FGF23 y kloto

El factor de crecimiento fibroblástico-23 (FGF23) es una hormona fosfatúrica que reduce la reabsorción  de fosfato  a través de la regulación negativa  de co-transportadores sodio/fosfato en las células epiteliales del túbulo proximal renal.  El FGF23 también regula hacia abajo la expresión de la 1α-hidroxilasa en los túbulos proximales renales y por lo tanto suprime la producción  de la forma hormonalmente  activa  de la vitamina D, 1,25-(OH)₂D (calcitriol). Los osteoblastos y los osteocitos son las principales fuentes  del FGF23 circulante in vivo. La secreción de FGF23  en el hueso es estimulada  por el calcitriol y por un incremento del fosfato extracelular, formando un asa de retroalimentación  entre hueso y riñón. Adicionalmente, un incremento en el calcio extracelular es capaz de aumentar  la secreción de FGF23. Hay también evidencia que la deficiencia de hierro  y el estimulo pro-inflamatorio aumentan la secreción de FGF23 por el hueso.

Para proteger al FGF23 de la fragmentación intracelular por parte de la convertasa de proproteína, furina, durante el proceso de secreción, es necesario que sea O-glucosilado  en el residuo treonina  en el sitio de fragmentación por la N-acetilgalactosaminiltransferasa 3 (GalNT3). Solamente la molécula intacta  de FGF23 es biológicamente activa, la falta de glucosilación  resulta en la secreción de FGF23 fragmentado, provocando un fenotipo similar al de deficiencia  de FGF23. Recientemente, se descubrió que la O-glucosilación  del FGF23  necesita ser contrabalanceado  por la fosforilación  de serina cerca del sitio de glucosilación por el miembro C de la familia  con secuencia similar 20 (FAM20C). La pérdida de función de FAM20C provoca un incremento de FGF23 intacto circulante  y raquitismo hipofosfatémico.  Por lo tanto, la fosforilación y la glucosilación  de FGF23 son procesos fisiológicos esenciales y determinan las cantidades relativas  de FGF23 intacto y fragmentado secretado por osteoblastos y osteocitos.

La unión de alta afinidad  del FGF23 en las células blanco requiere un complejo receptor  que consiste  del receptor de FGF (FGFR) y la proteína transmembrana αkloto (kloto).  EL FGFR es un receptor tirosina quinasa que una vez activado a través de la unión de ligando provoca una cascada de  fosforilaciones  de moléculas. Hay cuatro  diferentes FGFR (FGFR1, 2, 3, 4) y es aun controversial  cuáles FGFR son los responsables de las acciones del FGF23  en los diferentes tipos de células.  Hay evidencia de la señal FGF23 a través del complejo FGFR1c/kloto, pero la proteína kloto también puede unirse  a FGFR3 y FGFR4.

Kloto es una proteína con secuencia homóloga a la 1β-glucosidasa. En los mamíferos, solamente hay  un gen αkloto, pero hay tres isoformas de la proteína kloto: una forma transmembrana, una forma soluble (skloto) y una forma skloto truncada. El dominio extracelular  de la proteína Kloto consiste  de dos tipos de dominios de  1β-glucosidasa, KL1 y KL2, y es separado de la molécula de kloto  por  enzimas proteolíticas ancladas en la membrana, liberado al líquido extracelular y posteriormente a la circulación sanguínea. La isoforma skloto truncada es producida por “splicing” alternativo del ARNm de kloto, carece de los exones 4 y 5 en ratones y del dominio KL2 en humanos debido a una detención prematura del codón.  Por lo tanto, en humanos y ratones, la isoforma skloto truncada de la proteína kloto consiste  solamente de dominio KL1. Los principales sitios de expresión de kloto son los túbulos proximales y distales en el riñón, el plexo coroideo en el cerebro y las glándulas paratiroides.

