Inibidores da histona desacetilase dietética

Prévia do material em texto

Inibidores da histona desacetilase dietética
De células a camundongos para homem
Vamos para:
Sulforaphane (SFN) é um isotiocianato encontrado em vegetais cruciferantes, como broccoli e broccoli sprouts. Este anticarcinogénio foi identificado pela primeira vez como um indutor potente das enzimas de desintoxicação da Fase 2, mas a evidência está montando que SFN também atua através de mecanismos epigenéticos. O SFN demonstrou inibir a atividade da histona desacetilase (HDAC) em linhas de câncer de cólon humano e próstata, com um aumento no estado global e local de acetilação de histonas, como nas regiões promotoras de P21 e baxGenes. SFN também inibiu o crescimento de xenoenxertos de câncer de próstata e pólipos intestinais espontâneos em modelos de ratos, com evidência de alterações na acetilação de histonas e atividades HDAC in vivo. Em indivíduos humanos, uma única ingestão de 68 g brochas de brócolis inibiu a atividade HDAC nas células mononucleares circulantes do sangue periférico 3-6 h após o consumo, com indução concomitante de acetilação de histona H3 e H4. Esses achados fornecem evidências de que um mecanismo de quimioprevenção de câncer por SFN é através de mudanças epigenéticas associadas à inibição da atividade de HDAC. Outros agentes dietéticos, como o butirato, a biotina, o ácido lipoico, os compostos de organosulfure de alho e os metabolitos da vitamina E possuem características estruturais compatíveis com a inibição de HDAC. A capacidade de compostos dietéticos para reprimir os genes silenciados epigenéticamente nas células cancerígenas, E para ativar esses genes em células normais, tem implicações importantes para a prevenção e terapia do câncer. Em um contexto mais amplo, há um interesse crescente por inibidores alimentares HDAC e seu impacto nos mecanismos epigenéticos que afetam outras condições crônicas, como doenças cardiovasculares, neurodegeneração e envelhecimento.
Palavras-chave: epigenética, epigenômica, remodelação da cromatina, histonas acetiladas, prevenção do câncer, dieta, sulfatácido, butirato, compostos de organossulfure, alho, vegetais cruciferantes
1. Inibidores de HDAC na prevenção e terapia do câncer
A visão clássica da etiologia do câncer é que as alterações genéticas danificam a estrutura do DNA e induzem mutações (ou seja, alterações da informação da sequência) resultando em proteínas não funcionais que levam à progressão da doença. Mais recentemente, tem-se dado atenção crescente ao papel das alterações epigenéticas durante o desenvolvimento da doença, inclusive na área da biologia do câncer. As alterações epigenéticas afetam a expressão gênica sem mudanças diretas das seqüências de DNA, transformando a expressão gênica "on" ou "off" por modificações pós-tradução. Em particular, há um crescente interesse pelos mecanismos que regulam a remodelação da cromatina e suas implicações para o desenvolvimento do câncer. O silenciamento e a desinfecção dos genes podem ocorrer através de alterações na metilação do DNA, bem como através de modificações epigenéticas ao nível das histonas [1 , 2 ]. Além de fatores que regem o recrutamento geral e a liberação de histonas (ocupação de histonas), existe uma interação complexa de modificações de histonas reversíveis que regem a expressão gênica, incluindo acetilação de histonas, metilação, fosforilação, ubiquitinação e biotinilação [ 3 ]. Uma marca registrada dos cânceres humanos é a perda de monoacetilação e trimetilação da histona H4 [ 4]. Os agentes seletivos estão sendo procurados que podem atacar padrões anormais de modificação das histonas, como meio de destruir as células cancerígenas. Uma avenida de pesquisa particularmente ativa envolve inibidores da histona desacetilase (HDAC), como a tricotatina A (TSA) e seus análogos estruturais, que são potentes agentes utilizados clinicamente para a terapia do câncer. Um inibidor de HDAC que mostra promessa no tratamento do linfoma cutâneo de células T é vorinostat (suberoylanilide hydroxamic acid, SAHA [ 5 ]).
