Farmacoepigenética

La farmacoepigenética es un campo emergente que estudia los patrones de marcado epigenético subyacentes que conducen a la variación en la respuesta de un individuo al tratamiento médico. ^[1]

Debido a la heterogeneidad genética , los factores ambientales y las causas fisiopatológicas , las personas que presentan una expresión de enfermedad similar pueden responder de manera diferente a tratamientos farmacológicos idénticos. Se ha demostrado que la selección de tratamientos en función de factores como la edad, la superficie corporal, el peso, el sexo o el estadio de la enfermedad aborda de forma incompleta este problema, por lo que los profesionales médicos están cambiando hacia el uso de datos genómicos de los pacientes para seleccionar tratamientos óptimos. Ahora, una cantidad cada vez mayor de evidencia muestra que la epigenética también juega un papel importante en la determinación de la seguridad y eficacia del tratamiento farmacológico en los pacientes. ^[2] La epigenética es un puente que conecta la genética individual y los factores ambientales para explicar algunos aspectos de la expresión genética. Específicamente, los factores ambientales tienen el potencial de alterar los mecanismos epigenéticos de una persona para influir en la expresión de los genes. Por ejemplo, fumar cigarrillos puede alterar el estado de metilación del ADN de los genes y, por lo tanto, la expresión de los genes a través de diferentes mecanismos.

Los cambios epigenéticos en los genes causados ​​por factores como el medio ambiente pueden dar lugar a una expresión génica anormal y al inicio de enfermedades. La progresión de las enfermedades altera aún más los patrones epigenéticos de todo el genoma . Si bien los cambios epigenéticos suelen ser duraderos y, en algunos casos, permanentes, aún existe el potencial de cambiar el estado epigenético de un gen. Por lo tanto, se han desarrollado medicamentos para atacar patrones epigenéticos aberrantes en las células para activar o suprimir la expresión génica modificada epigenéticamente. Esto se conoce como terapia epigenética . Además de ser objetivos farmacológicos, los cambios epigenéticos también se utilizan como indicadores de diagnóstico y pronóstico para predecir el riesgo y la progresión de la enfermedad, y esto podría ser beneficioso para la mejora de la medicina personalizada.

El desarrollo del Proyecto del Epigenoma Humano y los avances en epigenómica han dado lugar a un campo en expansión conocido como farmacoepigenética. La farmacoepigenética se desarrolló inicialmente para estudiar cómo los patrones epigenéticos de los transportadores de fármacos, las enzimas metabolizadoras de fármacos y los receptores nucleares afectan la respuesta de los individuos al fármaco. Ahora, la farmacoepigenética tiene un enfoque adicional: el desarrollo de epifármacos terapéuticos que pueden realizar cambios en el epigenoma para reducir la causa o los síntomas de una enfermedad en un individuo. Aunque todavía existe una gran brecha entre el conocimiento de las modificaciones epigenéticas en los mecanismos del metabolismo de los fármacos y las aplicaciones clínicas, la farmacoepigenética se ha convertido en un campo en rápido crecimiento que tiene el potencial de desempeñar un papel importante en la medicina personalizada.

Para desarrollar terapias epigenéticas efectivas, es importante comprender los mecanismos epigenéticos subyacentes y las proteínas involucradas. Varios mecanismos y modificaciones juegan un papel en la remodelación y señalización epigenética, incluyendo la metilación del ADN , modificación de histonas , modificaciones covalentes , transcripciones de ARN, microARN , ARNm , siRNA y posicionamiento de nucleosomas. En particular, los científicos han estudiado extensamente las asociaciones de la metilación del ADN, modificaciones de histonas, microARN reguladores con el desarrollo de enfermedades. ^{[3] [4] [5]}

La metilación del ADN es el mecanismo epigenético más estudiado. La mayoría de ellos ocurren en sitios CpG. La ADN metiltransferasa es reclutada al sitio y agrega grupos metilo a la citosina de los dinucleótidos CpG. Esto permite que las proteínas de unión a metil-CpG se unan al sitio metilado y provoquen la regulación negativa de los genes. ^[6] La modificación de histonas se logra principalmente modificando las colas N-terminales de las histonas. Los mecanismos incluyen acetilación , metilación , fosforilación , desbiquitinación, etc. Afectan a la compactación de la estructura de la cromatina, la accesibilidad del ADN y, por lo tanto, el nivel transcripcional de genes específicos.

