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Nuevos tratamientos en enfermedades neurometabólicas: la importancia de las chaperonas

B. Pérez-González   Revista 66(S02)Fecha de publicación 05/06/2018 ● Nuevos retos en enfermedades neurometabólicasLecturas 5787 ● Descargas 204 Castellano English

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[REV NEUROL 2018;66 (Supl. 2):S43-S46] PMID: 29876912 DOI: https://doi.org/10.33588/rn.66S02.2018183

El incorrecto plegamiento de proteínas se ha relacionado con numerosas enfermedades genéticas. En estas patologías, las mutaciones de pérdida y ganancia de función pueden causar la desestabilización de las proteínas, dando lugar a alteraciones en sus propiedades catalíticas o en su localización subcelular. Se han descrito numerosas enfermedades, denominadas conformacionales, producidas por mutaciones que afectan al plegamiento, por lo que muchas patologías podrían beneficiarse de un tratamiento con determinados fármacos como los reguladores de proteostasis o las chaperonas farmacológicas. Este trabajo describe el potencial uso de las chaperonas farmacológicas en varias enfermedades neurometabólicas, en concreto, en la fenilcetonuria, en la deficiencia de fosfomanomutasa y en la aciduria metilmalónica tipo cblB.

Chaperonas farmacológicas Enfermedades conformacionales Errores innatos del metabolismo Plegamiento de proteínas Trastornos congénitos de la glicosilación

El término clásico de ‘errores congénitos del metabolismo’, o enfermedades metabólicas hereditarias, cubre un gran grupo de patologías que afectan a la biosíntesis o la degradación de biomoléculas involucradas en vías específicas, todas ellas reconocibles mediante pruebas bioquímicas específicas. Recientemente, se ha hecho necesario redefinir las enfermedades metabólicas hereditarias porque se ha descubierto que no sólo implican vías metabólicas, sino también procesos celulares, como es el ca­so de los defectos congénitos de la glicosilación [1]. En las enfermedades metabólicas hereditarias, aunque se ha avanzado mucho, aún quedan numerosas patologías que permanecen sin un tratamiento efectivo, por lo que la búsqueda de aproximaciones terapéuticas es uno de los retos de la investigación de estas enfermedades genéticas raras.

Los métodos actuales de desarrollo de fármacos en enfermedades raras son costosos, lentos e ineficientes. En la mayoría de los casos, el resultado fracasa debido al pequeño grupo de investigadores que trabaja en cada enfermedad, la heterogeneidad de las manifestaciones clínicas y la disponibilidad limitada de pacientes para su evaluación en ensayos clínicos. Todo ello limita el interés de las compañías farmacéuticas para lanzar ensayos clínicos destinados al tratamiento de estas enfermedades. Una forma más eficaz para que los fármacos puedan llegar a los pacientes con enfermedades raras es que estén dirigidos a un mecanismo molecular común, agrupando por ello las enfermedades por su etiología, no en base a las manifestaciones bioquímicas o clínicas. Así, aunque hay descritos cerca de 7.000 trastornos genéticos, éstos pueden agruparse en base a los mecanismos subyacentes de la enfermedad porque el número de vías de patogenicidad es mucho menor [2]. En este sentido, en los últimos años, el uso terapéutico de pequeñas moléculas ha surgido como una posibilidad prometedora en el tratamiento de enfermedades cuyas mutaciones afectan al plegamiento de proteínas, ya que este mecanismo es­tá detrás de numerosos trastornos metabólicos autosómicos recesivos.

El proceso de proteostasis permite mantener un equilibrio entre la síntesis, el plegamiento, el tráfico a sus orgánulos subcelulares y la degradación de las proteínas. Para mantener este equilibrio, la célula está equipada de sistemas de control de calidad de proteínas en los que las chaperonas moleculares y los sistemas de degradación (proteosoma y autofagia) mantienen la homeostasis celular [3,4].