La proteína kloto fue descubierta originalmente como un factor anti-envejecimiento. De acuerdo con esta noción, los ratones con deficiencia de kloto y Fgf23 se caracterizan por un fenotipo similar a envejecimiento asociado con muerte prematura, calcificaciones ectópicas y osteomalacia.  Los ratones kloto^-1- y Fgf23^-1- producen cantidades excesivas de calcitriol debido a la falta del efecto supresor del FGF23 sobre la actividad de la 1α-hidroxilasa renal. La función anti-envejecimiento  de kloto se atribuyó inicialmente  a un rol inhibitorio de la skloto sobre la señal de insulina. Los ratones kloto^-1- y Fgf23^-1- se caracterizan por un incremento en la sensibilidad periférica a la insulina. Sin embargo,  recientemente se ha demostrado  que la carencia de kloto  no altera la homeostasis de la glucosa en ratones kloto^-1-/VDR^∆/∆, lo que indica que el incremento en la sensibilidad a la insulina en los ratones kloto^-1- es secundario a disturbios en la homeostasis  mineral y que la capacidad  de la proteína kloto endógena  para inhibir la señal insulina/factor similar a insulina-1 (IGF1) no es indispensable  para la homeostasis de la glucosa. Por lo tanto, el concepto actual es que el envejecimiento prematuro  en los ratones kloto^-1- y Fgf23^-1- es causado por una intoxicación con  vitamina D que provoca  severa hipercalcemia e hiperfosfatemia y posteriormente daños en los órganos. Está claro que la toxicidad no es mediada por el incremento de los niveles circulantes de vitamina D per se, sino primariamente por la hiperfosfatemia inducida por la vitamina D.

El rol funcional de la proteína kloto es aún  controversial. En este sentido, se han propuesto tres funciones principales, (i) una función hormonal de la skloto, (ii) una función enzimática como glucosidasa y (iii) la función de la proteína kloto unida a la membrana celular como un co-receptor obligatorio para  la señal FGF23. La función hormonal  de la skloto   ha sido reportada en el riñón, el corazón, los vasos sanguíneos  y en la inhibición de la señal de insulina. Sin embargo, hasta el presente no ha sido posible identificar el receptor para skloto.  Aunque la proteína kloto carece de los residuos de ácido glutámico en el sitio activo característicos de la familia glucosidasa, hay evidencia que sugiere que la skloto  puede funcionar como una enzima. Varios estudios sugieren que la skloto puede tener la capacidad para alterar la función  y abundancia  de glucoproteínas de membrana separando el azúcar terminal de la cadena de azúcares a través de una potencial actividad glucosidasa. Los FGF endocrinos como el FGF23 tienen baja afinidad por los FGFR. Sin embargo, la co-expresión de kloto en la membrana celular convierte al FGFR1c en un receptor específico para FGF23 al incrementar aproximadamente 20 veces la afinidad del complejo receptor.

