Programa de ingeniería biomédica

21/08/2024

Factores de Transcripción, Tipos de mRNA y Edición Epigenética en la Reprogramación Celular de Células de la Piel hacia Células Hepáticas

[Brayan Sneider Ávila Duarte; Ariana Julieth Buitrago Ruiz; Leiny Mileth Quintero Alfonso, Natalia Isabella Vera Niño; Leidy Pico]

Universidad Autónoma de Bucaramanga

Programa de ingeniería Biomédica

1. INTRODUCCIÓN

La reprogramación celular ha emergido como una estrategia prometedora dentro de la biología regenerativa, destacándose por su capacidad de generar células funcionales sin la necesidad de utilizar células madre embrionarias, como lo demostró Yamanaka en su trabajo pionero sobre la inducción de células madre pluripotentes [1]. En comparación con otros métodos de regeneración celular, como la diferenciación dirigida de células madre pluripotentes inducidas (iPSC) o la terapia génica convencional, la transdiferenciación de fibroblastos en hepatocitos ofrece ventajas significativas, según Murray et al. [2].

Este enfoque evita problemas asociados con la pluripotencia, como la formación de teratomas, y permite una conversión más rápida y eficiente hacia el fenotipo hepático sin necesidad de pasar por un estado pluripotente intermedio, tal como lo describieron Sekiya y Suzuki en sus investigaciones [3]. Además, reduce el riesgo de incompatibilidades inmunológicas al utilizar células autólogas del propio paciente, lo que representa un avance clave en la medicina regenerativa personalizada, permitiendo la conversión de un tipo celular en otro mediante la modulación de factores de transcripción, modificaciones epigenéticas y la regulación de la expresión génica a través de ARN mensajero, como lo indicaron Vierbuchen y Wernig [4].

Entre los diversos enfoques en este campo, la transdiferenciación de fibroblastos de la piel hacia hepatocitos representa un avance crucial en la investigación de terapias para enfermedades hepáticas, de acuerdo con Zhu et al. [5]. Sin embargo, su implementación clínica aún enfrenta desafíos, como la eficiencia de conversión y la estabilidad del fenotipo hepático a largo plazo, como señalaron Huang et al. [6]. Un ejemplo exitoso de aplicación experimental se ha observado en estudios donde hepatocitos inducidos han demostrado funcionalidad metabólica comparable a células hepáticas primarias, abriendo la posibilidad de su uso en modelos de enfermedades hepáticas y pruebas de fármacos, según lo evidenció Song et al. [7].

El hígado desempeña funciones esenciales en la homeostasis del organismo, incluyendo la regulación del metabolismo, la síntesis de proteínas plasmáticas y la desintoxicación de compuestos endógenos y exógenos, como detalló Taub en su revisión sobre regeneración hepática [8]. La generación de hepatocitos funcionales a partir de fibroblastos de la piel no solo ofrece una alternativa viable para suplir la escasez de donantes en trasplantes de hígado, sino que también permite el desarrollo de modelos celulares personalizados para la investigación de enfermedades y la evaluación de fármacos, según lo propuesto por Zhang et al. [9].

2. DESARROLLO

Los mecanismos moleculares que subyacen a la reprogramación de fibroblastos en hepatocitos implican una combinación precisa de factores de transcripción que interactúan con diversas vías celulares para asegurar una conversión eficiente. Estos factores no solo activan la expresión de genes hepáticos específicos, sino que también interfieren con programas transcripcionales de fibroblastos para suprimir su identidad original, como lo describieron Sekiya y Suzuki en sus estudios sobre conversión celular directa [10].

Por ejemplo, HNF4A y FOXA3 cooperan para remodelar la cromatina en regiones promotoras de genes hepáticos, permitiendo que otros reguladores transcripcionales accedan y activen la expresión de genes clave, según lo evidenciaron Huang et al. [11]. Simultáneamente, factores como CEBPA modulan rutas metabólicas esenciales, facilitando la transición celular hacia un fenotipo funcionalmente competente, como lo propusieron Morris et al. en su trabajo sobre identidad celular hepática [12]. Además, la regulación epigenética mediante modificaciones en histonas y cambios en la metilación del ADN refuerza la estabilidad de la reprogramación, garantizando la persistencia del fenotipo hepático adquirido, lo que fue ampliamente analizado por Song et al. [13]. Entre estos factores, HNF4A (Hepatocyte Nuclear Factor 4 Alpha) juega un papel central al regular la expresión de genes involucrados en funciones hepáticas clave, como el metabolismo de lípidos y carbohidratos, la respuesta a hormonas y la detoxificación de xenobióticos, como lo detalló González en su estudio sobre la regulación hepática [14].

