Apis mellifera y miRNAs: modelo natural de longevidad y una perspectiva hologenómica del envejecimiento

Introducción

Además de factores genéticos (Kenyon et al., 2005; Kenyon et al., 2010), la extensión del tiempo de vida puede estar influenciado por factores ambientales como la temperatura, niveles de oxígeno y la ingesta calórica (Lithgow et al., 1995; Bordone et al., 2005; Honda et al., 2011). En diferentes especies, la nutrición es un factor determinante en la modulación de la longevidad (Driver et al., 2003; Zou et al., 2007; Soukas et al., 2009; D’Antona et al., 2010), un ejemplo ampliamente conocido es el de la abeja Apis mellifera en donde la JR juega un papel preponderante en la determinación de la casta y en consecuencia sobre la longevidad en esta especie.

En una colmena existen dos castas de abejas hembra (diploides) que comparten la misma información genética: abeja reina y abejas obreras. Las diferencias morfológicas, fisiológicas y de estatus dentro de la colmena son notables. Además de la diferencia de tamaños, una abeja reina puede vivir hasta 5 años mientras que el tiempo de vida media de una abeja obrera oscila entre los 30 a 45 días; la capacidad reproductora de una abeja obrera es nula mientras que la abeja reina es fértil, puede ovopositar hasta 2000 huevos al día (Leimar et al., 2012; Cridge et al., 2017). El dimorfismo entre las abejas reinas y obreras no está determinado por factores genéticos, ya que los huevos de los cuales se origina cada una de estas castas son genéticamente iguales, si no por factores nutriepigenéticos que desde etapas larvarias determinan la casta del organismo en desarrollo (Barchuk et al., 2007).

Durante el desarrollo larvario, a partir del tercer día de ovoposición en la celda, la larva destinada a ser abeja reina es alimentada solo con JR durante toda su vida, mientras que una larva destinada a ser abeja obrera es alimentada únicamente tres días con JR y posteriormente con jalea para obreras (JO) compuesta por una mezcla de JR, agua, polen y azúcares principalmente (Cridge et al., 2017). Esta alimentación activa diferencialmente las señales asociadas a la hormona juvenil que modula la longevidad, las vías de insulina y aquellas que permiten las diferencias en los patrones de metilación del ADN entre ambas castas (Wang et al., 2006; Corona et al., 2007; Barchuk et al., 2007; de Azevedo et al., 2008).

La JR es producida por las glándulas hipofaríngeas y mandibulares de las abejas jóvenes, su composición química le confiere un pH de 4,2 (±0,5) y está constituida por un 66,8% (±3,2) de agua, 14,1% (±1,2) de proteínas, 13,9% (±5,4) de azúcares, 4,6% (±1,4) de ácidos grasos y en menor proporción por aminoácidos esenciales, antioxidantes fenólicos entre otros (Kolayli et al., 2016). Adicionalmente se han encontrado moléculas endógenas de RNA (Painter et al., 1969), principalmente miRNA´s (Gou et al., 2013; Zhu et al., 2017; Maori et al., 2019). Un componente exclusivo de la JR es el ácido graso 10-hidroxi-2-decenóico (10-HDA) el cual presenta una importante propiedad inhibitoria de desacetilasas de histonas (HDACs) (Spannhoff et al., 2011; Cornara et al., 2017). Aunado a esto, Kucharski y colaboradores en 2008 demostraron que la inhibición con siRNAs de la metiltransferasa 3 de ADN (Dnmt3) es suficiente para producir cambios en los patrones de metilación y la consecuente generación de abejas reinas (Kucharski et al., 2008).

Interesantemente, un extracto alcohólico no proteico de la JR incrementa la sobrevida de C. elegans en aproximadamente un 20 %, dicha fracción es rica en 10-HDA y disminuye la expresión de genes como ins-9 que modulan la señalización insulina/IGF1 (IIS), y fkb que inhibe la vía TOR involucrada en la sobre vida en C. elegants (Honda et al., 2011). Es importante mencionar que mTOR es una proteína que funciona como regulador maestro del crecimiento y metabolismo celular en respuesta a insulina, señales nutricionales y hormonales (Johnson et al., 2013). Se ha observado que la inhibición de esta vía puede extender el tiempo de vida en diversos organismos (Harrison et al., 2009; Bjedov et al., 2010; Robida-Stubbs et al., 2012). En este sentido, se ha observado que la intervención de la vía TOR en larvas destinadas a ser abeja reina, induce el desarrollo de caracteres de abeja obrera y en consecuencia cambia la esperanza de vida en dicha casta (Patel et al., 2007).