Las mutaciones de cambio de aminoácido producen en muchos casos un incorrecto plegamiento de la proteína, proceso que origina una degradación acelerada, deslocalización o agregación de ellas, de­sequilibrando el proceso de plegado de las proteínas nacientes [5]. Este proceso conlleva la disminución en la cantidad de proteína y, por tanto, una reducción de su actividad. Se han descrito numerosas enfermedades genéticas cuyo mecanismo de patogenicidad se relaciona con este proceso, las denominadas enfermedades conformacionales [6]. Así, el conocimiento en detalle de este proceso está abriendo la posibilidad de aplicar nuevas estrategias terapéuticas, como la utilización de moléculas que actúen evitando la degradación (reguladores de la proteostasis) o moléculas que estabilicen las proteínas mutantes mal plegadas (chaperonas farmaco­lógicas) [7,8].

Las chaperonas farmacológicas son pequeñas mo­léculas químicas que se unen específicamente y de forma reversible a la proteína mal plegada para promover su estabilización conformacional. Actualmente están aprobadas dos chaperonas farmacológicas: sapropterin dihidrocloruro, para el tratamiento de la fenilcetonuria, y tafamidis, para el tratamiento de la amiloidosis hereditaria relacionada con la transtiretina. Muchos otros compuestos están en fase preclínica y clínica de investigación [7]. Se han descrito como enfermedades conformacionales varios trastornos metabólicos hereditarios como la fenilcetonuria, la aciduria metilmalónica tipo cblB y las enfermedades lisosomales, entre otras [9].

Un candidato adecuado para el desarrollo de una terapia de recuperación del proceso de plegamiento con chaperonas farmacológicas es aquel que presenta una alta tasa de mutaciones de tipo missense (cambio de aminoácido) que afecten al plegamiento de la proteína. En la línea de la medicina de precisión es esencial analizar genéticamente a todos los pacientes para identificar las posibles variantes y realizar un análisis funcional de las mutaciones mis­sense para seleccionar las posibles mutaciones candidatas a responder al tratamiento con chaperonas farmacológicas.

El estudio funcional de las mutaciones de cambio de aminoácido se lleva a cabo combinando procesos bioinformáticos con ensayos funcionales en procariotas y modelos eucariotas, que evalúen el mecanismo por el cual la proteína pierde su actividad. Una vez descrita como enfermedad conformacional, el descubrimiento de posibles nuevos fármacos puede seguir dos caminos: el cribado virtual de librerías de fármacos utilizando la estructura cristalina de la proteína y el rastreo in vitro de librerías de compuestos con actividad chaperona [10,11]. En ambos, los compuestos que se seleccionen deben evaluarse funcionalmente en modelos celulares o animales para generar pruebas de concepto que propongan potenciales fármacos para su evaluación preclínica [12] (Fig. 1).

 

Figura 1. Búsqueda de chaperonas farmacológicas y pasos de la evaluación funcional utilizados para proponer potenciales fármacos. Se ilustran las etapas que se deben seguir en el proceso de desarrollo de una terapia con chaperonas farmacológicas. En primer lugar, se hace una selección de la enfermedad, se analizan los mutantes, se descubren los posibles compuestos, se modifican químicamente para mejorar su eficacia y seguridad y, finalmente, se analiza la seguridad en modelos celulares y animales. Estos resultados pueden derivar en la designación de un medicamento huérfano y en ensayos clínicos.






 

Una de las enfermedades metabólicas más frecuentes es la fenilcetonuria, causada por mutaciones que afectan al enzima fenilalanina hidroxilasa, responsable de metabolizar el aminoácido esencial fenilalanina. La mayoría de las mutaciones causantes de enfermedad en este gen producen proteínas mal plegadas que se degradan con rapidez y subsecuentemente disminuyen la actividad enzimática. Un conjunto considerable de pacientes responde al tratamiento con el cofactor natural de la proteína (6R)-L-eritro-5,6,7,8-tetrahidrobiopterina, que en ciertas mutaciones puede actuar como una chaperona farmacológica [13]. Actualmente, mediante aproximaciones computacionales, los esfuerzos se están enfocando en el descubrimiento de análogos de cofactores con propiedades farmacocinéticas mejoradas y también de análogos no similares al sustrato [11,14].

Nuestro grupo ha descrito potenciales fármacos para dos enfermedades metabólicas hereditarias: deficiencia en fosfomanomutasa 2 (PMM2-CDG o CDG tipo Ia) [10,15] y deficiencia en adenosilcobalamina transferasa, causante de aciduria metilmalónica tipo cblB [16-18]. En ambos casos se ha desarrollado una estrategia de búsqueda de fármacos que ilustran el proceso (Fig. 2).

