (NAFLD) cubre un amplio espectro de condiciones patológicas, desde la esteatosis simple hasta la esteatohepatitis no alcohólica (NASH), la cirrosis y el cáncer hepático (CHC). NAFLD es el trastorno hepático más frecuente (con 25% de prevalencia en todo el mundo), asociado a una enorme carga tanto clínica como económica (Younossi et al., 2018). En Estados Unidos, la prevalencia de NAFLD se estima entre el 10% y el 46% de la población y entre el 10-30% de los pacientes de NAFLD progresan a NASH. De hecho, en Estados Unidos, la cirrosis y el CHC asociado a la NASH es actualmente la tercera razón más frecuente para el trasplante hepático y se predice que será la principal causa en el 2020.

A pesar de la creciente incidencia de NAFLD en las últimas décadas, los tratamientos definitivos para esta condición se limitan a modificaciones del estilo de vida y cirugía bariátrica en los pacientes donde la esteatosis hepática está asociada a una obesidad mórbida, mientras que los enfoques farmacológicos alternativos siguen siendo escasos y experimentales. NAFLD abarca un amplio espectro de condiciones secundarias a la esteatosis hepática, de manera que la progresión implica una reprogramación del metabolismo hepático.

Aunque las alteraciones en el transcriptoma proporcionan medios para reprogramar el metabolismo, las modificaciones postraduccionales del proteoma proporcionan un mecanismo mucho más rápido para la activación o inhibición de las vías metabólicas promoviendo la estabilización de sus proteínas diana. Sobre esta base, las modificaciones de la proteína por la ubiquitina o las moléculas semejantes a la ubiquitina, tales como NEDD8 (Neural precursor cell Expressed, Developmentally Down-regulated 8), pueden regular la actividad de las proteínas implicadas en la orquestación del metabolismo hepático equilibrando su degradación por el proteasoma y/o estabilización, respectivamente (Enchev et al., 2015).

La vía de conjugación de NEDD8 es similar a la descrita para la ubiquitinación, lo que resulta en la conjugación covalente reversible de una molécula de NEDD8 a un residuo de lisina de la proteína sustrato. Esta vía está compuesta por una cascada enzimática que involucra las actividades de diferentes enzimas: activadoras E1, de conjugación de E2 y ligasas E3.

La nedilación es un proceso reversible a través de la acción de las isopeptidasas (denominadas denedilasas) tales como el signalosoma COP9 (CSN) y la proteasa NEDD8 (NEDP1, también conocida como SENP8 y DEN1), que liberan el sustrato y NEDD8 reiniciando el ciclo de conjugación. La función mejor establecida para NEDD8 es la activación de la familia de las CRL, que constituyen la clase de proteínas mejor conocida de ligasas de ubiquitina. Estas enzimas requieren para su activación la conjugación de NEDD8 mientras que la desnedilación por CSN y NEDP1 tiene el efecto opuesto sobre los CRL, inhibiendo su actividad de ubiquitinación y regulando la homeostasis celular.

Se han identificado otras proteínas adicionales dianas de la nedilación entre las que se incluyen factores de transcripción y co-reguladores (por ejemplo, E2F1, NFKB, y el supresor de tumores p53 y su homólogo TAp53), receptores de señalización (por ejemplo EGFR, receptor del factor de crecimiento epidérmico), componentes de la síntesis de proteínas, ligasas E3 e histonas (Hochstrasser M. et al., 1998). Nuestro grupo ha descrito la proteína de unión a ARN HuR (Embade et al.; 2012) y las oncoquinasas LKB1 y Akt (Barbier-Torres et al., 2015) como dianas de regulación por nedilación en el cáncer hepático.

De hecho, hemos descrito que la estabilización del proteoma por nedilación es aberrante en el cáncer de hígado (Barbier-Torres et al., 2016) (Embade et al; 2012) y en el desarrollo y la regresión de la fibrosis hepática inducida por hepatotóxicos (Zubiete-Franco et al., 2016). Este aumento de la nedilación no solo aparece en estadios avanzados de la enfermedad sino también en estadios iniciales como hemos identificado en muestras hepáticas de modelos murinos con esteatosis y NASH inducida por diferentes dietas y en una pequeña cohorte de pacientes obesos con esteatosis hepática.

Por tanto, y debido a la relevancia de la nedilación en muchos procesos fisiológicos y patológicos, se han generado ratones modificados genéticamente que presentan regulación en el proceso de nedilación además del desarrollo de inhibidores farmacológicos dirigidos específicamente a esta modificación.