Además, el microARN es un tipo de ARN no codificante que se encarga de alterar la expresión génica al dirigirse y marcar las transcripciones del ARNm para su degradación. Dado que este proceso es una modificación postranscripcional, no implica cambios en la secuencia del ADN. La expresión del microARN también está regulada por otros mecanismos epigenéticos. La expresión aberrante del microARN facilita el desarrollo de enfermedades, lo que los convierte en buenos objetivos para las terapias epigenéticas. Las proteínas epigenéticas implicadas en la regulación de la transcripción génica se dividen en tres categorías: escritores, borradores y lectores. Tanto los escritores como los borradores tienen actividad enzimática que les permite modificar de forma covalente el ADN o las proteínas histonas. Los lectores tienen la capacidad de reconocer y unirse a sitios específicos de la cromatina para alterar las firmas epigenéticas.

Una vez que se comprenden los mecanismos epigenéticos subyacentes, es posible desarrollar nuevas formas de alterar las marcas epigenéticas, como los "epidrácticos" o la edición del epigenoma , que es la sobrescritura de patrones epigenéticos utilizando señales artificiales para dirigir las proteínas epigenéticas a los loci objetivo. ^[2] Además, basándose en los patrones epigenéticos únicos de los pacientes, los profesionales médicos pueden asignar con mayor precisión un tratamiento seguro y eficaz que incluya medicamentos epigenéticos adecuados adaptados al paciente.

Las diferencias individuales en el metabolismo y la respuesta a los fármacos pueden explicarse parcialmente por cambios epigenéticos. ^{[7] [8]} Los cambios epigenéticos en los genes que codifican dianas farmacológicas, enzimas o proteínas de transporte que afectan la capacidad del cuerpo para absorber, metabolizar, distribuir y excretar sustancias extrañas al cuerpo ( xenobióticos ) pueden provocar cambios en los niveles de toxicidad y la respuesta a los fármacos. ^{[7] [8]} Uno de los principales efectos de la exposición a fármacos en etapas tempranas de la vida es la alteración de la expresión del gen ADME (absorción, distribución, metabolismo y excreción). ^[7] Hay evidencia de que estos genes están controlados por la metilación del ADN, la acetilación de histonas y los miRNA. ^{[9] [8]} Un nuevo campo emergente, estrechamente relacionado con la farmacoepigenética, es la toxicoepigenética que captura los cambios epigenéticos toxicológicos como resultado de la exposición a diferentes compuestos (fármacos, alimentos y medio ambiente). En este campo, existe un creciente interés en mapear los cambios en las modificaciones de las histonas y sus posibles consecuencias. ^[10]

Es necesario comprender mejor estos mecanismos, pero la esperanza es que esto pueda llevar a una selección y dosificación adecuadas de los fármacos. ^[11] Además, la resistencia a los fármacos puede adquirirse a través de mecanismos epigenéticos. Esto es particularmente común en la quimioterapia, donde las células que desarrollan resistencia al tratamiento continúan dividiéndose y sobreviviendo. ^[7] Los planes de tratamiento farmacoepigenético pueden consistir en una sola clase de epifármaco o combinar varios en una terapia única. Los siguientes son ejemplos de cómo la respuesta a los fármacos o las proteínas relacionadas con el metabolismo se regulan mediante mecanismos epigenéticos:

Los cambios relacionados con la edad en las modificaciones epigenéticas de las regiones reguladoras de Cyp2e1 de ratón se han asociado con el metabolismo mediado por su proteína codificada. La hidroxilación mediada por Cyp2e1 de su fármaco sonda clorzoxazona a su metabolito, 6-hidroxiclorzoxazona, se correlacionó negativamente con la metilación del ADN y positivamente con la acetilación de histonas en extractos de microsomas de ratón. ^[12]

CXCR4 es una proteína que actúa como correceptor para la entrada del VIH . Se ha desarrollado como diana farmacológica para la terapia anti-VIH. Un estudio ha demostrado que su expresión está desregulada por patrones de metilación anormales en algunos cánceres. Por lo tanto, esto podría afectar la eficacia y la respuesta farmacológica a la terapia anti-VIH. ^[1]

