FGF2 y crecimiento óseo

El factor de crecimiento de fibroblasto (FGF) básico, posteriormente conocido como FGF2, fue uno de los dos factores de crecimiento prototipos descubiertos a través de experimentos hace aproximadamente 50 años. (1) Cultivos de fibroblastos en un medio condicionado resultaron en la estimulación del crecimiento. (2) Factores de crecimiento que estimulan la angiogénesis del tumor fueron analizados en extractos de tumor. (3) La purificación y el fraccionamiento de homogenizados de proteínas de la hipófisis estimuló el crecimiento de las células cultivadas. Los factores estimulantes del crecimiento aislados a través de cromatografía de afinidad y fraccionamiento forman una familia de factores de crecimiento unidos a heparina que  incluye FGF. Los FGF ácido y básico se disocian de la heparina dependiendo del pH y sus respectivos puntos isoeléctricos. Sus nombres originales fueron cambiados posteriormente a FGF1 para el FGF ácido y a FGF2 para el FGF básico. La familia FGF se expandió con el aislamiento de otra proteína unida a heparina, el FGF5. El rápido desarrollo de la tecnología de ácidos nucleicos recombinantes resultó en una  familia FGF de 23 miembros que luego se redujo a 22 FGF cuando los FGF15 y FGF 19 fueron considerados ortólogos. El comité de nomenclatura de los genes humanos con el uso de análisis bioinformáticos  caracterizó otros seis FGF (FGF 4, 5, 6, 7, 8, 9) como estructuralmente y funcionalmente relacionados con los prototipos FGF1 y FGF2.

   Las pruebas de inmunohistoquímica y antisuero han sido usadas para  desarrollar los perfiles de expresión  del FGF2 en tejidos y varias líneas celulares. La expresión, la función del gen y la actividad in vitro del FGF2 han sido demostradas en cerebro, nervios periféricos, músculo esquelético, músculo liso, corazón, células hematopoyéticas, condrocitos y osteoblastos.  El FGF2 es un regulador mayor del  crecimiento y la diferenciación en el desarrollo tisular y en varias enfermedades, principalmente cáncer y enfermedad cardiovascular. Por otra parte, hasta el presente se han identificado cuatro isoformas del FGF2 en humanos (tres en ratones). Las isoformas de alto peso molecular (HMW) del FGF2 (24, 23 y 22 kD) se localizan en el núcleo, mientras la isoforma de bajo peso molecular (LMW), 18 kD, se localiza en el citoplasma y la membrana asociada como ligando predominante del receptor de factor de crecimiento (FGFR) para la señal de transducción del FGF2. La expresión de FGF2 ha sido detectada en hueso y cartílago con roles en el crecimiento y la mineralización ósea.

   A partir del descubrimiento del FGF2, varios estudios relacionan a la familia de receptores tirosina quinasa con los receptores de FGF, logrando definir cuatro miembros de la familia FGFRTK. Los FGFRKT son parte de la familia inmunoglobulina con tres dominios inmunoglobulina extracelulares, un dominio hidrofóbico transmembrana y el dominio tirosina quinasa citoplasmático/región enzimática. Hay otras proteínas ligadoras de FGF que carecen del dominio quinasa con potenciales funciones relacionadas con los FGF (incluyendo metabolismo óseo) como la FGFRL1. Sin embargo, la mayoría de los datos fisiológicos y genéticos sobre el significado funcional de los 22 FGF se relacionan con los cuatro FGFRKT.  Cuando el FGF2 se une a su RKT se genera la dimerización del receptor como homodímero o heterodímero entre los miembros de la familia FGFRKT. Los cuatro FGFR tienen diferentes afinidades por los FGF. Los estudio in vitro han demostrado que los FGFRKT 1, 3 y 4 tienen la mayor afinidad, pero el FGFRKT2 también muestra actividad biológica después de la unión del FGF2. 

   Los FGFRKT siguen tres rutas de señalización principales: una ruta inositol fosfato que activa a la proteína quinasa C para la regulación del calcio, una ruta STAT que regula el crecimiento óseo y la ruta GRB2-SOS-Ras-Raf-MapK que interactúa con Wnt para el control del crecimiento y la mineralización ósea mediados por osteoblastos. Estas rutas se relacionan entre sí a través de moléculas, como la HSP2, que integran el efecto neto del FGF2 sobre las células  blancos. El balance de señalización entre estas rutas varía dependiendo de la célula, la isoforma del FGFRKT y de si se forma un heterodímero o un homodímero.

