Rev Med Chile 2012; 140: 1109-1115

ARTÍCULOS DE INVESTIGACIÓN

 

Expresión disminuida de caspasa 3 asociada al polimorfismo del gen del antígeno-4 asociado a linfocito T-citotóxico (CTLA4) en pacientes chilenos con diabetes tipo 1

 

Decreased caspase 3 expression and cytotoxic T lymphocyte antigen-4 polymorphism in Chilean patients with type 1 diabetes

 

Bárbara Angel B.^1,a, Ethel Codner², Miguel Arredondo O.^3,b, Francisca Salas P.^4,c, Carolina Pizarro A.^4,d, Francisco Pérez B.^4,b

¹Departamento de Nutrición, Salud Pública y Epidemiología Genética. Instituto de Nutrición y Tecnología de los Alimentos (INTA) Universidad de Chile, Chile.

²Instituto de Investigaciones Materno Infantil (IDIMI). Hospital San Borja Arriarán. Facultad de Medicina. Universidad de Chile.

³Laboratorio de Micronutrientes. Instituto de Nutrición y Tecnología de los Alimentos (INTA) Universidad de Chile, Chile.

⁴Laboratorio de Genómica Nutricional. Departamento de Nutrición. Facultad de Medicina. Universidad de Chile. Santiago, Chile.

^aDoctor en Nutrición y Alimentos.

^bDoctor en Ciencias.

^cBioquímico.

^dBiotecnólogo.

Correspondencia a:

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Background: Several polymorphisms of the CTLA4 gene have been associated with autoimmune diseases. The activation of induced cell death is the major event and caspase 3 represents the main protein for the apoptotic machinery, especially in lymphocytes. Aim: To correlate CTLA4 polymorphisms with caspase 3 expression in peripheral blood mononuclear cells (PBMC) simulating in vitro the glucose effect. Material and Methods: CTLA4 polymorphisms were determined by restriction fragment length polymorphisms (RFLPs). PBMC from 21 patients with type 1 diabetes aged 8.5 ± 4.3 years and 21 healthy subjects aged 18.3 ± 1.8 years, were stimulated under normal (5 mM) and toxic (14 mM) glucose conditions to assess its effect on the expression and activity of caspase 3. Relative abundance of caspase 3 mRNA was measured by semi quantitative RT-PCR and its activity, by a colorimetric assay. Results: When stimulated with 14mM glucose, PBMC of G allele carriers with type 1 diabetes had significantly lower relative mRNA abundance of caspase 3 (median value = 0.12, range 0.01-0.70 AU) compared with non-carriers (median value = 0.81, range 0.06-1.09 AU). When the incubation was carried out with the lower glucose concentration, a similar profile of caspase 3 activity was observed in diabetic patients carrying G allele (median value = 0.57, range 0.13-1.20 AU) as compared with non-carriers (median value = 0.89, range 0.14-5.50 AU). No significant changes after stimulating with glucose, were observed in PBMCs of the control group. Conclusions: PBMC of recently diagnosed patients with T1D, carrying the G allele in + 49A/G polymorphisms of CTLA4, have a decreased expression and activity of caspase 3.

Key words: Apoptosis; Caspase 3; Diabetes Melllitus, type 1.

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La incidencia de la diabetes tipo 1 (DM1) en Santiago, Chile se ha incrementado en los últimos años, lo que es concordante con lo observado en América Latina como a nivel mundial^1,2.

La DM1 es una enfermedad autoinmune donde células T destruyen selectivamente a las células β pancreáticas productoras de insulina^3-5. Las células T activadas invaden los islotes, produciendo un fenómeno denominado "insulitis". La destrucción de los islotes está mediada por una compleja interacción entre los linfocitos activados, citoquinas y macrófagos^5-7. La apoptosis es un proceso fundamental que está involucrado en la viabilidad y en la destrucción tanto de las células T como de las células β. Se ha observado que la apoptosis es un fenómeno crucial para activar a las células T específicas, que agreden al páncreas y que dan cuenta de la aparición de la enfermedad⁵. La disfunción de la apoptosis se ha relacionado con la aparición de diversas enfermedades autoinmunes. Diversos estudios han propuesto que el bloqueo de la apoptosis estaría involucrado en la patogénesis de estas enfermedades^5,8.

