Diversidad funcional de los FGF en la formación de hueso

El hueso es un tejido conectivo con una matriz extracelular mineralizada que proporciona soporte al cuerpo y afecta al metabolismo  calcio/fosfato. Los osteoblastos están involucrados en la formación de hueso a través de la secreción de la matriz orgánica “osteoide” y la facilitación de la formación de cristales de hidroxiapatita. Los osteoclastos juegan un rol activo en la resorción ósea. La formación de hueso y la resorción ósea son reguladas  por factores locales y sistémicos. Los primeros incluyen  factores de crecimiento y el ligando  del receptor del activador  del factor nuclear κ-β (RANKL) y su receptor RANK. Los factores de crecimiento fibroblástico (FGF)  están involucrados  en la regulación positiva y negativa  de  la formación de hueso. Los factores sistémicos  incluyen la hormona paratiroidea (PTH), la 1α,25-dihidroxivitamina D₃ (1,25 (OH)₂D₃) y la calcitonina.

Los FGF regulan la proliferación, la migración y la diferenciación  de las células en muchos órganos, incluyendo al hueso. En los mamíferos, los FGF  integran una familia  de 22 miembros (FGF1-23, el FGF 15 de ratón es ortólogo del FGF19 humano) y se clasifican  en tres subfamilias: canónica, similares a hormonas e intracelulares.  Las primeras dos subfamilias activan su ruta de señalización intracelular a través de los receptores de FGF (FGFR). Los FGF canónicos como el FGF2 actúan en el hueso y juegan roles significativos en la formación de hueso. Los miembros de la subfamilia  de FGF similares a hormona son los de más reciente identificación y su descubrimiento, especialmente los estudios clínicos y experimentales del FGF23, ha permitido explorar  roles adicionales de los FGF en el hueso. Los FGF intracelulares (FGF11-14)  han sido estudiados en neuronas pero no en el hueso.

Los FGF canónicos, incluyendo al FGF2, integran  la más común  subfamilia que transduce sus señales  a través  de  FGFR tirosina quinasa. La mayoría de FGF conservan un dominio  de unión a heparina y el heparán sulfato (HS) es un componente integral para la afinidad de los FGF por el FGFR.  Estos polipéptidos pueden ser retenidos  en la matriz extracelular  en la vecindad  de su célula secretora y, por lo tanto, actúan como factores autocrinos y/o paracrinos.  Los miembros de la subfamilia  de FGF similares a hormonas (FGF15/19, FGF21 y FGF23) tienen   características estructurales especiales  en el extremo C-terminal  y requieren de las proteínas de membrana αkloto/βkloto  –mas que HS-  como cofactores para unirse al FGFR. Esta diferencia puede ser  determinante  para las propiedades dinámicas de las dos subfamilias de FGF. Los FGF canónicos y similares a hormonas  llevan a cabo su actividad biológica  a través de cuatro FGFR  con diferentes afinidades de unión. Varios estudios han encontrado que la fosforilación de tirosina en el dominio intracelular  de los FGFR  activa  rutas de la proteína quinasa activada por mitogenos (MAPK), incluyendo la quinasa regulada por señal extracelular (ERK) ½, la p38 y la quinasa terminal c-jun N(JNK); la ruta fosfatidilinositol  3-quinasa (PI3K) Akt  y la ruta  fosfolipasa C (PLC)γ-proteína quinasa C(PKC). La dinámica espacio temporal  de FGF y FGFR puede determinar  cómo los FGF ejercen su actividad  en células y tejidos.

Los estudios en varios modelos animales sobre los roles primarios  de los FGF canónicos en la formación de hueso han demostrado que el FGF2, en los estadios tempranos de desarrollo,  inhibe la actividad de la fosfatasa alcalina, la síntesis de colágeno y la mineralización de la matriz al tiempo que incrementa la proliferación celular. Las acciones anabólicas del FGF2 han sido ampliamente demostradas; por ejemplo, la inyección local de FGF2 incrementa la formación de  hueso en ratones. El FGF2 también tiene la capacidad para prevenir  la pérdida  de hueso trabecular en ratas ovarectomizadas posiblemente    a través del incremento  de la proliferación  de células osteoadipogénicas.  En comparación con el FGF2, los demás FGF canónicos no han sido muy estudiados. Sin embargo, hay evidencia que el FGF1 puede actuar directa y/o  indirectamente  sobre el hueso.  El FGF4 es más específico de células mesenquimales, pero su inyección subcutánea incrementa la densidad mineral del hueso trabecular en ratones.  Mucho menos se conoce de los roles en el hueso de FGF6, FGF7, FGF8 y FGF9. El FGF6  tiene efectos catabólicos  sobre los osteoblastos y la evidencia histológica sugiere que el FGF9  convierte la osificación intramembranosa en osificación endocondral. Los efectos del FGF18 sobre la formación de hueso son similares  a los de FGF2, incrementa  la proliferación celular y disminuye la mineralización de la matriz.

La dinámica de los FGFR también es un determinante importante   de la formación de hueso mediada por FGF. Las mutaciones  en FGFR1 y FGFR2 provocan síndromes de craniosinostosis y condrodisplasia en humanos. Estos hallazgos sugieren que  ambos FGFR son  importantes para la formación de hueso endocondral  e intramembranoso.  Estudios  in vitro demuestran  que el FGFR2  induce las rutas de señalización ERK1/2 y PKC causando  diferenciación de osteoblastos. La señal FGFR3 afecta más a los condrocitos que a los osteoblastos. El FGF9, un ligando del FGFR3, regula positivamente la osteopontina  en los condrocitos.  El FGFR4 es expresado en preosteoblastos y osteoblastos  de ratones neonatos, lo que sugiere  que podría estar involucrado en la osteogénesis, pero su rol en el hueso  aun no está  claro.