CYP1A1 es una proteína muy conocida por su papel en los compuestos químicos y el metabolismo de fármacos. ^[13] Un estudio sobre el cáncer de próstata demostró que la región reguladora de la proteína estaba bajo el control de la modificación de la histona H3K4me3 , que normalmente indica una expresión génica activa en células no cancerosas. ^[1] Esta metilación anormal normalmente provoca la modificación de la histona y cambios en la estructura de la cromatina a nivel local, lo que afecta la expresión génica. ^[14]

La ABCG2 es una proteína responsable de la resistencia a múltiples fármacos en la quimioterapia contra el cáncer. Se ha observado una mayor expresión de la ABCG2 en diferentes líneas celulares de cáncer resistentes a fármacos y tejidos tumorales. Una de las modificaciones del microARN cambia su expresión de genes y proteínas al desestabilizar su ARNm. ^[15]

Aunque todavía queda mucho trabajo por hacer en relación con las modificaciones epigenéticas de cánceres específicos en varias etapas del desarrollo tumoral, existe una comprensión general de las modificaciones epigenéticas en los genes que conducen a la expresión anormal y a varios tipos de cáncer. Estos biomarcadores epigenéticos se están considerando en el uso clínico como una herramienta para detectar enfermedades, clasificar tumores y comprender la respuesta a los medicamentos a tratamientos como compuestos diana, agentes de quimioterapia tradicionales y medicamentos epigenéticos. El cáncer humano generalmente se caracteriza por la hipermetilación de promotores específicos, que generalmente impide la expresión de genes de reparación del ADN y supresión de tumores, y la pérdida de la metilación del ADN a escala global, ^[16] lo que puede permitir la expresión de oncogenes o dar como resultado una pérdida de impronta. ^[17] Las modificaciones de histonas desempeñan un papel importante en la regulación de los procesos celulares, por lo que los cambios epigenéticos que resultan en una estructura modificada pueden conducir a una transcripción anormal, reparación y replicación del ADN. ^[17] A continuación, se presentan algunos ejemplos y luego una descripción general de las formas en que se están dirigiendo estas modificaciones epigenéticas.

Los cambios epigenéticos están muy presentes en el cáncer, por lo tanto, es un buen modelo para evaluar diferentes formas en que se pueden utilizar los fármacos epigenéticos para generar cambios que activen o desactiven la expresión genética. ^[7]

Los inhibidores de la metiltransferasa del ADN se están investigando debido a la hipermetilación de los genes supresores de tumores y el aumento de las DNMT que se han observado en las células cancerosas. La introducción de estos inhibidores puede dar como resultado una metilación reducida del promotor y la expresión de genes supresores de tumores previamente silenciados. La azacitidina y la decitabina , que se incorporan al ADN y atrapan covalentemente las metiltransferasas, han sido aprobadas por la FDA para el tratamiento del síndrome mielodisplásico (un grupo de cánceres en los que las células sanguíneas de la médula ósea no maduran adecuadamente para convertirse en células sanguíneas sanas) y actualmente se están investigando para otros cánceres como la leucemia. Se están desarrollando otros tipos de medicamentos, como los análogos no nucleósidos, que pueden unirse covalentemente a las DNMT. ^[18]

Algunos ejemplos incluyen procaína, hidralazina y procainimida, pero carecen de especificidad y potencia, lo que dificulta su prueba en ensayos clínicos. Los inhibidores de la ADN metiltransferasa se utilizan generalmente en un nivel bajo debido a su falta de especificidad y efectos tóxicos sobre las células normales. Los inhibidores de HDAC también se están utilizando, debido a los cambios en la acetilación de histonas y el aumento de HDAC observado. Si bien el mecanismo aún está bajo investigación, se cree que la adición de inhibidores de HDAC da como resultado un aumento de la acetilación de histonas y, por lo tanto, la reactivación de la transcripción de genes supresores de tumores. ^[18]