Nuestro grupo ha caracterizado los ratones heterocigotos para la enzima activadora de NEDD, NAE1, sin fenotipo hepático en ratones de 15 meses de edad. Asimismo, y desde el punto de vista farmacológico se ha descubierto Pevonedistat o MLN4924 (Takeda Oncology) como resultado de los esfuerzos reiterativos de la química medicinal en modificar la adenosina N6-bencilo que se ha identificado originalmente como un inhibidor de NAE1 (Soucy TA et al; 2009). Actualmente, Pevonedistat se ha posicionado como una molécula antitumoral en cáncer de hígado tanto en modelos in vitro como en preclínicos de ratón. Estas evidencias preliminares sugieren que la inhibición a largo plazo de la nedilación no se asocia con efectos hepáticos adversos y por tanto racionaliza un enfoque terapéutico en pacientes regulando esta modificación.

En resumen, todos estos datos abren el camino hacia una nueva línea de investigación inexplorada como es la relevancia de la modificación postransduccional nedilación en la patofisiología hepática.

 

 Figura mlmartinez chantar

 

 Figura. Nedilación: adición covalente de la molécula UBL Nedd8 a proteína diana. La Nedilación es un fenómeno ubicuo que parece ser especialmente relevante en condiciones patológicas, incluidos diferentes tipos de cáncer (Soucy et al. 2009, Li et al. 2014) y Alzheimer (Chen et al. 2012), entre otros.

 

References:

1. Younossi ZM. Non-alcoholic fatty liver disease - A global public health perspective. J Hepatol. 2018 Nov 9. pii: S0168-8278(18)32517-0. Review.
2. Enchev RI, Schulman BA, Peter M. Protein neddylation: beyond cullin-RING ligases. Nat Rev Mol Cell Biol. 2015 Jan;16(1):30-44. Review.
3. Hochstrasser M. There's the rub: a novel ubiquitin-like modification linked to cell cycle regulation. Genes Dev. 1998;12(7):901-7.
4. Embade N, Fernandez-Ramos D, Varela-Rey M, Beraza N, Sini M, Gutierrez de Juan V, et al. Murine double minute 2 regulates Hu antigen R stability in human liver and colon cancer through NEDDylation. Hepatology. 2012;55(4):1237-48.
5. Barbier-Torres L, Delgado TC, Garcia-Rodriguez JL, Zubiete-Franco I, Fernandez-Ramos D, Buque X, et al. Stabilization of LKB1 and Akt by neddylation regulates energy metabolism in liver cancer. Oncotarget. 2015;6(4):2509-23.
6. Barbier-Torres L, Fernandez-Ramos D, Martinez-Chantar ML. The levels of the RNA binding protein Hu antigen R determine the druggability of the neddylation pathway in liver cancer. RNA & DISEASE. 2016;3:e1123.
7. Zubiete-Franco I, Fernandez-Tussy P, Barbier-Torres L, Simon J, Fernandez-Ramos D, Lopitz-Otsoa F, et al. Deregulated neddylation in liver fibrosis. Hepatology. 2016. 75.
8. Soucy TA, Smith PG, Milhollen MA, Berger AJ, Gavin JM, Adhikari S, Brownell JE, et al . An inhibitor of NEDD8-activating enzyme as a new approach to treat cancer. Nature. 2009 Apr 9;458(7239):732-6.

 

  

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Interview

María L. Martínez Chantar

Liver Disease Lab, CIC bioGUNE y CIBERehd – Instituto de Salud Carlos III

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P.- ¿Cuándo surgió su vocación científica? 

R.- Mi respuesta va a ser un clásico, pero la realidad es la que prima en este caso. Mi vocación científica ha estado presente desde mi infancia, con mi primer microscopio de regalo de Navidad donde comencé a observar mis primeras moscas, insectos y hojas y a tomar notas que aún guardo. Ese ¿Por qué? y ¿Cómo? han estado presentes a lo largo de toda mi vida y supongo que han sido el motor de mi curiosidad científica.

P.- ¿Podría resumirnos brevemente su trayectoria profesional?

