Mecanismo de acción de kloto soluble

El gen kloto codifica una glucoproteína transmembrana tipo 1 llamada α-kloto (130 kDa) que contiene un dominio intracelular corto de 10 aminoácidos y un dominio extracelular (EC) que contiene dos regiones internas repetidas (KL1 y KL2), ambas de aproximadamente 450 aminoácidos y con secuencia homóloga a la familia 1 de las β-glucosidasas. La proteína α-kloto difiere de la familia 1 de glucosidasas en la ausencia de dos residuos de ácido glutámico en sus regiones KL1 y KL2 que son importantes para la actividad catalítica  de esta familia de enzimas. La α-kloto exhibe actividades sialidasa y β-glucoronidasa. Hasta ahora, se han identificado tres isoformas de la proteína α-kloto: (1) la forma transmembrana  de longitud completa (mKl), (2) una forma soluble [kloto soluble (sKl)], (3) una forma truncada secretada que es producida por “splicing” alternativo de mARN de kloto y consiste solamente de KL1. En el espacio extracelular, la forma truncada secretada  es mucho menos abundante que la sKl. La mKl está asociada con receptores de factor de crecimiento de fibroblastos (FGFR) para formar correceptores  de FGF23, una hormona fosfatúrica derivada del hueso. La sKl es producida cuando el dominio mKl cerca de la región transmembrana  es clivado proteolíticamente por las metaloproteinasas ADAM10 y ADAM17. Una vez liberada de la membrana celular, la sKl circulante ejerce sus efectos biológicos sobre órganos o tejidos distantes. En roedores y humanos, la proteína α-kloto es expresada abundantemente  en el riñón y el plexo coroideo del cerebro, y en menor extensión en glándula paratiroides, páncreas, órganos sexuales y glándula tiroides. La familia del gen kloto, además de α-kloto, incluye  dos miembros adicionales: β-kloto y γ-kloto. La proteína β-kloto  es expresada principalmente en hígado, tejido adiposo y páncreas, mientras γ-kloto  es expresada en riñón y piel. Las hormonas FGF19 y FGF23 requieren β-kloto como correceptor para unirse a su FGFR y activar rutas de señalización  que regulan la síntesis de ácidos biliares y el metabolismo energético.

   La unión del FGF23 a mKl-FGFR juega roles críticos en el metabolismo de vitamina D, calcio y fosfato. La restricción  de vitamina D o fosfato provoca retardo en el crecimiento  y muerte prematura  en ratones kloto^-/-, validando que la función de mKl como correceptor de FGF23 es crítica para el metabolismo  mineral, el metabolismo de vitamina D, el crecimiento y la supervivencia. Por el contrario, la función y el mecanismo  de acción de la sKl son menos claros. La α-kloto es expresada predominantemente en el riñón y el cerebro. Sin embargo, los ratones kloto^-/- exhiben defectos funcionales  en células que no expresan α-kloto, lo cual sugiere que la sKl circulante puede funcionar como una hormona que actúa a distancia. La sobre expresión del gen kloto extiende la duración de la  vida  en el ratón. Los efectos de la α-kloto han sido atribuidos a la inhibición de una señal similar a insulina, lo cual es un mecanismo conservado en la evolución para suprimir el envejecimiento. Los estudios in vitro  han demostrado que la sKl suprime la autofosforilación  de los receptores para insulina/IGF-1 y regula a la baja eventos de señalización que incluyen la fosforilación de tirosinas en las proteínas sustratos del receptor de insulina (IRS) y la asociación  de fosfoinositido 3-kinasa (PI3K) p85 con las proteínas IRS. La inhibición de la señal insulina/IGF-1/PI3K mediada por la sKl puede suprimir el envejecimiento a través de la inducción de resistencia al estrés oxidativo. La ruta insulina/FGF-1/PI3K está relacionada con el estrés oxidativo a través de los factores de transcripción FOXO que son blanco de la señal similar a insulina que regula el envejecimiento. La inhibición de la señal similar a insulina  resulta en la activación de FOXO y la regulación al alza de genes que codifican enzimas antioxidantes como la manganeso superóxido dismutasa  (MnSOD) mitocondrial, la cual es importante para remover especies reactivas de oxígeno (ROS) y reducir el estrés oxidativo. El FOXO nuclear se une al gen promotor de MnSOD e incrementa los niveles de la proteína MnSOD. La fosforilación/inactivación de FOXO inducida por la insulina está aumentada en los ratones kloto^-/-.