O interesse recente nos inibidores de HDAC se expandiu para o domínio da quimioprevenção do câncer, além da terapia do câncer, com evidência de que compostos dietéticos como o butirato, o dissulfureto de dialilo (DADS) e o sulforafano (SFN) atuam como ligandos fracos para HDAC e exibem atividade inibidora de HDAC [ 6 - 8 ]. A hipótese de trabalho para drogas e agentes dietéticos ( Fig. 1) É que as interações DNA / cromatina são mantidas em um estado constrangido na presença de complexos HDAC / co-repressores, mas os inibidores HDAC permitem que os complexos de histona acetiltransferase / co-ativador (HAT / CoA) transfiram grupos acetil para "caudas" de lisina em Histonas, afrouxando as interações com o DNA e facilitando o acesso aos fatores de transcrição e a ativação de genes. Entre os genes epigenéticamente silenciados que receberam interesse particular são P21 e bax devido às suas implicações para a prisão e apoptose do ciclo celular e porque estão entre um seleto grupo de genes freqüentemente reprimidos em células cancerosas e despressurizados após tratamento com inibidores de HDAC [ 2 - 4 ].
Figura 1
Hipóteses de trabalho para o papel dos inibidores de histona desacetilase (HDAC) na dieta. Os complexos HDAC / co-repressor mantêm uma configuração de cromatina fortemente restrita, o que limita o acesso de fatores de transcrição ao DNA e reprime genes necessários para ...
Vamos para:
2. Inibição de HDAC em células cancerígenas
Os inibidores de HDAC foram relatados para interromper o ciclo celular em G2, permitindo que as células ingressem prematuramente na fase M, além de interferir diretamente com o ponto de controle do fuso mitótico. Curiosamente, os inibidores de HDAC parecem desencadear a prisão do ciclo celular e a apoptose de forma mais eficaz nas células cancerosas do que nas células não transformadas, embora os mecanismos não sejam bem compreendidos. Estudos recentes têm implicado a presença de tiorretoxina e tiol intracelular, o acúmulo de espécies reativas de oxigênio e a indução de TRAIL, DR4 e DR5 [ 9 , 10 ].
Ao estudar os mecanismos de parada do ciclo celular desencadeados por agentes quimiopreventivos de câncer dietético in vitro, observamos a inibição da atividade de HDAC em extratos nucleares obtidos a partir de células de câncer de cólon HCT116 humanas tratadas com SFN [ 11 ]. Por design, as experiências usaram concentrações de SFN na faixa de 3-15 μM ( Fig. 2 ) para evitar possíveis complicações do estresse oxidativo e apoptose, que ocorre em doses mais altas de SFN in vitro [ 12 - 14 ]. Trabalho subsequente revelou inibição de HDAC por SFN em células de câncer de cólon HT-29 e Nrf2 - / -Fibroblastos embrionários de ratos, que não possuem expressão significativa da proteína Nrf2 endógena, apoiando assim um mecanismo distinto da via Keap1-Nrf2 induzida por SFN em outros tipos de células [ 7 , 15 , 16 ]. Nas células do cólon humano e do câncer de próstata tratadas com SFN, a inibição da atividade de HDAC foi acompanhada por aumentos globais na acetilação de histona H3 e H4 [ 11 , 17 ], juntamente com a hiperacetilação de histonas localizadas no promotor do gene P21 ( Fig. 2 ). Houve um aumento concomitante no RNA de p21 WAF1 e na expressão da proteína, incluindo células de câncer de próstata PC-3 que faltam p53 ( Fig. 2, Painel central). Em conjunto, esses resultados com SFN forneceram evidências de inibição de HDAC, independentemente de Nrf2 e p53.
Figura 2
Inibição de HDAC por SFN em cólon humano e células da próstata e supressão do crescimento de xenoenxerto em camundongos. As linhas de cólon humano ou de próstata foram semeadas a ~ 1 × 10 6 e 24 h depois tratadas com SFN. Lysates de células inteiras ou extratos nucleares foram ...
Vamos para:
3. Inibição HDAC em ratos
Para explorar se a inibição de HDAC por SFN também foi possível in vivo, nós implantamos xenotepostos de células PC-3 subcutaneamente em camundongos nus e examinamos suas características de crescimento depois de alimentar SFN na dieta por 21 dias ( Fig. 2 , painel central). Houveum retardo significativo do crescimento do tumor em comparação com os animais que receberam dieta de controle [ 18 ], e mais interessante, nos xenoenxertos recuperados de camundongos no final do experimento, houve inibição significativa da atividade HDAC ( Fig. 2 , superior direita). Isso sugeriu a distribuição sistêmica do SFN no local de implantação do tumor. Para testar os efeitos sistêmicos do SFN no animal hospedeiro, amostras de sangue e vários tecidos de ratos também foram examinados ( Fig. 2, inferior direito); Houve inibição significativa da atividade HDAC nas células mononucleares da próstata e do sangue periférico (PBMCs).