Además, las HDAC también pueden eliminar grupos acetilo de proteínas que no son histonas, por lo que se cree que la adición de inhibidores de HDAC puede provocar cambios en la actividad del factor de transcripción. Hay alrededor de 14 inhibidores de HDAC diferentes que se están investigando en ensayos clínicos para tumores hematológicos y sólidos, pero es necesario realizar más investigaciones sobre la especificidad y los mecanismos por los que inhiben. Otra forma de alterar las modificaciones epigenéticas es mediante el uso de inhibidores de la histona metiltransferasa. ^[18]

La pérdida de función en los genes que codifican las desmetilasas del ADN o la sobreexpresión de las metiltransferasas del ADN puede dar lugar a la hipermetilación de los promotores del ADN. ^[18] La pérdida de función de las metiltransferasas del ADN puede provocar hipometilación. La pérdida de función en los genes de remodelación cromosómica, reparación del ADN y regulación del ciclo celular puede provocar un crecimiento descontrolado de las células, lo que da lugar al cáncer. ^[18] Los patrones de modificación de las histonas también pueden provocar cambios en los genomas que pueden afectar negativamente a estos y otros sistemas, lo que aumenta la probabilidad de cáncer.

Las células que presentan mutaciones de pérdida de función pueden ser el objetivo de fármacos que inducen letalidad sintética , una interacción genética/proteica en la que la pérdida de un componente induce poco cambio, pero la pérdida de ambos componentes da como resultado la muerte celular. En las células cancerosas en las que una parte de la interacción experimenta una mutación de pérdida de función, la otra parte puede ser interrumpida por un tratamiento farmacológico para inducir la muerte celular en las células cancerosas. La letalidad sintética es una opción de tratamiento atractiva en pacientes con cáncer, ya que debería tener un efecto mínimo o nulo en las células sanas.

Por ejemplo, con las mutaciones de pérdida de función de SWI/SNF , la replicación y reparación del ADN se ve afectada negativamente y puede dar lugar a tumores si el crecimiento celular no se controla. Las mutaciones de estos genes son causas comunes de cáncer. Estas mutaciones no se pueden tratar directamente, pero los medicamentos contra el cáncer pueden aprovechar varias interacciones letales sintéticas para detener el crecimiento temprano del cáncer. ^[18]

Además, las mutaciones de pérdida de función pueden ser dirigidas mediante el uso de los estados dinámicos de las modificaciones de las histonas. Las mutaciones de pérdida de función en las desmetilasas, como KDMK6A , son comunes en el cáncer. ^[18] Al inducir la regulación positiva de los inhibidores de la metiltransferasa, se pueden mitigar los efectos de la mutación de pérdida de función. ^[18]

El desarrollo de fármacos que se dirigen a genes diana o los modifican está en aumento, especialmente a medida que el análisis bioinformático aumenta nuestro conocimiento del genoma humano y acelera la búsqueda de interacciones sintéticas letales. La forma más utilizada para evaluar posibles interacciones sintéticas letales es el uso de ARNi y CRISPR-Cas9 para modificar genes diana. La tecnología CRISPRi y CRISPRa permite a los investigadores activar o inactivar genes diana.

En el cáncer de pulmón se ha observado la activación de oncogenes dominantes y recesivos y la inactivación de genes supresores de tumores. ^[17] Con frecuencia se observa en el cáncer de pulmón la metilación de promotores de genes que están involucrados en funciones críticas como el control del ciclo celular, la reparación del ADN, la adhesión celular, la proliferación, la apoptosis y la motilidad. Algunos de los genes comunes observados con frecuencia son APC , CDH1 , CDKN2A , MGMT y RASSF1A (un supresor de tumores). ^[16] En los casos del ADN de CDKN2A y RASSF1A, estos genes están metilados, lo que resulta en la pérdida de genes supresores de tumores. ^[17]

En los ensayos clínicos sobre carcinoma de pulmón de células no pequeñas se han observado diversas estrategias, como el uso de fármacos como el entinostat y la azacitidina . La idea es que el etinostat, un inhibidor de la histona desacetilasa, puede evitar el silenciamiento de genes al permitir que sean accesibles a la maquinaria de transcripción. La azacitidina puede metabolizarse e incorporarse al ADN y luego reconocerse como sustrato para las metiltransferasas del ADN, pero como la enzima está unida a la metiltransferasa no puede agregar marcas de metilación y, por lo tanto, silenciar genes cruciales.