El gen CTLA4 contiene 4 exones y se han descrito varios polimorfismos en la región promotora^9-12. La sustitución de una G por una A en la posición 49 del exón 1 (+49 A/G), causa un cambio de una treonina por una alanina en el codón 17 del péptido señal (A17T), la presencia de este alelo ha sido asociada a la predisposición a desarrollar enfermedades autoinmunes^13-15. Diversos autores han explicado que esta asociación se relaciona con bajos niveles de ARNm de la forma soluble de la proteína CTLA4, teniendo un papel funcional en la susceptibilidad para desarrollar enfermedades autoinmunes.

Las caspasas son cisteína-aspartil proteasas específicas conservadas evolutivamente que juegan un papel clave en la apoptosis¹⁶. La apoptosis cursa a través de dos vías principales: la vía extrínseca o la vía del receptor de muerte celular que involucra la superfamilia de receptores del factor de necrosis tumoral (dependiente de la proteína CD95 o Fas) y la vía intrínseca o mitocondrial. La caspasa 8 y 9 son proteínas que están involucradas tanto en la vía extrínseca como intrínseca, mientras que las caspasas 3, 6, y 7 son proteínas efectoras¹⁷. Se ha reportado la existencia de alteraciones en la apoptosis en células T periféricas en sujetos afectados por enfermedades autoinmunes¹⁸.

En ratones deficientes en la proteína Fas, se ha observado una activación de la muerte celular inducida, evento que contribuye al desarrollo de autoinmunidad¹⁹. En el ratón diabético no-obeso (NOD), modelo de diabetes autoinmune, se ha demostrado una resistencia a las señales apoptóticas en los linfocitos T periféricos^20-22. Además, estudios recientes describen una expresión alterada de Fas y su ligando (FasL), y una expresión reducida de las caspasas 8 y 3 en los linfocitos T periféricos, tanto en los modelos animales como en pacientes con DM1^6,7. Considerando que hasta la fecha no hay estudios que relacionen la expresión diferencial de caspasa 3 con genotipos específicos de CTLA4 en la DM1, el propósito de este estudio fue caracterizar la expresión y la actividad de caspasa 3 en un modelo de CMPs provenientes de pacientes con DM1 y controles sometiendo a está células a dos estímulos de glucosa (normal y tóxica) y evaluando su efecto sobre la expresión y la actividad de caspasa 3.

Materiales y Métodos

Sujetos

El estudio celular se realizó con 21 pacientes con DM1 (14 mujeres, 7 hombres; edad promedio 8,5 ± 4,3 años) menores de 15 años con diagnóstico reciente de DM1 debutantes en el IDIMI y provenientes de comunas de nivel socioeconómico medio-bajo. La muestra fue tomada en un período no mayor a los quince días a partir del diagnóstico (según criterio Asociación Americana de Diabetes, ADA). El grupo control correspondió a 21 individuos sanos (12 mujeres, 8 hombres; edad promedio 18,3 ± 1,8 años), sin antecedentes familiares de diabetes, ni enfermedades autoinmunes provenientes de dos comunas de nivel socioeconómico medio-bajo. Se escogieron jóvenes mayores a los pacientes con DM1 para descartar la posibilidad de DM1 en este grupo. Este protocolo fue aprobado por los comités de ética de la Facultad de Medicina de la Universidad de Chile e IDIMI respectivamente. Todos los participantes y/o sus padres firmaron el correspondiente consentimiento informado.

Estudio experimental

El ADN genómico fue extraído de sangre periférica utilizando un protocolo estándar (Winkler, Santiago, Chile). Los genotipos para el gen CTLA4 fueron obtenidos mediante la amplificación del ADN con PCR convencional y análisis de fragmentos de restricción. Se amplificó una región de 162 pb localizado en el exón 1 del gen CTLA4 con los partidores: sentido 5'-GCTCTACTTCCTGAAGACCT-3'; antisentido 5'-AGTCTCACTCACCTTTGCAG-3. La reacción de PCR fue realizada en 20 μL de reacción con 5 pmoles de cada partidor, 50 ng de DNA genómico, 200 μM de cada dNTP y 0,5 U de Taq-Polimerasa. La reacción se estandarizó en un período de 7 min a 95°C para la activación de la enzima y 40 ciclos que consistieron en denaturación del ADN a 95°C por 30 s, unión de los partidores a 56°C por 30 s y extensión a 72°C por 30 s, cn un período de extensión final a 72°C durante 15 min. El análisis de fragmentos de restricción se realizó en 5 μL de producto incubado a 37°C durante toda la noche con 0,5 U de la enzima BvbI. El producto de digestión (162 pb, 90 bp y 74 bp) fue visualizado en geles de agarosa al 2,5% con bromuro de etidio²³.