Aunado a lo anterior, se han asociado múltiples miRNAs a la modulación de la longevidad. Los miRNAs son pequeñas moléculas de RNA de aproximadamente 22 nucleótidos que inhiben la traducción de mRNA. En C. elegans el miR-71, miR-246 y miR-238 promueven longevidad mientras que miR-239 limita la esperanza de vida (De Lencastre et al., 2010), adicionalmente se ha observado que durante el envejecimiento de C. elegans miR-12 disminuye su expresión y que miRNAs de la familia Let-7 juegan un rol muy importante en el envejecimiento celular de drosófila, ratón, mono, y humano (Nishino et al., 2008; Wagner et al., 2008; Lee et al., 2011; Yu et al., 2011; Toledano et al., 2012). Es importante mencionar que los miRNAs Let-7, miR-71, miR-12 y miR-1 están presentes en la JR al igual que otros miRNAs como miR-263, miR-263b, miR-277, miR-283, miR-31a y miR-3, éstos últimos presentan sitios de unión en el UTR 3´ de genes relacionados a la hormona juvenil (Gou et al., 2013). Los microRNAs presentan un alto grado de conservación entre especie, por lo que es posible que los miRNAs de la JR puedan modular la expresión génica en un ambiente hologenómico intestinal en mamíferos, posicionando a la JR como un nutracéutico importante para el estudio de la longevidad en humanos.

En esta revisión analizamos la composición de la JR, su efecto en diversos modelos y como podrían, los miRNAs presentes en la JR, interaccionar con la microbiota del hospedero para propiciar un ecosistema intestinal benéfico para la longevidad.

1. Discusión y conclusiones

Uno de los retos más importantes en el estudio del envejecimiento es el descubrimiento de nuevas moléculas o nutracéuticos que promuevan la longevidad. El envejecimiento es un proceso fisiológico caracterizado por la pérdida de función, degeneración progresiva y reducción en la capacidad reparadora de órganos y tejidos (López-Otin et al., 2013), retardar dichos procesos mediante la modulación de factores externos es realmente un reto que merece ser analizado desde una perspectiva hologenómica.

Como se ha mencionado previamente, los miRNAs están implicados en múltiples procesos celulares desde etapas tempranas del desarrollo embrionario. En este sentido, muchos miRNAs han sido asociados a vías de señalización altamente conservadas entre especies, que modulan aspectos importantes de la longevidad como lo son las vías dependientes de Rampamicina (TOR), la de insulina (IGF-1), de daño al ADN entre otras. Existen múltiples modelos animales, principalmente invertebrados que revelan un papel fundamental de los miRNAs en el proceso de envejecimiento (Tabla 1). En humanos, los esfuerzos se han canalizado a encontrar marcadores circulantes que se asocien a longevidad, en este sentido los miRNAs son un blanco ampliamente estudiado y se ha logrado correlacionar el aumento o disminución de algunos miRNAs con el desarrollo y fisiología del envejecimiento. Un estudio que comparó el perfil de miRNAs en sangre periférica de individuos jóvenes (30.5 años promedio) y adultos (64.6 años promedio) encontró que los miRNAs miR-181a-5p, miR-1248, y miR-151a-3p fueron importantemente subexpresados con la edad (Hooten et al., 2013). Ameling y colaboradores reportaron que en 374 individuos los miRNAs miR-126-3p, miR-30c-5p, miR-30b-5p, miR-210, miR-142-3p y let-7a-5p fueron incrementando con la edad mientras que miR-93-5p fue regulado a la baja (Ameling et al., 2015). Por otro lado, un estudio longitudinal reportó que los miRNAs más asociados a longevidad fueron miR-211-5p, miR-5095, miR-1225-3p, miR-374a-5p, miR-340-3p y miR-376c-3p. En este caso, el análisis de los genes blancos indicó que la vía principalmente regulada por éstos miRNAs son aquellas relacionadas a la insulina (Smith-Vikos et al., 2016). En otro reporte, Zhang y colaboradores midieron el perfil de expresión de miRNAs en el suero de individuos de diferentes edades (20, 40, 59 y 70 años) y encontraron que miR-29b, miR-106b, miR-130b, miR-142-5p y miR-340 fueron regulados a la baja con la edad mientras que miR-92a, miR-222 y miR-375 fueron sobre expresados (Zhang et al., 2015).

Tabla 1.

miRNAs asociados a longevidad en diferentes especies.

miRNA	Jalea Real de A. mellifera	C. elegans	M. musculus	H. sapiens
Let-7	+	+	+	+
miR-34	+	+	+	+
miR-125	-	+	+	+
miR-183	-	+	+	+

(+) Interviene en la modulación de la longevidad; (-) No interviene en la modulación de la longevidad.

La heterogeneidad encontrada en los estudios realizados en humanos puede atribuirse a diferentes factores, desde la variabilidad de los diseños experimentales hasta el fondo genético de cada etnia, así como su ubicación geográfica y la microbiota intestinal que habita en cada individuo.

