Función del FGF8 durante el desarrollo de las neuronas GnRH

El factor de crecimiento fibroblástico 8 (FGF8) regula la proliferación de células progenitoras neuroendocrinas y la supervivencia celular, por lo tanto juega un rol critico para el desarrollo y mantenimiento de sistemas homeostáticos en el cuerpo como el eje hipotálamo-hipófisis-gónadas. El FGF8 es crucial para la emergencia  de las neuronas que producen hormona liberadora de gonadotropinas (GnRH), pero también afecta la maduración postnatal de neuronas vasopresina, oxitocina, kisspeptina y hormona liberadora de corticotropina del hipotálamo de mamíferos. En humanos, las mutaciones del gen Fgf8 causan el síndrome de Kallmann (SK), una forma de hipogonadismo hipogonadotrópico congénito asociado con anosmia. Generalmente, los pacientes con SK no tienen pubertad y son infértiles en la adultez. Estas observaciones indican que las disrupciones embrionarias en la señal FGF8 pueden alterar el desarrollo de las neuronas GnRH  y causar infertilidad. Los estudios genéticos de individuos con deficiencia de GnRH reportan que el Fgf8  es un gen importante para el desarrollo y migración de las células GnRH progenitoras. El FGF8 puede actuar  a través de cuatro receptores (FGFR) tirosina quinasa  unidos a membrana.

Dos estudios publicados en la década de los años 80 han sido esenciales  para entender dónde y cuándo la señal FGF8 es crítica  durante el desarrollo del sistema neuronal GnRH. Estos estudios presentaron evidencia convincente  que las neuronas GnRH hipotalámicas de humanos y roedores se originan en la placa olfatoria medial (POm). Sin duda, es un hallazgo sorprendente que la región morfogenética PO, la cual es conocida principalmente como precursor anatómico  de estructuras frontonasales faciales, también sea el origen de una población especifica e importante de células neuroendocrinas  del hipotálamo. Los estudios de proliferación indican que en el ratón la gran mayoría (80%) de células GnRH progenitoras se vuelven postmitóticas en la POm entre los  días embrionarios E9,5 y E10,5. Después de su emergencia en la POm, las neuronas GnRH migran a lo largo del septum nasal siguiendo a el trayecto de los nervios olfatorio, vomeronasal y terminal hasta llegar al área preóptica y el hipotálamo. Postnatalmente, la mayoría de neuronas GnRH están localizadas alrededor del extremo anterior del tercer ventrículo llamado lamina terminalis organum vasculosum en el área preóptica y proyectan sus axones a la zona externa de la eminencia media. La estimulación de las neuronas GnRH provoca la liberación del decapéptido GnRH en el sistema venoso porta para activar en la hipófisis anterior la producción de gonadotropinas y su liberación en la circulación sistémica.   

La PO es una región ectodérmica que da origen al epitelio respiratorio (no sensorial) y al epitelio olfatorio (sensorial).  A partir del epitelio olfatorio  se desarrollan  los sistemas olfatorio y vomeronasal. Los estudios en ratones demuestran que el lugar de nacimiento  de las neuronas GnRH puede traslaparse con una porción muy pequeña del epitelio respiratorio que bordea al epitelio olfatorio. Estos datos indican que los epitelios respiratorio y olfatorio contribuyen a la capacidad de la PO para generar neuronas GnRH. Las células migrantes de la cresta neural también contribuyen al pool de células GnRH progenitoras. La cresta neural es una región bilateral que proviene de la placa neural y  comparte un borde con la región que eventualmente será la PO. Algunas células de la cresta neural anterior  migran hacia la potencial PO y contribuyen al desarrollo de la PO. Por lo tanto,  las células progenitoras que se diferencian en neuronas GnRH  se originan en la cresta neural y la PO.