   La sKl, además de la ruta insulina/IGF-1, confiere efectos citoprotectores a través de otras rutas antioxidantes. El estrés oxidativo contribuye a la progresión de calcificaciones vasculares  a través de la inducción de apoptosis y senescencia en las células endoteliales vasculares. La sKl actúa como una hormona en los vasos sanguíneos donde continuamente es expuesta a las células endoteliales vasculares. Los efectos anti-apoptosis y anti-senescencia de la sKl  en células endoteliales pueden ser mediados por la ruta proteína quinasa activada por mitogenos (MAPK)/quinasa regulada por señal extracelular (ERK). La sKl también ejerce efectos antioxidantes induciendo la expresión de MnSOD  a través de la activación de la ruta cAMP/proteína quinasa A (PKA). Adicionalmente, el gen kloto atenúa la producción de superóxido inducida por angiotensina II, el daño oxidativo y la apoptosis en células de músculo liso vascular estimulando la supresión de la expresión de la proteína Nox2-NADH oxidasa mediada por cAMP/PKA. Estudios recientes indican que la α-kloto actúa como antioxidante en el hígado y el cerebro modulando la apoptosis sensible a ROS.

   Los niveles plasmáticos elevados de sKl están asociados con una disminución de la probabilidad de enfermedad cardiovascular (ECV) en humanos. La sKl puede ser un factor de riesgo para ECV de acuerdo con estudios que demuestran que la disfunción endotelial  se correlaciona inversamente con la expresión de α-kloto. La disfunción endotelial juega un rol en el desarrollo de ateroesclerosis  y se caracteriza por una disminución de la biodisponibilidad de óxido nítrico (NO), alteración de la vasorelajación dependiente de endotelio e incrementos en la permeabilidad endotelial, el estrés oxidativo y la expresión de moléculas de adhesión, pro-inflamatorias y factores trombóticos. La sKl puede ejercer efectos vasoprotectores en el endotelio y reducir la disfunción endotelial regulando la disponibilidad de NO. La producción de NO es regulada al alza por la sKl a través de la ruta cAMP/PKA, la cual contribuye a la activación de la sintetasa de óxido nítrico endotelial (eNOS). La sKl también previene la disfunción endotelial  manteniendo la integridad endotelial y protegiendo contra la permeabilidad celular. En las células endoteliales, el calcio regula numerosas funciones incluyendo proliferación, migración y apoptosis. Varios estudios reportan que la sKl se une al receptor transitorio potencial canónico 1 (TRPC1), canal permeable al calcio, y al receptor del factor de crecimiento endotelial vascular-2 (VEGFR2) para causar su co-internalización, lo cual regula el nivel de expresión de TRPC1 en la membrana plasmática.  Esto permite a la sKl regular la entrada de calcio estimulada por VEGF y la hiperactividad de proteasas dependientes de calcio en las células endoteliales, lo cual mantiene la integridad endotelial. Adicionalmente, la sKl puede mantener la integridad endotelial regulando la expresión de mediadores inflamatorios como moléculas de adhesión y NF-κB en las células endoteliales.

   Los genes supresores de tumor  regulan la proliferación celular e inhiben el desarrollo de tumor. Kloto puede ser supresor de tumor en múltiples procesos malignos incluyendo los cánceres de mama, cuello uterino, páncreas, estómago, colon, hígado, riñón, ovario y melanoma. En todos estos cánceres, la expresión de kloto es reducida en el tejido tumoral en comparación con el tejido normal. Las modificaciones epigenéticas como metilación de ADN y modificaciones de histona, a menudo juegan un rol importante en la regulación de la expresión de genes supresores de tumor. La metilación del promotor y la desacetilación de histonas son mecanismos epigenéticos silenciadores de la expresión de kloto en múltiples tipos de cánceres. Por otra parte, los microARN juegan un rol en la progresión del cáncer regulando la expresión de kloto. La reducción de la expresión de kloto en el tejido maligno sugiere que la α-kloto tiene efectos anti-cáncer. Los estudios en células cancerosas revelan que la sKl actúa como supresora de tumor inhibiendo múltiples rutas  de señalización incluyendo insulina/IGF-1, FGF, Wnt y factor de crecimiento transformante β1 (TGF-β1).

   La ruta de señalización insulina /IGF-1 juega un rol importante en la proliferación celular, la apoptosis y el cáncer. La insulina y el IGF-1 se unen a sus receptores y activan proteínas IRS, las cuales a su vez activan las rutas de señalización PI3K/Akt  o MAPK/ERK1/2 que juegan un rol en el desarrollo normal y el mantenimiento de los tejidos. La desrregulación de estas rutas puede provocar el desarrollo y progresión de un tumor. La α-kloto actúa como supresora de tumor inhibiendo la señal insulina/IGF-1 en cáncer de mama, pulmón, páncreas, estómago, hígado, colon y ovario. La sobre expresión de α-kloto  o el tratamiento con sKl inhiben los efectores IRS-1, Akt1 y ERK1/2 en células cancerosas. La actividad supresora de tumor de la α-kloto ha sido atribuida al dominio KL1. Los defectos en la regulación  de la ruta de señalización Wnt también causan cáncer. La señal Wnt se inicia cuando los ligando Wnt secretados activan receptores transmembrana  que promueven la translocación de β-catenina al núcleo donde induce la actividad de factores de transcripción como TGF y LEF. La activación de la transcripción de genes por la β-catenina provoca la síntesis de genes c-myc y ciclina D1 que causan crecimiento de células tumorales e invasividad tumoral. La sKl es un antagonista  de Wnt que se une a múltiples ligandos Wnt e inhibe la activación de la señal Wnt. La inhibición de la ruta de señalización Wnt por la sKl  reduce la proliferación, invasividad y viabilidad  de las células cancerosas.  La proteína α-kloto también actúa como supresora de tumor modulando la ruta de señalización FGF. La sobre expresión de α-kloto aumenta la fosforilación de ERK1/2 mediada por FGF básico y la activación de la ruta FGF en las células  cancerosas.