R.- Soy licenciada en Biología Molecular y Bioquímica por la Universidad Autónoma de Madrid. Durante la carrera y disfrutando de profesores como Ortiz de Landázuri, Sánchez Madrid y Federico Mayor Zaragoza entre otros, se activó aun más si cabe mi vocación científica. Cuando terminé esta licenciatura quise conocer de cerca la investigación traslacional y realicé una estancia de un año en el Departamento de Inmunología del Hospital Universitario Puerta de Hierro de Madrid, de ahí salte al área de hepáticas donde he desarrollado toda mi carrera investigadora. Desarrollé mis estudios de doctorado en el Instituto de Investigaciones Biomédicas "Alberto Sols" (IIBM) donde me formé en bioquímica y metabolismo hepático del ciclo de la metionina. Posteriormente realicé una estancia de algunos meses en el Departamento de Bioquímica de la Universidad de Heidelberg y finalmente me incorporé al Departamento de Nutrición de la Universidad de Berkeley, en California, donde durante 4 años pude disfrutar de un excepcional ambiente científico, excitante y dinámico, que me permitió aprender a pensar sin limites y a disfrutar de la discusión científica. En el año 2000 regresé a España formándome en Hepatología Clínica en la Universidad de Navarra y finalmente en el 2005 me incorporé a CIC bioGUNE donde pude aprender desde la base cómo se construye un centro de investigación. En este centro he desarrollado los principales hitos de mi carrera científica.

P.- ¿Cuáles son desde su punto de vista las características que definen a un buen investigador? 

R.- Pasión, libertad de pensamiento, constancia, curiosidad y rigor científico.

P.- ¿Qué consejo daría a los que ahora inician su carrera científica? 

R.- VOCACIÓN con todo lo que esa palabra engloba.

P.- ¿Podría describirnos brevemente en qué consiste su línea de investigación actual y cuál es su trascendencia? 

R.- Las modificaciones post-transduccionales como la Ubiquitina-like son mecanismos implicados en la homeostasis celular que proporcionan una gran versatilidad en la respuesta fisiológica. La enfermedad de Hígado Graso no alcohólico (abreviada como NAFLD en inglés) es una patología multifactorial crónica, con una enorme prevalencia, tanto en su aparición como en su desarrollo. A pesar de los múltiples esfuerzos para definir esta patología aún se desconocen en gran medida los procesos fisiológicos implicados. Nuestra hipótesis se basa principalmente en que, en este tipo de enfermedades complejas, los mecanismos "generalistas" capaces de afectar a múltiples rutas metabólicas adquieren un papel fundamental. En el Liver Disease Lab en CIC bioGUNE hemos identificado la nedilación, sumoilación y ubiquitinización como principales mediadores en el desarrollo y progresión de NAFLD, modulando proteoma, transcriptoma y metabolismo y posicionándose en este contexto como nuevas dianas terapéuticas y prometedores biomarcadores.

P.- ¿Cuál consideraría que ha sido el principal avance científico del siglo XX?

R.- El siglo XX ha estado repleto de importantísimos avances en todas las áreas, pero desde la perspectiva de un científico el desarrollo de la genética con el descubrimiento de la estructura del ADN y la identificación de las capacidades antibióticas de la penicilina en el año 1928 por el escocés Sir Alexander Fleming han sido dos hitos que han cambiado drásticamente nuestra calidad de vida.

P.- ¿Cuál es su opinión sobre cómo está articulada la carrera científica en España?

R.- El problema de la ciencia en España es un problema de concienciación de la sociedad. La ciencia en este país se considera un “artículo de lujo” y no, como se debería, una primera necesidad. El cambio de concienciación se debe realizar desde la base de las nuevas generaciones poniendo en valor la Ciencia. Cuando la CIENCIA con mayúsculas se considere como una pieza fundamental del desarrollo de nuestro país entonces podremos comenzar a considerar una carrera científica en España.

Biography

María L. Martínez Chantar

Liver Disease Lab, CIC bioGUNE y CIBERehd – Instituto de Salud Carlos III

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Licenciada en Bioquímica y Biología Molecular por la Universidad Autónoma de Madrid, cursé mi tesis doctoral estudiando el metabolismo de la metionina en la enfermedad hepática. Durante mi etapa postdoctoral en el Departamento de Bioquímica de la Universidad de Heidelberg y el Departamento de Nutrición en la Universidad de Berkeley continué mis estudios en metabolismo hepático y señalización celular. En el año 2000 me incorporé a la Universidad de Navarra donde comencé mi investigación en la enfermedad de hígado graso (NAFLD) desde el punto de vista traslacional y básico comenzando con los primeros estudios metabolómicos. Finalmente, en el 2005 me incorporé a CIC bioGUNE dirigiendo el Laboratorio de Liver Disease donde hemos identificado el impacto de las modificaciones post-transduccionales en el daño hepático, la importancia de la mitocondria en el metabolismo lipídico y la implicación de nuevas vías de señalización directamente relacionadas con el metabolismo energético como LKB1 en el cáncer hepático.

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