La microbiota intestinal es un factor determinante en la salud del hospedero, de ella depende la producción de múltiples metabolitos y macromoléculas que van a influir en el estado inflamatorio y en consecuencia en la predisposición a desarrollar enfermedades (Liu et al., 2016; Ferrucci et al., 2018; Behrouzi et al., 2020). La composición de la microbiota en el intestino va a depender de factores como; la porción del intestino en la que se encuentre, la disponibilidad de nutrimentos, el gradiente de pH, la cantidad de oxígeno y de las secreciones del hospedero (Quin et al., 2010; Kim et al., 2020). En adultos jóvenes destaca una microbiota central dominante que decrece con la edad, dicha microbiota está formada principalmente por las familias Ruminococcaceae, Lachnospiraceae y Bacteroidaceae, y aunque estas mismas familias de bacterias siguen predominando en la microbiota de individuos centenarios (99-104 años) y semi-supercentenarios (105-109 años) existe una mayor diversidad de bacterias en estos grupos longevos que van a mantener la homeostasis necesaria en favor de un envejecimiento saludable. En 2016, Baigi y colaboradores reportaron que en individuos jóvenes (22-48 años) predominan bacterias Coprococcus, Roseburia y Feacalibacteriun, que decrecen con la edad mientras que Oscillospira y dos miembros del orden Bacteroideceae (Ordoribacter y Butyricimonas) incrementaron en individuos centenarios (99-104 años). Interesantemente, se observó que bacterias de tipo Eggerthella, Akkermansia, Bifidobacterium, Anaerotroncus, Synergistaceae, Bilophila y Christensellaceae se incrementan considerablemente en individuos más longevos (105-109 años) (Baigi et al., 2016).

Todos estos cambios que experimenta la microbiota intestinal se reflejan en el metabolismo imperante en el intestino y en consecuencia, a nivel sistémico en el hospedero. Se ha observado que la microbiota de individuos longevos favorece la producción de ácidos grasos de cadena corta como el ácido butírico que presenta una importante actividad reguladora epigenética (Henagan et al., 2015), al mismo tiempo se disminuye el metabolismo de carbohidratos y síntesis de aminoácidos (Baigi et al., 2016; Badal et al. 2020).

Coincidentemente, en el modelo natural de longevidad analizado en esta revisión también existen diferencias en la composición de microbiota intestinal entre abejas obreras y abejas reinas (Tarpy et al., 2015). No olvidemos que una abeja reina vive 40 veces más que una obrera (obrera: 35-45 días vs reina: 1825 días promedio). La casta longeva de esta especie tiene poblaciones bacterianas específicas de abejas reinas como Bifidobacterium, Lactobacillus y Parasaccharidobacter, muchos de ellos considerados probióticos benéficos para la salud en humanos (Anderson et al., 2018). Es importante mencionar que el ecosistema predominante en el intestino de las abejas reinas va a propiciar un metabolismo fermentativo en favor de la producción de ácido butírico importante para la fisiología y homeostasis del huésped similar a lo que ocurre en humanos (Revière et al., 2016). En gran medida, el establecimiento de la microbiota en la casta longeva depende de la dieta de ésta casta, la JR.

Recordemos que unos de los componentes importantes de la JR son los miRNAs. Estos pequeños ácidos nucleicos se conservan entre especie y por ende presentan una gran capacidad reguladora incluso inter-especie (Teng et al., 2018) (Tabla 1). Se ha documentado ampliamente que miRNAs tanto de la dieta como los secretados por el endotelio intestinal regulan la expresión génica del ecosistema intestinal y en consecuencia la homeostasis del intestino (Liu et al., 2016; Teng et al., 2018). Interesantemente, miRNAs miembros de la familia Let-7, miR-190, miR-375, miR-124, miR-9, miR-92, miR-10, miR-33, miR-7 y miR-100 están presentes en la JR y son abundantes en muestras de heces en humano (Gou et al., 2013; Liu et al., 2016). Se ha observado que el miR-375 tiene un rol importante en la proliferación del endotelio intestinal además de modular la producción de moco (Biton et al., 2011; Bitar et al., 2019; Behrouzi et al., 2020). Por otro lado, la presencia de Lactobacillus acidophilus induce la expresión de miR-9 tanto in vitro como in vivo (Wang et al., 2018).

Con base en la evidencia observada, resulta atractivo pensar en la JR como un potencial modulador de la longevidad en mamíferos regulando la homeostasis del intestino a través de los componentes que contiene, tales como los miRNAs. Esta hipótesis es fundamentada en la regulación inter-especie de los miRNAs ampliamente documentada y en el enfoque hologenómico que las nuevas tecnologías nos permiten realizar, ello implica diseñar ensayos que contemplen la interacción genoma-microbioma-nutrioma del holobionte en estudio.

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