Em ratinhos com uma única dose oral de 10 μmol de SFN, ou 10 μmol do metabolito SFN- N-acetilcisteína (SFN-NAC), a atividade HDAC foi inibida significativamente na mucosa colônica às 6 h ( Fig. 3 ). Em um estudo de longo prazo [ 19 ], os ratos Apc Min ingeriram ~ 6 μmol de SFN / dia por 70 dias, o que resultou em inibição significativa de pólipos intestinais espontâneos, em comparação com os controles alimentados com dieta AIN93 sozinhos ( Figura 3 do centro). Houve um aumento concomitante na acetilação global de histona H3 e H4 e os ensaios de imunoprecipitação da cromatina realizados no cólon e nos tecidos intestinais do rato revelaram um aumento nas histonas acetiladas associadas à região promotora do gene P21 (Fig. 3 , à direita), bem como bax [ 19 ]. Coletivamente, esses achados apoiaram o papel do SFN como um inibidor de HDAC in vivo, com evidências de diminuição da atividade de HDAC em vários tecidos e aumento da acetilação de histonas globais e locais.
Fig. 3
Inibição de HDAC por SFN no cólon do rato e supressão de pólipos intestinais. Em um estudo piloto de curto prazo, 3 camundongos / grupo foram tratados por sonda oral única com 10 μmol de SFN, 10 μmol de SFN- N- acetilcisteína (SFN-NAC) ou veículo DMSO sozinho. ...
Vamos para:
4. Inibição HDAC no homem
Dado o nível de inibição de HDAC em PBMCs obtidas de camundongos alimentados com SFN ( Fig. 2 , inferior direita), realizamos um estudo piloto de PBMCs em pessoas após a ingestão de uma dose única de brotos de brócolis ricos em SFN. Voluntários saudáveis ​​na faixa etária 18-55 anos, sem história de uso de suplementos não nutricionais, abstêm-se da ingestão de vegetais cruciferantes por 48 h. Cada indivíduo consumiu 68 g (um copo) de brotos de brócolis e o sangue foi desenhado aos 0, 3, 6, 24 e 48 h após o consumo do broto. Em PBMCs de todos os indivíduos, a atividade de HDAC foi inibida tão cedo quanto 3 h após a ingestão do brocolo e retornou ao normal 24 h ( Fig. 4 ). Este foi o primeiro estudo a mostrar que um alimento naturalmente consumido em seres humanos, nomeadamente brotos de brócolis, teve um efeito tão marcado sobre a atividade HDAC [ 18]. Houve forte indução de acetilação de histona H3 e H4 coincidente com a inibição de HDAC às 3 e 6 h, e que as atividades de HDAC voltaram ao normal em 24 h, a hiperacetilação de histonas foi evidente por pelo menos 48 h ( Fig. 4 ). Esses achados forneceram a primeira evidência de que a ingestão dietética de brotos de brócolis, um alimento rico em SFN, influencia a atividade de HDAC em células sanguíneas circulantes normais de seres humanos, com um nível de inibição de HDAC e hiperacetilação de histonas igual ou superior ao alcançado clinicamente Utilizou inibidores de HDAC, como vorinostat [ 5 ].
Fig. 4
Inibição de HDAC por brotos de brócolis ricos em SFN em voluntários humanos. Três voluntários humanos saudáveis ​​abstiveram-se de ingestão de vegetais cruciferantes por 48 h. Cada assunto consumiu 68 g de broccoli sprouts (~105 mg SFN) com um bagel e creme de queijo, e ...
Vamos para:
5. Implicações de inibidores de HDAC na dieta
Como as PBMC isoladas de voluntários humanos saudáveis ​​são consideradas "normais" em vez de transformadas, uma questão-chave diz respeito ao significado biológico das modificações das histonas observadas após a ingestão de alimentos, como os brotos de brócolis. Qual o benefício que pode ser derivado da reversão rápida e transitória de "marcas" de histonas em células normais, em termos de genes silenciados e não filtrados? Propomos recentemente [ 8 ] que as alterações epigenéticas induzidas por ligandos fracos podem estimular células normais para responder eficazmente a insultos exógenos (toxinas, estresse oxidativo, etc.), ativando genes como P21 e bax para facilitar a prisão e / ou a apoptose do ciclo celular , Salvaguardando assim a progressão para a neoplasia ( Fig. 1). Ao invés da visão atual dos inibidores de HDAC como agentes para terapia de câncer, inibidores de HDAC dietéticos podem ser importantes para a quimioprevenção do câncer, devido a uma vida de modificações sutis ao código das histonas.