En el ratón, la familia FGF tiene 22 miembros. La homología entre los FGF  se basa en la presencia de una región de 120 aminoácidos altamente conservada y el 30-60% de identidad  a través de todos los FGF. La presencia de un péptido señal N-terminal en la mayoría de FGF  indica que son secretados  en el medio extracelular.  La señal FGF es facilitada a través de receptores tirosina quinasa unidos a membrana  que contienen un dominio extracelular para la unión del ligando, un dominio transmembrana  y un dominio tirosina quinasa intracelular. En algunos casos, el FGFR es transportado a –o reside en- el núcleo celular. Hasta el presente se han identificado cuatro FGFR  en humanos y ratones. La región extracelular  de un FGFR  se caracteriza por la presencia de tres dominios similares a inmunoglobulina (Ig) y un dominio de unión a heparina. La unión estable del FGF en presencia de heparina causa la dimerización del FGFR y la fosforilación de residuos tirosina  en el dominio quinasa. Esto, a su vez,  inicia diversas rutas de señalización intracelular incluyendo la fosforilación de dominios SH2 de la fosfolipasa Cγ, la hidrólisis de fosfatidilinositol bifosfato a diacilglicerol  e inositol trifosfato, lo cual resulta en cambios intracelulares en la concentración de Ca²⁺. Los FGFR también activan la ruta ERK, específicamente ERK1 y ERK2. Adicionalmente, la señal FGF puede activar la ruta PI3K/AKT, la cual a su vez  protege contra la apoptosis a través de la inhibición de caspasas. El análisis de “splicing” alternativo del ARNm de FGFR revela que el tercer dominio similar a Ig  tiene tres versiones, referidas como IIIa, IIIb o IIIc y son expresadas de manera tejido específica. La forma IIIa del FGFR es secretada  en el ambiente  extracelular mientras las formas IIIb y IIIc están presentes principalmente en células epiteliales y mesenquimales, respectivamente. Los estudios de afinidad demuestran que los FGFR pueden unir a una variedad de ligandos FGF, lo que indica la presencia de redundancia funcional. Por ejemplo, la señal de la subfamilia FGF8, 17 y 18 ocurre preferencialmente  a través de FGFR3c < FGFR4c < FGFR2c < FGFR1c < FGFR3b. Por otra parte, estudios recientes han detectado que la afinidad de unión  de la variante FGF8b por FGFR1 = FGFR2 = FGFR3, lo que indica que la señal FGF8 puede ser mediada igualmente por FGFR1, FGFR2 o FGFR3. La complejidad y redundancia  en los ligandos  y receptores FGF demuestra la inherente robustez  de la señal FGF durante el desarrollo embrionario.

Los estudios en humanos y roedores han confirmado el concepto  que la señal FGF8 es de importancia crítica para la emergencia  del sistema de neuronas GnRH. Las neuronas GnRH están ausentes en embriones de ratón -y recién nacidos- Fgf8 hipomórficos homozigotos.  El número de neuronas GnRH también está reducido en ratones Fgf8 hipomórficos heterozigotos en comparación con ratones silvestres. Otros estudios  demostraron que el déficit de neuronas GnRH  retarda la pubertad en ratones hembras. Estos resultados proporcionan una explicación  fundamental para los defectos reproductivos de los pacientes con SK. La eliminación de neuronas GnRH generalmente ocurre  durante la fase de emergencia  (E9,5-E10,5) del desarrollo neuronal GnRH. No se sabe  con certeza si la eliminación  de células GnRH progenitoras se debe a alteración de la proliferación  o de la supervivencia celular. Sin embargo, la evidencia favorece la segunda posibilidad dada la presencia de un incremento de apoptosis reportado en la PO de ratones con reducida expresión de FGF8. Más aún, los estudios en ratones carentes de Fgf8 reportan que la apoptosis en la PO es mucho mayor  en el E10,5. Por el contrario, no se encontraron diferencias  en el nivel de proliferación celular. Por lo tanto, la reducida expresión  de FGF8 en la PO en el período embrionario temprano disminuye la supervivencia  de células GnRH progenitoras. Los estudios en embriones de pollo confirman que la señal FGF8 es crítica para la emergencia  de neuronas GnRH en la PO.   El FGF8 afecta el desarrollo de las neuronas GnRH de una manera bifásica. (1) El FGF8, inicialmente,  actúa como un factor neurotrófico que previene la eliminación de células progenitoras durante la emergencia de las neuronas GnRH en la POm. (2) El FGF8 también funciona como factor morfogenético  que mantiene el carácter proliferativo de las células progenitoras. Estudios recientes  confirman que el ARNm del Fgf8 se localiza primariamente  en el epitelio respiratorio. Estos estudios también indican que las neuronas GnRH no derivan de células progenitoras del epitelio respiratorio que expresan Fgf8.  Por lo tanto, es posible que las células epiteliales respiratorias que expresan Fgf8  proporcionen el soporte trófico que promueve la supervivencia  de las células progenitoras GnRH en la POm durante el período E9,5-E10,5.

El FGF8 fue descubierto originalmente como un factor de crecimiento inducido por andrógenos en células SC-3, una línea celular de cáncer de mama dependiente de andrógenos en ratón. Los primeros estudios indican que la expresión del ARNm de Fgf8 en la PO de ratón es regulada hacia arriba alrededor del día embrionario E8,5 seguida por una regulación hacia abajo alrededor de E11,5/12,5. Los estudios también demuestran que la testosterona induce al ARNm de Fgf8, el andrógeno unido a su receptor  actúa sobre los elementos de respuesta de andrógenos para estimular la actividad luciferasa acoplada al promotor Fgf8.  Sin embargo, estudios recientes en ratones demuestran que, a diferencia de las células SC-3,  el andrógeno no modula al Fgf8 ni afecta la expresión de ARNm de GnRH, lo que sugiere que el andrógeno no es el regulador primario de la transcripción de Fgf8 en la PO del embrión de ratón. No obstante, no se puede descartar la posibilidad que la señal de los andrógenos  tenga efectos sobre la expresión  de Fgf8  dependiendo  del estatus epigenético del promotor Fgf8.