A nivel celular, HNF4A actúa como un regulador maestro que estabiliza la expresión de genes esenciales para el mantenimiento del fenotipo hepatocitario, promoviendo la diferenciación y la funcionalidad de las células convertidas, según lo demostrado por Stanulović et al. [15]. HNF4A ejerce su función mediante la unión a secuencias específicas en los promotores de genes hepáticos, activando la transcripción a través de la interacción con coactivadores como PGC-1α, lo que potencia la expresión de genes involucrados en la homeostasis metabólica del hígado, de acuerdo con Zhang et al. [16]. Además, regula la expresión de transportadores y enzimas metabólicas clave, como CYP3A4 y ALB, asegurando la capacidad de detoxificación y síntesis de proteínas plasmáticas propias de los hepatocitos, como lo reportaron Odom et al. [17]. Su expresión en fibroblastos induce la activación de genes hepatocitarios mediante la remodelación epigenética de la cromatina, facilitando la transición hacia un fenotipo funcionalmente competente, según lo discutieron Zaret y Mango [18].

La acción de HNF4A está influenciada por modificaciones epigenéticas, como la hipometilación de regiones promotoras de genes hepáticos y la acetilación de histonas en loci específicos, cambios que pueden ser inducidos experimentalmente mediante el uso de inhibidores de ADN metiltransferasas o moduladores de histonas, facilitando así la conversión celular hacia un fenotipo hepatocitario, como lo describieron Takahashi y Yamanaka en sus estudios sobre reprogramación celular [19]. Estos cambios epigenéticos permiten una accesibilidad más eficiente de la maquinaria transcripcional, favoreciendo la conversión celular. La metilación diferencial del ADN en genes hepáticos, como ALB y HNF1A, juega un papel crucial en la estabilización de la identidad celular, asegurando que la expresión de genes clave sea sostenida en el tiempo y evitando la reactivación de programas fibroblásticos, como lo demostraron Ng y Gurdon en su análisis de estabilidad epigenética [20].

A nivel de ARNm, la reprogramación dirigida por HNF4A se asocia con un incremento significativo en la expresión de genes relacionados con el metabolismo hepático, incluyendo aquellos que regulan la gluconeogénesis, la beta-oxidación de ácidos grasos y la biosíntesis de colesterol, como lo reportaron Morris et al. en su estudio sobre transdiferenciación celular [21]. Se ha identificado un aumento en la expresión de SLC22A1 y GLUT2, esenciales para la captación de nutrientes y la regulación de la glucosa, así como de citocromos P450 responsables del metabolismo de xenobióticos. Estos cambios transcripcionales confirman la adquisición de funciones propias de los hepatocitos, asegurando su viabilidad y competencia metabólica. La cooperación con FOXA3 (Forkhead Box A3) es fundamental, ya que este factor de transcripción pertenece a la familia de proteínas Forkhead y facilita la apertura de la cromatina en regiones promotoras de genes hepáticos, según lo evidenció Iwafuchi-Doi y Zaret en su investigación sobre factores pioneros [22]. FOXA3 funciona como un "pionero transcripcional" que permite la accesibilidad de otros reguladores transcripcionales a las secuencias promotoras de genes hepáticos, estabilizando la identidad hepatocitaria.

La familia de proteínas Forkhead, a la que pertenece FOXA3, se caracteriza por la presencia de un dominio de unión al ADN altamente conservado denominado "dominio Forkhead". Estas proteínas desempeñan un papel esencial en diversos procesos celulares, incluyendo el desarrollo embrionario, la diferenciación celular y la regulación del metabolismo. Dentro de esta familia, los factores de transcripción FOXA (FOXA1, FOXA2 y FOXA3) actúan como reguladores pioneros, lo que significa que pueden unirse directamente a la cromatina compactada y facilitar la accesibilidad de otros factores transcripcionales. En el contexto hepático, FOXA3 desempeña un papel clave en la activación de genes específicos del hígado, permitiendo la transición de fibroblastos a hepatocitos funcionales, como lo describieron Cirillo et al. en su análisis sobre remodelación de la cromatina [23].

PROX1 (Prospero Homeobox 1) es un factor de transcripción homeodominio crucial en la diferenciación de precursores hepáticos durante el desarrollo embrionario y en la regeneración hepática postnatal, según lo expuesto por Sosa-Pineda en su estudio sobre desarrollo hepático [24]. Actúa como regulador maestro de la identidad hepatocitaria mediante la modulación de la expresión de genes asociados a la proliferación y maduración de hepatocitos inducidos. Su función se basa en la interacción con rutas de señalización clave, como Wnt/beta-catenina y Notch, facilitando la remodelación epigenética y la activación de genes específicos del linaje hepático. PROX1

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