Bases moleculares de la condrogénesis

En los mamíferos, la mayoría de los huesos del esqueleto son formados por osificación endocondral, la cual consiste en la condensación mesenquimal de células indiferenciadas, seguida de  proliferación de condrocitos,  diferenciación de condrocitos hipertróficos y  mineralización. La proliferación de condrocitos  forma columnas paralelas en la placa de crecimiento del hueso que se caracterizan por la expresión de colágeno (tipos II, IX, XI) y proteglucanos como el agrecan.  Con la diferenciación, los condrocitos se vuelven hipertróficos y comienzan a producir fosfatasa alcalina y colágeno  tipo X. Eventualmente, los condrocitos completamente diferenciados  entrarán en apoptosis y la matriz cartilaginosa será mineralizada y reemplazada por hueso.  Los condrocitos maduros expresan factor de crecimiento endotelial vascular (VEGF) y metaloproteinasas de matriz (MMPs).  El VEGF induce la invasión de vasos sanguíneos en el cartílago y las MMPs ayudan en la degradación de la matriz cartilaginosa. La evidencia acumulada  a partir de enfermedades humanas ha identificado diversos factores involucrados en la regulación  de la proliferación y la diferenciación de los condrocitos. Entre ellos están factores de transcripción, factores de crecimiento solubles, matrices extracelulares (ECMs)  y factores epigenéticos.

Una compleja red transcripcional gobierna  la condrogénesis hasta alcanzar la diferenciación terminal de los condrocitos. De los factores de transcripción involucrados en la condrogénesis, el SOX9 es el más estudiado. La evidencia derivada de modelos de roedores ha revelado que el SOX9  es indispensable para la condrogénesis, El SOX9 comienza a ser expresado en el estadio osteocondroprogenitor mesenquimal y transactiva varios genes específicos para la proliferación de los condrocitos como Col2α1 que codifica al colágeno tipo II. Los factores SOX5 y SOX6  cooperan con el SOX9 en la activación de genes. Los miembros de las familias de factores de transcripción ATF/CREB (activating transcription factor/cyclic AMP response element binding protein) y AP1 son requeridos para mantener la capacidad proliferativa de los condrocitos tempranos.  La maduración hipertrófica de los condrocitos requiere  de los factores de transcripción Runx2 y Runx3 así como también de la disminución  en la expresión y/o actividad  de las proteínas SOX. El Runx2 transactiva directamente los genes Ihh (Indian hedgehog), Col10α1 que codifica al colágeno X, y MMP13. La proteína SOX9  suprime la expresión de Runx2 y la señal β-catenina, lo cual inhibe el cambio hipertrófico de los condrocitos.  Por otra parte, el factor de transcripción  Twist-1  funciona como represor de Runx2 en el pericondrio. Otros factores de transcripción como Mef2c y Mef2d (myocyte enhancer factor 2c y2d), Msx2,  los miembros  de la familia de factores de transcripción AP1, Fra2 y Fox2, y los miembros de la familia de factores de transcripción FoxA, también facilitan la hipertrofia de los condrocitos. El factor de transcripción inducible por hipoxia-1α (HIF-1α),  uno de los principales reguladores  de la respuesta hipóxica en los mamíferos,  tiene un rol en la supervivencia  de los condrocitos y en la regulación del gen del VEGF.

Los factores de crecimiento de fibroblastos (FGFs) tienen roles críticos en la condrogénesis activando  la señal mediada por receptores FGF (FGFRs). Entre  los FGFRs, el FGFR3 es expresado  en células bajo condensación mesenquimal y condrocitos proliferantes. Por otra parte, el FGFR1 es expresado en condrocitos prehipertróficos e hipertróficos. La señal mediada por el FGFR3 regula negativamente la proliferación y diferenciación de los condrocitos. Aunque varios FGFs son expresados en el cartílago, se ha sugerido que en los condrocitos el FGF18 funciona como ligando fisiológico para el FGFR3.  El Ihh es una molécula de señalización expresada en los condrocitos prehipertróficos que incrementa la expresión de la proteína relacionada con la hormona paratiroidea (PTHrP) en las células pericondriales y en los condrocitos de los extremos de los huesos largos, lo cual retarda la hipertrofia  de los condrocitos a través de los receptores PTH/PTHrP expresados en los condrocitos proliferantes. Ihh y PTHrP funcionan en un asa de retroalimentación negativa  local para regular el inicio de la diferenciación hipertrófica. Adicionalmente, el Ihh estimula la proliferación  y la maduración de los condrocitos de  una manera independiente de la PTHrP  en la que están involucradas la  Wnt y la proteína morfogenética del hueso (BMP). El péptido natriurético tipo C (CNP) es otro factor soluble regulador de la condrogénesis. La señal del CNP es mediada por el receptor NPR2, también llamado guanilil ciclasa B. La ruta de señalización CNP/NPR2 juega un rol importante en el desarrollo del cartílago de la placa de crecimiento. El CNP promueve el crecimiento óseo endocondral  a través de varios mecanismos, incluyendo la estimulación de la proliferación e hipertrofia de los condrocitos  y el incremento en la producción de ECMs.  La señal evocada por el CNP también inhibe la activación  de la ruta ERK inducida por FGFs. Las rutas p38MAPK y PI3K/Akt también están involucradas en la  acción reguladora del CNP sobre el desarrollo de los condrocitos.