El riñón es uno de los principales sitios de acción de kloto y FGF23 y probablemente el más importante bajo condiciones fisiológicas. El riñón  es también la principal fuente  de skloto   bajo condiciones fisiológicas.  Es bien conocido que el FGF23 es una hormona fosfatúrica. El FGF23 induce un incremento en la excreción urinaria de fosfato a través de la supresión  de la expresión de los transportadores de fosfato NaPi-2a y NaPi-2c en la membrana apical de los túbulos proximales renales. La presencia de transportadores NaPi en la membrana apical es necesaria para la re-captación en el epitelio del fosfato filtrado. Recientemente se demostró en ratones que la acción fosfatúrica del FGF23 está determina principalmente  por la regulación hacia abajo  de la abundancia de NaPi-2a. Sin embargo, en los humanos, el NaPi-2c tiene un rol más importante en el metabolismo del fosfato  comparado con ratones.  El mecanismo molecular que subyace a la acción fosfatúrica del FGF23 no está muy claro.  En estudios de hibridización in situ  se encontró que la proteína kloto es expresada principalmente  en los túbulos distales renales. Por lo tanto, no está claro cómo el FGF23 podría actuar en los túbulos proximales donde tiene lugar la reabsorción de fosfato. Una hipótesis es que el FGF23 puede hacer que el túbulo distal secrete un factor paracrino hasta ahora desconocido que actúe en el túbulo proximal para suprimir la reabsorción de fosfato. Sin embargo, estudios recientes con anticuerpos policlonales   demostraron  que la proteína kloto es expresada tanto en la membrana basolateral del túbulo distal como  en la del túbulo proximal y que el FGF23 regula directamente la expresión de NaPi-2a en el epitelio del túbulo proximal por fosforilación  del cofactor regulador de la proteína intercambiadora Na⁺/H⁺ (NHERF)-1 de una manera dependiente de kloto.  La fosforilación del NHERF-1 provoca la internalización y degradación  del NaPi-2a. Este mecanismo es similar al de otra hormona fosfatúrica, la hormona paratiroidea (PTH), y la evidencia clínica  sugiere que la PTH y el FGF23  interactúan en la regulación  de la reabsorción renal de fosfato. 

Aunque el hallazgo  que el FGF23  actúa directamente sobre los túbulos proximales  no excluye la posibilidad  que el FGF23 pueda  disparar la liberación por los túbulos distales de señales paracrinas adicionales, se ha establecido un modelo lógico de la acción fosfatúrica del FGF23. La evidencia reciente  a partir de experimentos con ratones apoya fuertemente este modelo  porque los ratones con una lesión  específica de fgfr^-1- en los túbulos proximales presentan hiperfosfatemia y son resistentes a la acción fosfatúrica del FGF23. Las células epiteliales del túbulo proximal  expresan  FGFR1, 3 y 4 pero no 2. Hay  evidencia que la isoforma FGFR1c interactúa con kloto para formar el complejo receptor FGFR1c-kloto. Sin embargo, como ya se mencionó, la proteína kloto también puede interactuar con FGFR3 y 4. Un trabajo reciente indica que la acción fosfatúrica del FGF23 es mediada  a través de FGFR1 y FGFR4, pero  el FGFR1 puede tener el rol dominante en la mediación de la señal FGF23 en el túbulo proximal. No se sabe aún si los mecanismos de señalización del FGF23 involucrados en la supresión de la abundancia en la membrana de NaPi-2a y en la supresión de la actividad de la 1α-hidroxilasa renal forman parte de una ruta de señalización común, o si pueden ser influenciados separadamente.

La proteína kloto puede regular la reabsorción renal de fosfato por un mecanismo independiente de FGF23. En este contexto, se ha reportado  que kloto por su potencial actividad glucosidasa puede actuar como un factor fosfatúrico  autocrino alterando  la función de NaPi2a en las células epiteliales del  túbulo proximal. Un problema en este modelo es que requiere la presencia de proteína kloto funcional en la orina  y no está claro  cómo kloto  pasa de la circulación  o de la membrana basolateral  al espacio urinario. En los túbulos distales, la skloto actúa como un regulador  del canal de calcio  potencial de receptor transitorio vanilloide-5 (TRPV5). El TRPV5 es una glucoproteína esencial  para la entrada apical de calcio  en las células epiteliales renales y la expresión de TRPV5 completamente glucosilado  es la etapa limitante  en el transporte transcelular  de calcio en los túbulos distales renales. En este modelo, kloto, a través de una potencial actividad sialidasa promueve la abundancia de TRPV5 en la membrana apical estabilizando la interacción entre TRPV5 glucosilado  y galectina unida a la membrana e incrementando  el tráfico  de TRPV5 hacia la membrana apical.