Se essa visão for correta, a amplitude de tais inibidores de HDAC na dieta humana e poderiam melhorar outras condições crônicas como doenças cardiovasculares e neurodegeneração? Esta é uma questão importante, porque hoje se sabe que a epigenética afeta várias áreas e os mecanismos subjacentes são fundamentais para a biologia básica das células estaminais, perda de pleuripotência durante a diferenciação e determinação do destino celular e padronização do desenvolvimento [ 1 , 3 , 20 - 22 ].
Dadas as implicações tão generalizadas, é interessante especular mais sobre o SFN e outros inibidores da HDAC na dieta e seu impacto no desenvolvimento e susceptibilidade a doenças crônicas. Além do SFN, existem muitos outros inibidores de HDAC conhecidos ou putativos derivados da dieta. O butirato é o mais pequeno inibidor de HDAC conhecido (revisado na Ref. [ 6 ]) e contém um simples "espaçador" de três carbonos ligado a um grupo de ácido carboxílico ( Fig. 5 ). Este composto é derivado da fermentação de fibras alimentares e representa o principal combustível metabólico para os colonócitos, onde está presente em concentrações milimolares no intestino grosso. Um segundo agente dietético relatado para inibir a atividade de HDAC in vitro é o composto de alho DADS [ 23], Que através do metabolismo pode gerar S-fenilmercaptocisteína ( Fig. 5 ) e intermediários relacionados contendo um espaçador que termina com um grupo funcional de ácido carboxílico. Conforme discutido em outro lugar [ 8 ], a desacetilação do SFN-NAC gera SFN-cisteína (SFN-Cys), um metabólito do SFN que se encaixa no site ativo HDAC ( Fig. 5 , inserção). Estudos de modelagem molecular com outros compostos dietéticos, como biotina, ácido a-lipoico e metabólitos de vitamina E e ácidos linoléicos conjugados, também forneceram suporte para seu papel de inibidores putativos de HDAC ( Fig. 5 ). Sulforafeno, erucina e isotiocianato de fenilbutilo, que contêm um comprimento de espaçador similar como SFN, cada um tinha atividades inibitórias HDAC comparáveis ​​[ 8], Consistente com a fração Cys que ocupa o site ativo e o grupo 'cap' de isotiocianato que influencia a acessibilidade ao bolso vinculativo. Achados semelhantes foram relatados para análogos estruturais de TSA, em que o espaçador e o grupo de ácido hidroxâmico foram retidos ao substituir o grupo de cap (revisado na Ref. [ 8 ]). É interessante notar que o ácido retinóico também tem um grupo de tampões, espaçador e ácido carboxílico, mas casos de leucemia promielocítica resistentes a fármacos respondem somente aos retinóides quando acoplados com inibidores potentes de HDAC [ 24 ]. Isso pode ser devido ao encaixe pobre de retinóides com HDACs que se associam à proteína de fusão oncogênica RAR-PLZF (revisada na Ref. [ 8 ]).
Fig. 5
Inibidores dietéticos de HDAC. A inibição de HDAC foi relatada in vitro e / ou in vivo para butirato, compostos de organosulfureto de alho e metabolitos de SFN, tais como SFN-NAC e SFN-Cys, enquanto outros compostos apresentados são hipotéticos inibidores de HDAC (ver texto). ...
Os inibidores de HDAC por si só podem reprimir genes epigenéticamente silenciados em certos tipos de câncer, mas há um interesse crescente em combinar esses compostos com agentes que alteram a metilação do DNA, otimizando assim a eficáciaterapêutica através da ativação de genes epigenéticos melhorados. Em teoria, os inibidores dietéticos de HDAC podem cooperar com outros componentes alimentares conhecidos por inibir as metiltransferases de DNA (DNMTs), como isoflavonas de soja ou catequinas de chá [ 25 , 26 ]. O polifenol de chá, epigalocatequina-3-galato (EGCG), inibe DNMT in vitro [ 26 ], mas um estudo piloto com SFN em combinação com EGCG não revelou proteção significativa em camundongos Apc Min , mesmo que cada composto sozinho supresse o crescimento de Pólipos intestinais [27 ]. São necessários mais estudos para explicar essa discrepância, incluindo o possível envolvimento de farmacocinética confusa e metabolismo in vivo.