Las interacciones célula-matriz adquieren mucha importancia cuando la interacción célula-célula, vía moléculas de adhesión (N-caderina y N-CAM), está involucrada en la condensación celular y la condrogénesis. Los condrocitos maduros producen abundantes proteínas EMC como colágenos y proteoglucanos. La ECM es reconocida y unida  por integrinas y receptores transmembrana de la superficie celular.  Las integrinas son expresadas como dímeros  formados por una subunidad α  y una subunidad β y la unión del  ligando a la integrina produce la transducción  de la señal de la EMC a los efectores intracelulares. La kinasa unida a la integrina  es uno de los componentes del complejo cuya formación es disparada por la activación  de la señal mediada por la integrina.  El gen SLC26A2 codifica a un transportador  responsable de la captación  de sulfato por los condrocitos. Las mutaciones en este gen  han sido identificadas en una forma de condrodisplasia llamada displasia diastrófica que se caracteriza por la baja sulfatación  de los proteoglucanos cartilaginosos como la condroitina.  Otra función de la ECM cartilaginosa es  la  regulación de la condrogénesis a través  de la unión, almacenamiento y liberación de factores solubles. Por ejemplo, la mayoría de los FGFs se unen a proteoglucanos heparan sulfato  para disparar la señal de transducción.  La vinculina es un componente del complejo de adhesión focal que funciona en la adhesión y/o señal entre el microambiente extracelular y la célula vía integrinas y caderinas. La vinculina regula la expresión de genes específicos de los condrocitos organizando la señal de ECMs y factores solubles como el factor insulinosimil- I (IGF-I).

Estudios recientes han revelado los roles de los mecanismos epigéneticos en la condrogénesis. La desacetilasa de histonas-4 (HDAC4) previene la prematura hipertrofia de los condrocitos al inhibir la actividad de los factores de transcripción Runx2/3 y Mef2c/d. Las HDAC1 y HDAC2  actúan como mediadoras  de la represión de algunos genes específicos  del cartílago incluyendo al Col2a1. Estos hallazgos sugieren  que la modificación de histonas influye en los procesos de formación ósea endocondral. La metilación de ADN también está involucrada en la regulación de genes específicos del cartílago. Por ejemplo, en los humanos, la desmetilación de los sitios 2CpG  del promotor COL10A1 se correlaciona con la inducción del gen COL10A1 durante  la diferenciación condrogénica de las “stem cell” mesenquiomales. 

Los micro ARNs (miARNs) son una clase de nucleótidos del ARN no codificantes que regulan la expresión  de otros genes en el nivel post-transcripcional. Estudios recientes han identificado numerosos  miARNs  con roles en la diferenciación de los condrocitos.  Por ejemplo, el miR-140 regula  el desarrollo y la homeostasis del cartílago, el miR-145 regula la diferenciación condrogénica de las “stem cells” mesenquimales y el miR-199 responde a la BMP y regula la condrogénesis  a través de la Smad 1. Estos hallazgos resaltan la importancia de los miARNs en la regulación de la cxondrogénesis.

En conclusión, varios factores –factores de transcripción, mediadores solubles, matrices extracelulares y las interacciones célula-célula y célula-matriz- regulan el complejo proceso secuencial de la condrogénesis.  Adicionalmente, estudios recientes  han revelado  que  mecanismos epigéneticos y mecanismos mediados  por microARNs  también son importantes en la condrógenesis.

Fuente: Michigami T (2014). Current understanding on the molecular basis of chondrogenesis.  Clinical Pediatric Endocrinology 23: 1-8.