El ácido todo trans retinoico (ATRA) es un fuerte inhibidor  de la expresión de Fgf8 en la PO. La inhibición de la expresión de Fgf8 en la PO es causada por la síntesis  de ATRA a partir de vitamina por la enzima aldehído deshidrogenasa  en las células de la PO. El ATRA activa receptores retinoides (RXR) como el receptor de ácido retinoico  (RAR α, β, γ) en la PO en desarrollo. Los RAR unen ATRA y el esteroisómero  9-cis RA. Aunque los RAR y RXR actúan como complejos hetrodiméricos que afectan la transcripción de genes, los estudios indican que los RXR actúan primariamente como socio silente con respecto a la transcripción de genes. Más aún, el 9-cis RA está ausente en el embrión de ratón. Los datos de los estudios sobre el desarrollo del cerebro indican claramente que el ATRA  actúa para  restringir espacialmente y temporalmente la expresión del ARNm de Fgf8. Estudios recientes reportan que el ATRA previene la regulación hacia arriba de la expresión de GnRH. Por lo tanto, el ATRA a través de los RAR  restringe temporalmente la transcripción de Fgf8 en la PO de ratón con la consiguiente regulación hacia abajo  de los niveles de ARNm de Fgf8 en las células de la PO después de E11,5/12.5.

La regulación de la transcripción  de Fgf8 en la PO está bajo el control  de la metilación de ADN. La metilación de ADN depende de la DNMT, la cual cataliza la metilación de citosina en presencia del donador de grupos metilo  S-adenosil metionina. Las células progenitoras olfatorias expresan altos niveles de DNMT en el E11,5.  Específicamente, las progenitoras olfatorias mitóticas expresan exclusivamente DNMT3b, mientras las neuronas olfatorias postmitóticas expresan DNMT3a.  La expresión de ARN de Dnmt3b disminuye gradualmente  después de E11,5.  Un estudio reciente demuestra que junto con el aumento de la transcripción de Fgf8 entre E8,5 y E11,5, el gen Fgf8 es inicialmente  metilado  seguido por un proceso de desmetilación de ADN, lo cual está en línea con estudios que indican que la represión de la DNMT entre E7,5 y E10,5 causa la desmetilación global de ADN y posteriormente la regulación hacia arriba de la expresión de genes. Por lo tanto, la disminución de la actividad de DNMT podría inducir la expresión de Fgf8. Por otra parte, la modulación de la expresión de Fgf8 por la señal andrógeno puede actuar conjuntamente con otros cambios en el medio celular durante el desarrollo de la PO. Una posibilidad  es que en el contexto de una modificación epigenética de la expresión de Fgf8, la señal andrógeno puede actuar como un freno transcripcional  que limita los efectos morfogenéticos  o proliferativos de la señal Fgf8 debido a la regulación hacia arriba  de la expresión de Fgf8 dependiente de metilación de ADN.

En conclusión,  la transcripción de Fgf8 en la PO se debe a la acción coordinada del receptor de andrógeno, los RAR y la desmetilación de ADN, lo cual proporciona un medio transcripcional permisivo que inicialmente promueve y más tarde limita la emergencia de neuronas GnRH. La disrupción de la transcripción de Fgf8 en la PO puede eliminar la emergencia del sistema neuronal GnRH lo que sugiere que la función primaria del FGF8 es proporcionar soporte trófico para la emergencia de las neuronas GnRH. Sin embargo, los datos de algunos estudios indican  que el FGF8 causa una reducción en la expresión de ARNm de GnRH. Por lo tanto, es posible que la función fisiológica de la transcripción de Fgf8 sea doble. Inicialmente, la regulación hacia arriba de FGF8 promueve y proporciona soporte para la emergencia de las neuronas GnRH en la POm. Sin embargo, debido a que el FGF8 también mantiene la naturaleza indiferenciada de las células progenitoras, la expresión de FGF8 en la PO debe ser regulada hacia abajo antes de la desdiferenciación de las nuevas neuronas GnRH.

Fuente: Chung WCJ et al (2016). The regulation and function of fibroblast growth factor 8 and its function during gonadotropin-releasing hormone neuron development. Frontiers in Endocrinology 7:114.