Finalmente, os mecanismos aqui discutidos são pertinentes aos HDAC de classe I e classe II, mas certos agentes dietéticos podem alterar as atividades de HDAC através de outros mecanismos, conforme relatado para teofilina em macrófagos alveolares de pacientes com doença pulmonar obstrutiva crônica [ 28 ] e para resveratrol em A ativação do SIRT1 humano [ 29 ]. A última enzima pertence à família SIR2 dependente de NAD + , designada como HDAC classe III, que normalmente não responde à TSA. Para mais informações sobre este tema, o leitor é dirigido a uma discussão de compostos ativadores de sirtuin e seu possível papel no envelhecimento e doenças neurodegenerativas [ 30 ].
Em resumo, o interesse em mecanismos epigenéticos continua inalterado e afeta as opções de tratamento na clínica, como o vorinostat (SAHA) em pacientes com linfoma cutâneo de células T. Os potentes inibidores de HDAC são vistos como adjuntos promissores para a quimioterapia atualmente utilizada, através de mecanismos epigenéticos que ativam a apoptose e aumentam o risco de queda dos tumores e sua posterior regressão. No entanto, com a constatação de que os inibidores de HDAC também existem na dieta, devemos começar a expandir nossos horizontes e questionar o papel que as modificações epigenéticas podem desempenhar em células normais e não transformadas. Temos a hipótese de que os agentes alimentares, como SFN, DADS e butyrate Prime células normais epigenéticamente para que eles respondam de forma mais eficaz a insultos externos. No entanto, é necessário mais trabalho para confirmar ou refutar essa idéia, Dada a natureza transitória e reversível das alterações epigenéticas detectadas (por exemplo, brotos de broccoli em voluntários humanos). Também é necessário definir melhor os mecanismos precisos envolvidos, como os alvos HDAC específicos e as vias a jusante afetadas. Esses mecanismos poderiam ser específicos do tipo célula, devido às marcas epigenéticas únicas estabelecidas em cada tecido; Assim, a proteção teoricamente pode ser alcançada com o mesmo agente dietético contra o desenvolvimento de câncer no cólon, ou perda de neurônio motor em distúrbios neurodegenerativos ou alterações vasculares aberrantes que levam a acidente vascular cerebral. Esta é uma visão otimista, mas resultados promissores obtidos com inibidores de HDAC na doença de Huntington, epilepsia e transtorno bipolar [ Também é necessário definir melhor os mecanismos precisos envolvidos, como os alvos HDAC específicos e as vias a jusante afetadas. Esses mecanismos poderiam ser específicos do tipo célula, devido às marcas epigenéticas únicas estabelecidas em cada tecido; Assim, a proteção teoricamente pode ser alcançada com o mesmo agente dietético contra o desenvolvimento do câncer no cólon, ou perda de neurônio motor em distúrbios neurodegenerativos ou alterações vasculares aberrantes que levam ao AVC. Esta é uma visão otimista, mas resultados promissores obtidos com inibidores de HDAC na doença de Huntington, epilepsia e transtorno bipolar [ Também é necessário definir melhor os mecanismos precisos envolvidos, como os alvos HDAC específicos e as vias a jusante afetadas. Esses mecanismos poderiam ser específicos do tipo célula, devido às marcas epigenéticas únicas estabelecidas em cada tecido; Assim, a proteção teoricamente pode ser alcançada com o mesmo agente dietético contra o desenvolvimento de câncer no cólon, ou perda de neurônio motor em distúrbios neurodegenerativos ou alterações vasculares aberrantes que levam a acidente vascular cerebral. Esta é uma visão otimista, mas resultados promissores obtidos com inibidores de HDAC na doença de Huntington, epilepsia e transtorno bipolar [ A proteção teoricamente pode ser alcançada com o mesmo agente dietético contra o desenvolvimento de câncer no cólon, ou perda de neurônio motor em distúrbios neurodegenerativos ou alterações vasculares aberrantes que levam ao AVC. Esta é uma visão otimista, mas resultados promissores obtidos com inibidores de HDAC na doença de Huntington, epilepsia e transtorno bipolar [ A proteção teoricamente pode ser alcançada com o mesmo agente dietético contra o desenvolvimento de câncer no cólon, ou perda de neurônio motor em distúrbios neurodegenerativos ou alterações vasculares aberrantes que levam ao AVC. Esta é uma visão otimista, mas resultados promissores obtidos com inibidores de HDAC na doença de Huntington, epilepsia e transtorno bipolar [32 , 33 ] sugerem que a "epigenética" provavelmente impactará em múltiplas áreas de doenças, e não simplesmente terapêuticas contra o câncer.