   El mecanismo de acción de la hormona sKl  es pobremente entendido en parte debido a que aún no se ha identificado su receptor de membrana. Estudios recientes han identificado los monosialogangliósidos  GM1 y GM3 presentes en las balsas lipídicas como receptores para sKl. La sKl altera la organización de lípidos en las balsas lipídicas. La sKl también regula a la baja la ruta de señalización PI3K/Akt disparada por factores de crecimiento  y la función del canal TRPC6 en las balsas lipídicas. La idea que la sKl se une específicamente a las balsas lipídicas ha sido apoyada por estudios que demuestran que la sKl interactúa selectivamente con el GM1 asociado a las balsas lípidicas.  Por otra parte, la unión  de FGF23 al FGFR y el co-receptor mKl inhibe la síntesis  de 1,25 (OH)₂-vitamina D (calcitriol). Adicionalmente, la sKl juega un rol importante en la homeostasis del calcio regulando al canal de calcio receptor transitorio potencial vanilloid tipo 5 (TRPV5) localizado en la superficie apical del túbulo contorneado distal que es responsable  de la reabsorción de calcio en el nefrón distal. La sKl incrementa directamente la reabsorción de calcio aumentando la abundancia de TRPV5 en la superficie  celular a través de una modificación de las cadenas N-glucán del TRPV5. En este caso, la sKl actúa como una sialidasa y remueve específicamente α2,6-ácidos siálicos terminales de las cadenas N-glucán del TRPV5. La remoción de los α2,6-ácidos siálicos terminales de las cadenas N-glucán expone residuos LacNac los cuales se unen a galectina-1 presente en la superficie celular. La unión de galectina-1 a TRPV5 previene la endocitosis  y provoca la acumulación del canal en la membrana celular. En general, la afinidad por la unión de galectina-1 es aumentada por la estructura polimérica de LacNac en las cadenas N-glucán. El canal TRPV5 funcional tiene una estoiquiometría tetramérica que incrementa el número de N-glucán,  LacNac poliméricas y la afinidad de TRPV5 por galectina-1. La sKl también regula otros canales y transportadores iónicos en el riñón modificando sus cadenas N-glucán. Por ejemplo, la sKl incrementa la abundancia en la membrana celular del canal de potasio de la médula externa renal 1 (ROMK1) a través de la remoción  de α2,6-ácido siálico de las cadenas N-glucán del canal.

   La hipertrofia cardiaca en pacientes con enfermedad renal crónica (ERC) está asociada con un incremento en el riesgo de mortalidad. Los niveles de sKl disminuyen durante la ERC, lo cual sugiere que es un biomarcador  para diagnóstico de ERC. Los estudios han demostrado que la deficiencia de sKl puede ser un importante factor de riesgo para la hipertrofia cardiaca asociada a ERC independientemente de los efectos de la hiperfosfatemia y el FGF23. Una ruta reguladora en el desarrollo de la hipertrofia cardiaca involucra la activación mediada por calcio de la calcineurina, la cual desfosforila al factor nuclear  de células T activadas (NFAT) y causa su translocación al núcleo donde activa genes involucrados en el crecimiento cardiaco hipertrófico. La entrada de calcio a través de canales TRPC está involucrada en la señal calcineurina y la hipertrofia cardiaca. El TRPC6 contiene elementos de respuesta NFAT en su promotor, lo cual ayuda a amplificar la expresión de los genes involucrados en la hipertrofia cardiaca.  La sKl regula a la baja al TRPC6 en el corazón.

   En conclusión, la sKl está presente en sangre, orina y líquido cerebroespinal donde lleva a cabo múltiples funciones incluyendo la regulación de canales y transportadores iónicos, y la señal de factores de crecimiento. En el cuerpo, los riñones son una fuente importante de sKl y sus niveles disminuyen en la ERC. La deficiencia de sKl hace al corazón susceptible al crecimiento hipertrófico.

Fuente: Dalton GD et al. (2017) New insights into the mechanism of  action of soluble klotho. Frontiers in Endocrinology  8: 323.