El FGF23 es el último miembro  de la familia FGF y sus roles en el metabolismo del fosfato y la vitamina D son bien conocidos. Originalmente, el FGF23  fue descubierto  como  responsable del raquitismo hipofosfatémico y como un factor fosfatúrico producido por tumores mesenquimatosos. EL FGF23 es expresado predominantemente  en osteoblastos/osteocitos y la proteína  transmembrana αkloto actúa como correceptor del FGF23 para convertir los FGFR canónicos (FGFR1c, FGFR3c y FGFR4) en un receptor específico para el FGF23.  Por lo tanto, los órganos que expresan αkloto como el riñón, las glándulas paratiroides y el plexo coroideo son blancos del FGF23. El FGF23  disminuye la expresión renal de los cotransportadores sodio/fosfato tipo II y de la 1α-hidroxilasa, provocando la disminución de los niveles circulantes de Pi y 1,25(OH)₂D₃, respectivamente. El FGF23 también disminuye la expresión de PTH, aunque este efecto no es regulado por el eje FGF23-αkloto.  La carencia de FGF23 o de αklotocausa metabolismo aberrante de Ca/P y vitamina D, lo cual provoca anomalías esqueléticas y calcificación ectópica. El Pi, la activación simpática y la αkloto circulante podrían estar involucrados  en la expresión/producción  de FGF23. Por otra parte, el FGF23 puede actuar  de manera independiente de la proteína de membrana αkloto. Por ejemplo, la sobre expresión de FGF23, vía activación de FGFR1, altera la diferenciación  de osteoblastos y la formación de la matriz mineralizada. Una posible explicación  es que  la forma soluble (αkloto circulante) puede actuar como un cofactor  para el FGF23. En el ratón, el FGF23  en presencia de la αkloto circulante  activa  al FGFR2α y la ruta ERK1/2, causando una disminución de la proliferación de los condrocitos. En algunas células, la acción del FGF23 no requiere de ninguna de las proteínas αkloto. Por ejemplo, el FGF23 puede inducir la hipertrofia de cardiomiocitos ventriculares de ratas neonatales sin la participación de αkloto.  Los roles de los otros dos miembros de la subfamilia de FGF similares a hormonas, FGF19 y FGF21, en la formación de hueso no están completamente dilucidados. Los transcriptos FGF19 son expresados predominantemente en el ileum, mientras el ARNm de FGF21  es expresado en hígado, páncreas y tejido adiposo blanco. En condiciones normales, el FGF19, pero no el FGF21,  es detectable  en el cartílago de la placa de crecimiento  fetal de humanos. En ratones, la pérdida y la ganancia de la función de FGF21,  incrementa y disminuye la masa ósea respectivamente, lo que sugiere que el sistema FGF21/βkloto  puede actuar como un inhibidor de la formación de hueso.

El FGF2 humano tieneisoformas de bajo y alto peso molecular (FGF2, 22kDa, 22,5kDa, 24kDa y 32kDa)  mediante  un inicio alternativo  de la translación  en codones CUG  a partir  de un gen FGF2 simple.  El FGF2 (o FGF2 de bajo peso molecular) de bajo peso molecular  es predominantemente expresado en los precursores de los osteoblastos y activa la señalización intracelular vía FGFR de una manera autocrina/paracrina. La isoforma FGF2 de bajo peso molecular  extracelular puede ser translocada al núcleo después de su internalización, pero hay muy poca evidencia  de este proceso en el hueso. Las isoformas FGF2 de alto peso molecular no son liberadas de las células y se localizan en el núcleo en donde regulan la expresión de genes para ejercer sus efectos específicos.

Aunque el tejido óseo no expresa FGF21 en condiciones normales, el FGF21 circulante suprime la osteoblastogénesis e induce la adipogénesis. El FGF23 es considerado el  predictor  más común  en pacientes con enfermedad renal crónica. Los niveles sanguíneos de FGF23  se correlacionan positivamente  con la calcificación  de la arteria aorta  en paciente con hemodiálisis. Estudios recientes en pacientes con diálisis demuestran que el FGF23 exacerba la hipertrofia del ventrículo izquierdo, un tejido que no expresa la αkloto,  y que los niveles elevados de FGF23 están asociados con bajo índice de masa corporal y dislipidemia.

En conclusión,  la homeostasis ósea y mineral está rigurosamente controlada por múltiples mecanismos, incluyendo la señalización FGF/FGFR. Los FGF canónicos y similares a hormonas regulan la formación de hueso en diferentes estadios del desarrollo y de diferentes maneras. Los FGF expresados en el hueso están involucrados en la formación dehueso directa e indirectamente, lo cual indica que los FGF son mediadores de las interrelaciones  entre el hueso y otros órganos  bajo condicionesnormales y/o situaciones clínicas. Los FGF pueden compensarse unos con otros en el hueso y/o tejidos extraesqueléticos.

Fuente: Takei Y et al (2015). Functional diversity of fibroblast growth factors in bone formation.International Journal of Endocrinology, Article ID 729352.