   Múltiples estudios han establecido la importancia del FGF2 en  el desarrollo y mantenimiento óseo y la cicatrización de fracturas. La expresión de FGF2 ocurre en células del estroma y osteoblastos en el hueso, con almacenamiento en la matriz extracelular.  La diferencia funcional entre las isoformas HMWFGF2 nucleares y  LMWFGF2 secretado también  ha sido establecida, las isoformas HMW tienen efectos inhibidores sobre la mineralización ósea y la isoforma LMW promueve la formación de hueso. Los principales contribuyentes de estos efectos son la señal Wnt, la proteína morfogenética del hueso 2  (BMP2), el FGF23 y la homeostasis del fosfato a través del eje hueso-riñón. El LMWFGF2 funciona localmente en la matriz ósea uniéndose a FGFR1 y FGFR2, formando dímeros TRK, e iniciando la cascada Wnt a través de la PI3K en osteoblastos y stem cell mesenquimales. La activación Wnt también ocurre a través de la inhibición de la FRP1, antagonista de Wnt, lo cual permite la unión de Wnt al complejo receptor Frizzled y proteína relacionada con receptor  de lipoproteína de baja densidad 5  (LRP5). Otra proteína secretada involucrada en la señal Wnt es Dkk1, la cual puede secuestrar a LRP5 y LRP6 provocando la degradación de β-catenina e inhibiendo la señal Wnt. El complejo Frizzled/LRP5 activa a Disheveled, la cual a su vez inhibe al complejo Axin/APC/GSK3β a partir de la ubiquitinización de β-catenina. Este proceso  provoca la acumulación de β-catenina en el citoplasma y su traslado al núcleo donde estimula la activación del factor de transcripción  TCF/LEF1 que, a su vez, promueve la expresión de Runx2, osterix (Osx) y OCN n los osteoblastos. Runx2 funciona como factor de transcripción en las etapas tempranas del desarrollo y maduración de los osteoblastos. La expresión de osterix es promovida por un elemento que se une a Runx2 y funciona como un factor de transcripción dedo de zinc que promueve al colágeno IA e inhibe la unión de TCF al ADN y por tanto causa inhibición por retroalimentación de la señal Wnt. Estos elementos inician el proceso de proliferación y diferenciación de osteoblastos y la posterior mineralización ósea.

   Otro factor importante en la cascada LMWFGF2-Wnt es la BMP2. LMWFGF2 y BMP2 juegan roles sinérgicos en la activación y diferenciación de osteoblastos. El efecto de la LMWFGF2 sobre la expresión de BMP2 y viceversa, hace a la BMP2 una molécula vital para la señal Wnt. La BMP2 también puede activar la señal Wnt a través de la ruta Smad. La BMP2 se une a su receptor BMPR1/2, lo cual estimula su cascada de señalización mediante la fosforilación de las proteínas Smad 1/5/8. Estas proteínas pueden unirse a la Smad4, trasladarse al núcleo y activar un elemento de unión de  Smad. La unión a este elemento promueve la expresión de Dlx5, un promotor de Runx2, y media la expresión de Osx. La expresión de genes resultante causa la proliferación y diferenciación de los osteoblastos similar a como ocurre con la señal Wnt activada por LMWFGF2. Las proteínas Smad fosforiladas también son capaces de unirse al CpG del promotor de esclerostina (Sost), inhibiendo su expresión. La Sost es un proteína secretada localmente y un potente inhibidor de Wnt. La inhibición ocurre a través de la unión de Sost a LRP4/5/6 que previene la dimerización con el receptor Frizzled y la posterior activación de la cascada Wnt.

   La expresión de Sost es promovida por la HMWFGF2 nuclear. Las isoformas HMWFGF2 son expresadas a través  de un codón CUG no tradicional y contienen una secuencia de localización nuclear que les permite funcionar de manera intracrina y afectar la expresión de genes. Las HMWFGF2 ganan esta capacidad para funcionar intracelularmente uniéndose a los FGFR; específicamente el FGFR1 juega un extenso rol en este mecanismo. El complejo HMWFGF2 y FGFR1 usa un transporte mediado por importina-β para entrar al núcleo. La expresión de genes ocurre a través del activador transcripcional proteína ligadora de CREB; el complejo HMWFGF2-FGFR1 promueve la liberación la proteína ligadora de CREB a partir del complejo RSK. La expresión de genes resultante depende del tipo de célula. En el metabolismo óseo, la señal HMWFGF2 nuclear promueve la expresión de genes inhibidores de la mineralización. Otro potente inhibidor de la mineralización es la proteína GLA de la matriz a través del secuestro de BMP2. Fisiológicamente, esto podría funcionar como un mecanismo de retroalimentación durante el crecimiento óseo y la reparación de fracturas, pero también podría ser sobre expresado en enfermedades  óseas, como el raquitismo hipofosfatémico. Además de la Sost y la proteína GLA de la matriz, el más influyente factor promovido por HMWFGF2 es el FGF23 en los osteoblastos.