Ahora bien, el FGF23 no sólo suprime la reabsorción de fosfato  en los túbulos proximales renales, también regula el manejo renal de calcio y sodio en los túbulos distales. La señal FGF23  a través del complejo receptor FGFR/kloto, provoca una fosforilación dependiente  de ERK1/2 y SGK1 de la quinasa con-no-lisina 4 (WNK4) en el epitelio del túbulo distal. La WNK4 es una molécula  central para el tráfico de canales iónicos  en el epitelio renal.  La activación de WNK4 inducida por FGF23  produce un incremento en la abundancia  de TRPV5 y del co-transportador  Na⁺:Cl^- (NCC) en los túbulos distales renales, lo cual  resulta en un incremento  de la captación celular  de calcio y sodio. Estos hallazgos tienen implicaciones fisiológicas y fisiopatológicas. Es bien conocido que la hiperfosfatemia crónica  es un factor de riesgo  para calcificaciones vasculares y enfermedades cardiovasculares. En una situación de hiperfosfatemia, la función conservadora de calcio  del FGF23 puede ayudar  a mantener los niveles de calcio a pesar de  la supresión de la síntesis de calcitriol  por el FGF23. Es de hacer notar que la otra hormona fosfatúrica, PTH, también combina la función fosfatúrica con la función conservadora de calcio en el riñón.  En los pacientes con enfermedad renal crónica, el FGF23 y la PTH  se encuentran elevados  debido a la retención de fosfato. En esta situación, la conservación de calcio  manejada por  el FGF23 y la PTH puede contribuir  al desarrollo de calcificaciones vasculares.  Adicionalmente, el FGF23 circulante está asociado con progreso de enfermedad cardiovascular, hipertrofia del ventrículo izquierdo, insuficiencia cardiaca y la mortalidad en pacientes con enfermedad renal crónica. El recientemente descrito enlace entre FGF23 y regulación de volumen puede proporcionar una explicación tentativa  para esta asociación. Otra observación interesante es que FGF23 y aldosterona convergen sobre SGK1 en los túbulos distales renales, lo cual puede provocar efectos sinérgicos sobre la activación de NCC.  Los niveles de aldosterona se encuentran elevados en los pacientes con enfermedad renal crónica. Por lo tanto, el incremento de aldosterona circulante puede aumentar  los efectos del FGF23 sobre la retención de sodio y agua  en los pacientes con enfermedad renal crónica.

Las glándulas paratiroides son sitios de abundante expresión  de kloto. Varias líneas de evidencia a partir de estudios in vivo e in vitro sugieren que el FGF23 suprime la secreción de PTH. Debido a que la PTH  estimula la secreción de FGF23  en el hueso, el efecto supresor  del FGF23 sobre la secreción de PTH forma un asa de retroalimentación  negativa entre el hueso y las glándulas paratiroides. Sin embargo, el mecanismo por el cual el FGF23 regula la secreción de PTH no está completamente claro. La evidencia acumulada con experimentos  in vivo e in vitro sugiere que el FGF23 suprime la secreción de PTH por una ruta independiente de kloto que involucra a la calcineurina, pero los FGFR involucrados aún no se conocen con claridad. Por otra parte, la elevación de FGF23 y PTH en los pacientes con enfermedad cardiovascular puede ser explicada  por resistencia al FGF23 en las glándulas paratiroides.