 

Figura 2. Proceso de desarrollo de terapias con chaperonas farmacológicas. Una vez identificadas las mutaciones mediante análisis genéticos, éstas se analizan funcionalmente. Para la búsqueda de compuestos se utilizan dos estrategias. En ambos casos, los compuestos seleccionados se validan funcionalmente en modelos adecuados (procariotas y eucariotas), se evalúan en animales y se proponen potenciales chaperonas farmacológicas. Si se realiza química médica, el proceso comienza desde el punto de la evaluación funcional.






 

La PMM2-CDG (OMIM 601785) es el trastorno de N-glicosilación más frecuente. Es una enfermedad multisistémica para la que no existe tratamiento. Recientemente, hemos referido la caracterización funcional de mutaciones descritas en pacientes con PMM2-CDG y hemos identificado numerosas cambios que afectan al plegamiento de PMM2. Estos estudios indicaron que la pérdida de función de muchos mutantes implicaba una mayor susceptibilidad de las proteínas mutantes a la degradación o agregación de PMM2. Así, los resultados sugieren que la actividad de varias de estas proteínas mutantes, como p.L32R, p.V44A, p.D65Y, p.P113L, p.R123Q, p.R141H, p.F157S, p.R162W, p.F183S, p.P184T, p.F207S, p.T237M y p.C241S, podría rescatarse me­diante el uso de chaperonas farmacológicas.

Una vez descrita la PMM2-CDG como una enfermedad conformacional [15] se rastreó una librería de 10.000 compuestos de bajo peso molecular utilizando un sistema de alto rendimiento. Utilizando la proteína normal se identificaron ocho compuestos que aumentaban la estabilidad térmica de dicha proteína. De éstos, cuatro funcionaron como potenciales chaperonas farmacológicas aumentando significativamente la estabilidad y la actividad de PMM2 en un modelo de enfermedad de varios mutantes de desestabilización u oligomerización. El análisis estructural reveló que uno de estos compuestos proporcionaba un excelente punto de partida para la optimización química, ya que pasaba todos los filtros de calidad farmacoquímica utilizados por diversas compañías farmacéuticas. Estos resultados han proporcionado la primera prueba de concepto de un posible tratamiento para la PMM2-CDG y describen una estructura química prome­tedora como punto de inicio para el desarrollo de nuevos agentes terapéuticos para esta grave enfermedad huérfana [9].

Otro ejemplo de enfermedad conformacional es la aciduria metilmalónica tipo cblB (OMIM 607568), causada por defectos en el gen MMAB que codifica para la proteína mitocondrial ATP: cob (I) alamin adenosiltransferasa (ATR). Este enzima es responsable de la síntesis de adenosilcobalamina a partir de cob (I) alamina (vitamina B12), cofactor activo de la metilmalonil CoA mutasa que cataliza la conversión de metilmalonil-CoA a succinil-CoA. No se dispone de un tratamiento definitivo para los pacientes con esta enfermedad. Recientemente, hemos descrito una prueba de concepto con respecto al uso de chaperonas farmacológicas como posible terapia aplicable a pacientes portadores de numerosas mutaciones desestabilizantes (p.Arg186Gln, p. Arg190Cys, p.Arg190His, p.Arg191Gln y p.Glu193Lys), así como mutantes (p.Arg186Trp y p.Arg191Gln) que afectan al proceso de trimerización de la ATR. El efecto de las chaperonas farmacológicas es significativamente mayor en combinación con la hidro­xocobalamina, incluso en mutaciones descritas co­mo no respondedoras de vitamina B12. Estos resultados sugieren que las chaperonas farmacológicas representan una nueva y prometedora opción terapéutica sola o en combinación con hidroxocobalamina para numerosos pacientes con esta grave enfermedad mitocondrial [18].

 

Bibliografía
 


 1.  Morava E, Rahman S, Peters V, Baumgartner MR, Patterson M, et al. Quo vadis: the re-definition of ‘inborn metabolic diseases’. J Inherit Metab Dis 2015; 38: 1003-6.