   El FGF23 juega un rol sustancial en la modulación del eje hueso-riñón que regula la homeostasis de fosfato. La expresión de FGF23 es promovida por la translocación y actividad transcripcional de la HMWFGF2 nuclear, resultando en la secreción de FGF23 en la circulación y su posterior acción  en el riñón, incrementando la eliminación de  fosfato y modulando la homeostasis de vitamina D. El FGF23 induce sus efectos sobre el riñón uniéndose a la proteína Kloto en la superficie de la célula para interactuar  con el FGFR. El FGFR funciona como tirosina quinasa y activa la ruta RAS-MAPK-ERK. La activación de esta ruta en el riñón resulta en la disminución de la expresión del cotransportador de fosfato dependiente de sodio tipo II en el túbulo proximal y la consiguiente pérdida de la reabsorción de fosfato. La expresión del cotransportador de fosfato dependiente de sodio tipo II es regulada positivamente por el ácido retinoico todo trans, el receptor de ácido retinoico y el 1,25(OH)₂ vitamina D; mientras el FGF23 inhibe esta actividad. El FGF23 modula proteínas Cyp en el riñón, específicamente disminuye la actividad de Cyp27b1 (activa vitamina D) y estimula la actividad de la Cyp24 (degrada vitamina D), resultando en la disminución de los niveles circulantes de vitamina D.  La HMWFGF2 incrementa la expresión de hormona paratiroidea (PTH), la cual a su vez promueve la expresión de FGF23, resultando en un asa de retroalimentación negativa sobre la expresión de PTH. Por lo tanto, la HMWFGF2 puede manipular la homeostasis de fosfato alterando la expresión de PTH y FGF23. La regulación del eje hueso-riñón por el FGF23 es controlada por una familia de glucoproteínas, específicamente Dmp1 y Phex. Estas proteínas interactúan a través de un “motif” asociado con MEPE rico en serina aspartato (ASARM). La Dmp1 activa a la Phex a través del motif ASARM y juntas regulan a la baja la expresión de  FGF23, lo cual genera una mejoría de la mineralización ósea. La Dmp1 también mejora la mineralización ósea a través de su capacidad para nuclear cristales de hidroxiapatita en la matriz ósea durante la formación de hueso. La HMWFGF2 se opone a la acción de Dmp1 y Phex a través de la regulación hacia arriba de FGF23 y Sost, que a su vez regulan al alza la actividad de la proteína Mepe-ASARM. La proteína Mepe-ASARM  se une competitivamente al motif ASARM de la Phex, inhibiendo su activación vía Dmp1y por consiguiente la regulación a la baja del FGF23.  

   El FGF2 y los FGFR han sido relacionados con varias condiciones patológicas y enfermedades óseas, particularmente osteoporosis u osteomalacia, raquitismo hipofosfatémico y fracturas óseas patológicas. El FGF2  es una parte importante del desarrollo óseo, pero también está relacionado con estados patológicos como el raquitismo en niños. La mayoría de los estudios que involucran al FGF2 en el desarrollo de raquitismo se han llevado a cabo en modelos de roedores con expresión diferencial de la isoforma HMWFGF2 que promueve la expresión de FGF23 y el control del eje hueso-riñón, provocando hipofosfatemia sistémica. El bajo nivel de fosfato resultante disminuye el potencial para la formación de cristales de hidroxiapatita, lo cual resulta en  una pobre mineralización.

   En conclusión,  la LMWFGF2 promueve la mineralización ósea actuando localmente para incrementar la proliferación y diferenciación de osteoblastos, principalmente a través de las rutas de señalización Wnt y BMP2/Smad. La LMWFGF2 inicia estas cascadas de señalización después de ser secretado localmente en la matriz extracelular del hueso y unirse al FGFR1 en la superficie celular. La acción de la LMWFGF2 es opuesta a la de las isoformas HMWFGF2 que funcionan en el núcleo como activadores transcripcionales al interactuar con el FGFR1.  Los efectos principales de HMWFGF2 son a través de la expresión de genes de inhibidores de la mineralización ósea: FGF23 y Sost. La Sost inhibe localmente la señal Wnt, mientras el FGF23 funciona sistémicamente afectando el metabolismo de vitamina D y la homeostasis de fosfato, lo cual resulta en inhibición de la mineralización ósea.

Fuente: Coffin JD et al (2018). Fibroblast growth factor 2 and its receptors in bone biology and disease. Journal of the Endocrine Society 2: 657-671.