Aunque existen algunos reportes aislados acerca de la expresión de la proteína kloto en arterias y células de músculo liso vascular, actualmente hay consenso que en los humanos, kloto no es expresada  ni el corazón ni en los vasos sanguíneos en niveles fisiológicamente significativos.  Sin embargo, como ya se ha mencionado, el FGF23 está  asociado positivamente con hipertrofia de ventrículo izquierdo, insuficiencia cardiaca y calcificaciones vasculares. La pregunta es ¿por qué? Hay varias explicaciones posibles, el FGF23 puede contribuir a la retención de sodio  y agua. Alternativamente, hay evidencia que el FGF23 puede actuar directamente sobre el corazón. Estudios recientes  sugieren que el FGF23 induce hipertrofia ventricular izquierda por una acción independiente de kloto sobre los miocitos cardiacos. Más aún, la expresión local de FGF23 aumenta en el corazón de pacientes con hipertrofia ventricular izquierda inducida por enfermedad renal crónica.  Por lo tanto, el FGF23 puede tener un rol paracrino en la patogénesis de la hipertrofia ventricular izquierda. Es aún controversial si el FGF23 puede actuar directamente sobre los vasos sanguíneos. Los efectos del FGF23 sobre vasos sanguíneos in vivo pueden ser indirectos, aunque también puede inducir disfunción endotelial  interfiriendo directamente con la vasodilatación mediada por oxido nítrico. En contraste con el FGF23, la skloto  no está asociada con riesgo cardiovascular en los pacientes con enfermedad renal crónica ni en los pacientes con función renal normal.

La proteína kloto es expresada  en niveles muy bajos en el hueso mientras la expresión de FGF23 es alta en comparación con otros tejidos. Sin embargo, estudios recientes reportan que los osteoblastos y los osteocitos sólo contribuyen con el 50% de los niveles circulantes del FGF23, lo que sugiere que hay otras fuentes celulares que pueden contribuir a los niveles circulantes de FGF23. En este contexto, es importante resaltar la expresión de ARNm de FGF23 en tejidos distintos al hueso.  Por otra parte, la mineralización ósea es alterada en ratones con deficiencia de kloto y FGF23. Esto se debe a que el FGF23 puede actuar como un factor autocrino-paracrino regulador de la mineralización ósea suprimiendo la transcripción de la fosfatasa alcalina tisular no específica (Tnap) a través de una ruta de señalización mediada por FGFR3  independiente de kloto. Por lo tanto, la deficiencia de FGF23provoca una regulación hacia arriba de la expresión de Tnap y un incremento de la producción de fosfato, lo cual a su vez estimula la secreción de osteopontina, un inhibidor de la mineralización ósea.

El plexo coroideo es un sitio de abundante expresión  de kloto. Sin embargo, muy poco se conoce  acerca de  del rol funcional  de kloto y FGF23  en el sistema nervioso central. Un hallazgo interesante  en este contexto es que la skloto está asociada inversamente  con el envejecimiento y la enfermedad de Alzheimer en modelo de roedores. Más aún, los ratones con sobre expresión  de kloto exhiben aumento de la cognición y están protegidos contra la disminución cognitiva y la mortalidad prematura en modelos de enfermedad de Alzheimer. Adicionalmente, ciertas variaciones  naturales en el gen kloto están asociadas con mayor volumen cerebral y aumento de la cognición en poblaciones humanas.

En conclusión, el FGF23 es conocido como una hormona derivada del hueso que suprime la reabsorción de fosfato y la producción de calcitriol  en el riñón. De la proteína kloto, originalmente descubierta como un factor anti-envejecimiento, se han propuesto tres funciones: una función hormonal de la skloto, una función enzimática como glucosidasa y la función como co-receptor  de la señal FGF23. Sin embargo,  los avances recientes en el campo de la biología de FG23 y kloto han revelado nuevas funciones de la señal FGF23 y kloto en riñón,   corazón,  hueso, vasos sanguíneos y glándulas paratiroides. Está claro ahora que el FGF23  es más que una hormona fosfatúrica derivada del hueso. El FGF23 ha emergido  como un factor endocrino y autocrino involucrado no solamente en la homeostasis  de fosfato, sino también en el metabolismo de calcio y sodio así como también en el desarrollo de hipertrofia cardiaca. Estos novedosos hallazgos que relacionan al fosfato  con la homeostasis de volumen pueden tener implicaciones fisiopatológicas para  la enfermedad renal crónica, enfermedades cardiovasculares y desordenes de la mineralización ósea.

Fuente: Erben RG (2016). Update on FGF23 and klotho signaling. Molecular and Cellular Endocrinology 432: 56-65.