Separación y cultivo celular

Las CMPs fueron aisladas a partir de sangre he-parinizada mediante centrifugación en gradiente de densidad Ficoll-Hystopaque (densidad: 1,119; Sigma Diagnostic, St. Louis, MO), lavadas dos veces con el medio RPMI 1640 sin glucosa (Gibco-BRL, Grand Island, NY, USA). Las células fueron incubadas con glucosa (5 y 14 mM) o sin glucosa por 20 h, a 37°, 5% CO₂ y 80% de humedad, en placas Petri de 6 pocillos con medio RPMI 1.640 sin glucosa, suplementado con suero fetal bovino al 10% fetal y antibióticos en duplicado (a una concentración de 1 x 10⁶ células en 1ml de medio de cultivo). La recuperación de las células fue llevada a cabo mediante una centrifugación a baja velocidad (3.000 rpm x 5 min) y un tratamiento suave con tripsina-EDTA a 37° C por 5 min. Las células fueron lavadas con PBS y la viabilidad celular fue determinada utilizando una tinción de azul Tripán en una cámara de Neubauer. Una alícuota fue removida para la extracción de proteínas y otra para la extracción de ARNm. Estas alícuotas fueron almacenadas y congeladas a -80°°C en DMSO al 10%.

Expresión de ARNm para Fas y caspasa 3

La abundancia relativa del ARNm de Fas y caspasa 3 fue semicuantificada mediante RT-PCR utilizando partidores múltiples. El ARNm total fue extraído con Trizol (Gibco-BRL) y la síntesis de ADNc se llevó a cabo utilizando 2 μg de cada muestra de ARNm con hexámeros al azar (Random Partidores) con 200 U de enzima Superscript II (Gibco-BRL); posteriormente 200 ng de la alícuota de ADNc fue amplificada en un volumen de reacción de 100 μL con 20 pmol de los partidores, 2,5 U Taq ADN polimerasa (Gibco-BRL), 200 mmol/l de cada deoxinucleósido trifosfato y 1,5 mmol/l MgCl₂. Las secuencias de los partidores para caspasa 3 fueron: sentido 5'-ATG GAG AAC ACT GAA AAC TCA GTG-3', anti-sentido 5'-TAG TGA TAA AAA TAG AGT TCT TTT G-3' y para Fas fueron: 5' GCCCAAGTGACTGACATCA 3'y anti-sentido: 5' ACTGTGCAGTCCCTAGCTT 3'. La expresión de β-actina se utilizó como un control de ARNm empleando los siguientes partidores que generaron un producto de 354 pb: sentido 5'-ACC AAC TGG GAC GAC ATG GAG-3', anti-sentido 5'-CGT GAG GAT CTT CAT GAG GTA GTC-3. Se utilizaron 30 ciclos para caspasa-3-Fas y 25 ciclos para β-actina. Todos los productos de PCR fueron analizados por elec-troforesis en gel de agarosa al 1,2% mediante un escaneo densitométrico del gel utilizando el software Bio-Capt versión 11.01 y los resultados han sido expresados en una razón caspasa-3/b-actina o Fas/b-actina. Para la determinación de proteínas, las muestras fueron procesadas usando un buffer de lisis celular contenido en el kit (ApoTargetTM Casp 3, Biosurce International, Inc. California, USA) y cuantificadas por método de Lowry.

La actividad de caspasa 3 (200 mg de proteína) medida con un kit colorimétrico (ApoTargetTM Casp-3, Biosurce International, Inc, California, USA) con DEVD-pNA (p-Nitroaniline) como sustrato. Este enfoque nos permite determinar la actividad in vitro a través de la medición proteolítica de caspasa3 inducida en nuestro experimento por glucosa, midiendo la absorbancia a 405 nm. El incremento en la actividad de caspasa 3 fue determinado por comparación directa con las lecturas en cada condición (5 mM y 14 mM de estímulo de glucosa) y con las lecturas de los controles (células sin estímulos de glucosa).

Análisis estadístico

Se utilizó test de Kruskal-Wallis para estimar la expresión relativa de Fas entre DM1 y controles. El test de Friedman y Wilcoxon para comparar la expresión y actividad de caspasa 3 y de acuerdo con los genotipos +49 A/G del gen CTLA4 en los diferentes estímulos de glucosa.