 2.  Brooks PJ, Tagle DA, Groft S. Expanding rare disease drug trials based on shared molecular etiology. Nat Biotechnol 2014; 32: 515-8.

 3.  Balch WE, Morimoto RI, Dillin A, Kelly JW. Adapting proteostasis for disease intervention. Science 2008; 319: 916-9.

 4.  Hartl FU. Molecular chaperones in cellular protein folding. Nature 1996; 381: 571-9.

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 6.  Martínez A, Calvo AC, Teigen K, Pey AL. Rescuing proteins of low kinetic stability by chaperones and natural ligands phenylketonuria, a case study. Prog Mol Biol Transl Sci 2008; 83: 89-134.

 7.  Muntau AC, Leandro J, Staudigl M, Mayer F, Gersting SW. Innovative strategies to treat protein misfolding in inborn errors of metabolism: pharmacological chaperones and proteostasis regulators. J Inherit Metab Dis 2014; 37: 505-23.

 8.  Mu TW, Ong DS, Wang YJ, Balch WE, Yates JR 3rd, et al. Chemical and biological approaches synergize to ameliorate protein-folding diseases. Cell 2008; 134: 769-81.

 9.  Gámez A, Yuste-Checa P, Brasil S, Briso-Montiano A, Desviat LR, et al. Protein misfolding diseases: prospects of pharmacological treatment. Clin Genet 2018; 93: 450-8.

 10.  Yuste-Checa P, Brasil S, Gámez A, Underhaug J, Desviat LR, et al. Pharmacological chaperoning: a potential treatment for PMM2-CDG. Hum Mutat 2017; 38: 160-8.

 11.  Santos-Sierra S, Kirchmair J, Perna AM, Reiss D, Kemter K, et al. Novel pharmacological chaperones that correct phenyl­-ketonuria in mice. Hum Mol Genet 2012; 21:1877-87.

 12.  Roses AD. Pharmacogenetics in drug discovery and development: a translational perspective. Nat Rev Drug Discov 2008; 7: 807-17.

 13.  Pey AL, Pérez B, Desviat LR, Martínez MA, Aguado C, et al. Mechanisms underlying responsiveness to tetrahydrobiopterin in mild phenylketonuria mutations. Hum Mutat 2004; 24: 388-99.

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 15.  Yuste-Checa P, Gámez A, Brasil S, Desviat LR, Ugarte M, et al. The effects of PMM2- CDG-causing mutations on the folding, activity, and stability of the PMM2 protein. Hum Mutat 2015; 36: 851-60.

 16.  Jorge-Finnigan A, Brasil S, Underhaug J, Ruiz-Sala P, Merinero B, et al. Pharmacological chaperones as a potential therapeutic option in methylmalonic aciduria cblB type. Hum Mol Genet 2013; 22: 3680-9.

 17.  Jorge-Finnigan A, Aguado C, Sánchez-Alcudia R, Abia D, Richard E, et al. Functional and structural analysis of five mutations identified in methylmalonic aciduria cblB type. Hum Mutat 2010; 31: 1033-42.

 18. Brasil S, Briso-Montiano A, Gámez A, Underhaug J, Flydal MI, et al. New perspectives for pharmacological chaperoning treatment in methylmalonic aciduria cblB type. Biochim Biophys Acta 2018; 1864: 640-8.

 

Novel treatments in neurometabolic diseases: the importance of chaperones

Summary. Incorrect protein folding has been related to a number of genetic diseases. In these pathologies, loss and gain of function mutations can cause protein instability, giving rise to alterations in their catalytic properties or in their subcellular location. The literature includes reports of a number of diseases, called conformational diseases, which are produced by mutations that affect folding. Therefore, many pathologies could benefit from treatment with certain drugs such as proteostasis regulators or pharmacologic chaperones. This work describes the potential use of pharmacologic chaperones in several neurometabolic diseases, specifically, in phenylketonuria, in phosphomannomutase deficit and in methylmalonic aciduria type cblB.

Key words. Conformational diseases. Congenital disorders of glycosylation. Inborn errors of metabolism. Pharmacologic chaperones. Protein folding.

 

© 2018 Revista de Neurología

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