Se ha descubierto que las modificaciones de histonas, la metilación del ADN y los microARN desempeñan un papel importante en las enfermedades cardíacas. ^[19] Anteriormente, la acetilación de la cola de histonas se ha relacionado con la hipertrofia cardíaca o el engrosamiento anormal del músculo cardíaco que generalmente se debe a un aumento en el tamaño de los cardiomiocitos u otros cambios en el músculo cardíaco. ^[20] Los cambios hipertróficos que ocurren en las células de los músculos cardíacos son el resultado de la acetilación requerida de las colas de histonas a través de las acetiltransferasas. Además de las acetiltransferasas, las histonas desacetilasas (HDAC) también ayudan en la regulación de las células musculares. Las HDAC de clase II 5 y 9 inhiben la actividad de un factor conocido como factor potenciador de miocitos 2 ( MEF2 ), que al no poder unirse previene la expresión de genes que producen efectos hipertróficos.

Además, se han observado loci como PECAM1 , AMOTL2 y ARHGAP24 con diferentes patrones de metilación que se correlacionan con la expresión genética alterada en el tejido cardíaco. ^[19]

Cada vez hay más publicaciones científicas que demuestran que los microARN desempeñan un papel fundamental en diversos aspectos de la insuficiencia cardíaca. ^[19] Algunos ejemplos de funciones de los microARN son la regulación del ciclo celular de los cardiomiocitos y la regulación del crecimiento de las células de los cardiomiocitos. ^{[21] [22]} El conocimiento de las modificaciones epigenéticas permite el uso potencial de fármacos para modificar el estado epigenético de una secuencia diana. Es posible que se puedan utilizar los microARN mediante antagomires. Los antagomires son ARN monocatenarios complementarios que han sido modificados químicamente para silenciar los microARN de modo que no puedan degradar el ARNm necesario para alcanzar niveles normales de expresión.

La metilación del ADN de los CpG puede provocar una reducción de la expresión génica y, en algunos casos, esta disminución del producto génico puede contribuir a la aparición de enfermedades. Por lo tanto, en esos casos es importante disponer de fármacos que puedan alterar el estado de metilación del gen y aumentar los niveles de expresión. Para aumentar la expresión génica, se puede intentar reducir la metilación de los CpG utilizando un fármaco que actúe como inhibidor de la metiltransferasa del ADN, como la decitabina o la 5-aza-2'-desoxicitidina. ^[1]

Por otra parte, algunas enfermedades son consecuencia de una disminución de la actividad de la acetilasa, lo que se traduce en una disminución de la expresión génica. Algunos estudios han demostrado que la inhibición de la actividad de las HDAC puede atenuar la hipertrofia cardíaca. ^[19] La tricostatina A y el butirato de sodio son dos inhibidores de las HDAC. La tricostatina A es conocida por su capacidad de inhibir las HDAC de clase I y II, evitando que eliminen las acetilasas y reduzcan la expresión génica. El butirato de sodio es otra sustancia química que inhibe las HDAC de clase I, lo que permite que los factores de transcripción accedan fácilmente al gen y lo expresen.

El desarrollo de terapias epigenéticas para uso médico generalizado plantea una serie de desafíos. Si bien los resultados de laboratorio indican relaciones entre genes y posibles interacciones farmacológicas que podrían mitigar los efectos de las mutaciones, la complejidad del genoma y el epigenoma humanos dificulta el desarrollo de terapias que sean seguras, eficientes y consistentes. La alteración epigenética puede afectar a más sistemas que los genes diana, lo que genera la posibilidad de que surjan efectos nocivos a partir del tratamiento. Además, las mutaciones epigenéticas pueden ser resultado del linaje. ^[5]

Como la expresión de genes en los tejidos está regulada en gran medida por interacciones epigenéticas, ciertos cánceres específicos de tejidos son difíciles de atacar con terapias epigenéticas. Además, los genes que codifican elementos que previenen un tipo de cáncer en una célula pueden haber alterado su función en otra y dar lugar a otro tipo de cáncer. Intentar modificar estas proteínas, como EZH2, puede dar lugar a otros tipos de cáncer. La selectividad es otro obstáculo en el desarrollo de terapias. Dado que muchas proteínas son estructuralmente similares, especialmente dentro de la misma familia de proteínas, no siempre se pueden utilizar inhibidores de amplio espectro, ya que modificar la regulación de una proteína puede tener el mismo efecto en otras de la familia. ^[5]