Resultados

Expresión de Fas

Para evaluar la presencia de un patrón diferencial de apoptosis en CMPs se realizó una determinación de la expresión de Fas bajo la influencia de la hemaglutinina que induce apoptosis vía Fas-Fas-ligando. El efecto de apoptosis inducida en las CMPs con hemaglutinina, mostró que los DM1 presentaron una expresión diferencial de Fas (Figura.1), en ambas condiciones de glucosa (5 mM y 14 mM).

Figura 1. Efecto de glucosa sobre la expresión génica de Fas. Razones de expresión del gen Fas en el grupo de pacientes con DM1 (n = 21) en relación a los controles (n = 21). Valores mayores a 1 indican aumento de la expresión. Significancia estadística según test de Kruskal-Wallis. *** p < 0,001.

Expresión de caspasa 3 en función del genotipo CTLA4

Se analizó la expresión del ARNm de caspasa 3 y los datos se dividieron en genotipo AA y en portadores del alelo G (AG+GG) según el polimorfismo +49 A/G del gen CTLA4. Los resultados obtenidos en pacientes y controles, mostraron que la expresión relativa del ARNm de caspasa 3 aumentó en relación a β-actina cuando la concentración de glucosa se incrementó (p = 0,06) para el genotipo AA. En cambio, los pacientes con DM1 portadores del alelo G (AG+GG) mostraron una disminución significativa en la relación ARNm caspasa 3/ARNm β-actina (p = 0,02) (Figura.2). Los niveles de expresión del ARNm de caspasa 3 se mantuvieron sin cambios en los controles.

Figura 2. Expresión del ARNm de caspasa 3/3-actina en CPMs. Se muestran los no portadores (círculos) y portadores (triángulos) del alelo G según el estímulo de glucosa. Se observa una disminución significativa en los portadores de este alelo en la condición de 14 mM de glucosa (p= 0,03).

Al comparar la abundancia relativa del ARNm de caspasa 3 en cada punto de exposición a glucosa, entre portadores y no portadores del alelo G en el grupo DM1 se observó que en la condición de glucosa 14 mM, los portadores del alelo G mostraron una menor abundancia relativa (mediana de los valores de expresión = 0,12 dentro del rango [0,01-0,70]), en comparación con los no portadores (mediana de los valores de expresión = 0,81 dentro del rango [0,06-1,09]); con p = 0,031. El mismo análisis para el grupo control no mostró diferencias en la abundancia relativa del ARNm de caspasa 3 entre los genotipos o en las distintas condiciones de glucosa.

Actividad de caspasa 3 en función del genotipo CTLA4

Este análisis se realizó con 200 mg de proteína de CMPs en respuesta a diferentes concentraciones de glucosa. Los resultados fueron divididos por genotipo como AA y portadores del alelo G (AG+GG) según polimorfismo CTLA4 (Figura.3). Nuestros datos mostraron que esta actividad no tuvo variación con el incremento en la concentración de glucosa (p = 0,25). En los portadores del alelo G (AG+GG) con DM1, la actividad caspasa 3 mostró una tendencia decreciente con el aumento de la concentración de glucosa. Se observó de forma similar que en el perfil de expresión de caspasa 3 en la condición de 14 mM de glucosa, que los pacientes portadores del alelo G mostraron una menor actividad (mediana de los valores de expresión (unidad arbitraria) = 0,57 dentro del rango [0,13-1,2]) en comparación con los DM1 no portadores (mediana de los valores de expresión = 0,887 dentro del rango [0,14-5,5]), con una diferencia estadísticamente significativa (p = 0,03). En el grupo control, la actividad de la caspasa 3 no varió entre portadores y no portadores en relación a las concentraciones de glucosa.

Figura 3. Actividad caspasa 3/basal en las CMPs, los no portadores (círculos) y portadores (triángulos) del alelo G de acuerdo con el estímulo de glucosa. Se observó una disminución significativa en los portadores de este alelo en la condición de 14 mM de glucosa (p = 0,03).

Discusión

La confirmación de los roles de los genes CTLA4 y el receptor de la proteína fosfatasa linfoide (PTPN2) como reguladores de la inmuno-modulación negativa de las células T a través de las células T regulatorias, revela la complejidad de la respuesta inmune observada en la DM1²⁴.