Basándose en las diferencias en estos patrones epigenéticos, los científicos y los médicos pueden predecir con mayor precisión la respuesta a los fármacos de cada paciente. Uno de los ejemplos más convincentes es la metilación del gen supresor de tumores en la secuencia promotora que codifica la MGMT. ^[23] La MGMT es una proteína reparadora del ADN responsable de transferir grupos metilo de la O(6)-alquilguanina en el ADN a sí misma para luchar contra la mutagénesis y la acumulación de compuestos tóxicos que resultan de los agentes alquilantes. ^[24]

Por lo tanto, MGMT es responsable de la reparación de áreas que han sido dañadas por toxinas. Se ha descubierto que esta región promotora de MGMT está altamente metilada y, por lo tanto, reprimida, en pacientes con varios tipos de cáncer. ^[24] Varios medicamentos como procarbazina , estreptozotocina , BCNU ( carmustina ) y temozolamida están diseñados para remodelar el ADN para revertir esta modificación de metilación anormal para que MGMT pueda expresarse normalmente y reparar el ADN. El estado de metilación del promotor se convierte en el mejor predictor de las respuestas a BCNU y temozolamida en pacientes con cáncer cerebral.

Las proteínas que contienen bromodominios reconocen y se unen a los residuos de lisina acetilada en las histonas , lo que provoca la modificación de la estructura de la cromatina y un cambio posterior en los niveles de expresión génica. Las proteínas de bromodominio y extraterminales (BET) se unen a los grupos acetilo y trabajan con la ARN polimerasa II para ayudar con la transcripción y elongación de la cromatina. Los inhibidores de BET han podido prevenir la interacción exitosa entre las proteínas BET y las histonas acetiladas. ^[18] El uso de un inhibidor de BET puede reducir la sobreexpresión de las proteínas de bromodominio, que puede causar remodelación aberrante de la cromatina, regulación de la transcripción y acetilación de histonas. ^[18]

Varios estudios han demostrado que los inhibidores de la histona acetiltransferasa (HAT) son útiles para volver a inducir la expresión de genes de supresión tumoral al detener la actividad de la histona acetiltransferasa para prevenir la condensación de la cromatina. ^[25]

Inhibidores de la proteína metiltransferasa (PMT): los PMT desempeñan un papel clave en la metilación de los residuos de lisina y arginina para afectar los niveles de transcripción de los genes. Se ha sugerido que su actividad enzimática desempeña un papel en el cáncer, así como en las enfermedades neurodegenerativas e inflamatorias. ^[25]

El uso de inhibidores de la histona desacetilasa (HDAC) permite que los genes permanezcan transcripcionalmente activos. Los HDACi se han utilizado en varios trastornos autoinmunes, como el lupus eritematoso sistémico, la artritis reumatoide y la artritis idiopática juvenil de inicio sistémico. ^[7] También han demostrado ser útiles para tratar el cáncer, ya que son estructuralmente diversos y solo afectan al 2-10% de los genes expresados. ^[25] El uso de inhibidores de HDAC para el tratamiento de enfermedades psiquiátricas y neurodegenerativas ha mostrado resultados prometedores en estudios preliminares. ^[25] Además, los estudios han demostrado que los HDACi son útiles para minimizar el daño después de un accidente cerebrovascular y estimular la angiogénesis y la miogénesis en células embrionarias. ^[25]

Una de las características comunes de varios tipos de cáncer es la hipermetilación de un gen supresor de tumores. La represión de esta acción de la metiltransferasa en los sitios específicos puede prevenir la transferencia recurrente de grupos metilo a estos sitios y mantenerlos abiertos a la maquinaria transcripcional, lo que permite que se produzcan más genes supresores de tumores. Estos medicamentos son típicamente derivados de la citidina . Estos medicamentos unen la DNMT al ADN e impiden su acción continua. Los tratamientos que inhiben la función de la DNMT sin unirse al ADN (lo que puede causar efectos tóxicos) muestran que podrían ser opciones de tratamiento efectivas, pero no están lo suficientemente desarrollados como para ver un uso generalizado. ^[7]

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