Las moléculas CTLA4 y PTPN22, controlan la activación de células T y a diferencia de CD28, CTLA4 entrega señales negativas a las células T²⁵. Varios polimorfismos del gen CTLA4 han sido relacionados a una función inhibitoria reducida sugiriendo que estos podrían jugar un papel importante en varias etapas regulatorias de las células T^9,26-28. Estudios previos de nuestro grupo en polimorfismos de CTLA4 mostraron una potencial reducción de la proteína circulante CTLA4 en pacientes con DM1 portadores del alel G²⁹, fenómeno que Purohit y cols³⁰, no habían detectado en sus estudios previos.

Los datos presentados en este trabajo muestran una posible relación entre el polimorfismo +49 A/G del gen CTLA4 y un marcador de apoptosis como caspasa 3. La apoptosis parece jugar un rol central en los mecanismos moleculares que conducen a la autoinmunidad^31,32. Aunque las células T colaboradoras representan el principal componente en la insulitis autoinmune, la respuesta humoral y de células policlonales encontradas en pacientes con DM1 sugieren la participación de otros múltiples eventos dirigidos hacia células β pancreáticas, entre los cuales la apoptoisis parece jugar un papel fundamental^33,34.

Vendrame y cols³⁵ reportaron una expresión alterada de caspasa 3 en pacientes con DM1. Sus resultados mostraron una resistencia a la apoptosis mediada por el receptor de membrana Fas debido, al menos en un grupo de pacientes, a un defecto en la expresión de caspasa 3 (principal ejecutor de la muerte celular por apoptosis dependiente de Fas). Ellos propusieron que la expresión y función defectuosa de caspasa 3 en linfocitos periféricos de pacientes con DM1 u otras enfermedades autoin-munes como tiroiditis, puede cumplir una función importante en la resistencia a la muerte celular y así contribuir al desarrollo de autoinmunidad en individuos susceptibles genéticamente^35,36.

Nuestros resultados indican que las CPMs provenientes de pacientes portadores del alelo G del polimorfismo + 49 A/G de CTLA4 mostraron una expresión reducida de caspasa 3 después de la exposición a altos niveles de glucosa. Este resultado es concordante con lo observado por Vendrame y cols³⁵ y podría indicar una resistencia a la muerte celular por parte del linfocito T.

Un aspecto importante a considerar en la interpretación de nuestros resultados tiene relación con la posible influencia de la edad sobre los marcadores de apoptosis, en particular sobre caspasa 3. En nuestro estudio, los pacientes con DM1 son más jóvenes que los controles, esto debido a que la búsqueda de controles mayores es necesaria para descartar la presencia de DM1. Sin embargo, esta diferencia de edad podría estar afectando la actividad de caspasa 3. En otros modelos celulares (cardiomiocitos en cultivo, células progenitoras endoteliales y músculo) se ha observado que la concentración de caspasa 3 está aumentada y que su actividad tiende a ser mayor con la edad^37-39. Este antecedente es relevante y a pesar de que no hay antecedentes en CMPs y que los controles también son jóvenes, debiera interpretarse con cautela.

Nuestros datos apoyarían el papel esencial del gen CTLA4 en la inmuno-modulación de las células T. En particular, este es el primer reporte sobre la relación entre el polimorfismo +49 A/G del gen CTLA4 y la activación de caspasa 3. Recientemente, se ha mostrado la importancia de la activación de las caspasas en patologías mediadas por inmunidad²⁰. Además, nuestros resultados muestran que la presencia del alelo G del polimorfismo + 49 A/G de CTLA4 en CMPs de niños con DM1 podría estar relacionada a una relativa baja en la expresión y actividad de caspasa 3 en condiciones de estrés por glucosa. Esto sugiere una resistencia a la apoptosis por parte de las CMPs, produciéndose dos efectos conjuntos: una mayor sobrevida celular y por lo tanto, mayor probabilidad de infiltración y un efecto de masa celular lo que condicionaría una mayor producción de citoquinas. En ambos casos el escenario se corresponde con una mayor agresividad de las células T circulantes.

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Trabajo financiado por proyecto FONDECYT 1 100075.

Recibido el 5 de diciembre de 2011, aceptado el 15 de mayo de 2012.

Correspondencia:

Dr. Francisco Pérez-Bravo

Laboratorio de Genómica Nutricional Departamento de Nutrición. Facultad de Medicina. Universidad de Chile.

Av. Independencia 1027, 3° Piso Santiago, Chile.

Teléfono: 56 2 978 62 42

E-mail: fperez@med.uchile.cl

 

Conflictos de Intereses:

Barbara Angel.

Francisca Salas-Peréz.

Ethel Codner.

Miguel Arredondo.

Carolina Pizarro Acevedo.

Francisco Pérez-Bravo.