Nuevas acciones de la esclerostina en el hueso

La proteína esclerostina (Scl), producto del gen SOST, es un regulador crítico de la formación de hueso y actúa como un antagonista de la ruta de señalización  WNT canónica en células del linaje osteoblastos y, por tanto, regula negativamente la formación de hueso. La inhibición de la Scl ha sido propuesta como blanco terapéutico en enfermedades óseas. Las mutaciones que afectan al gen SOST (cromosoma 17q12-q21) causan pérdida de Scl. A diferencia de muchas condiciones con alta masa ósea, las cuales reflejan un defecto en la resorción ósea, las mutaciones en el gen SOST están asociadas con incrementos en la formación de hueso (hiperostosis).

   En el adulto, la expresión de Scl está restringida grandemente al esqueleto donde es producida por los osteocitos maduros, pero no por los osteoblastos. Las acciones de la Scl en el esqueleto reflejan la actividad local de la proteína que sigue a su liberación por los osteocitos. La Scl es expresada en bajos niveles en otras células asociadas con la matriz mineralizada, incluyendo cementocitos, condrocitos hipertróficos y articulares y fibroblastos sinoviales. En ratones, el mARN de SOST es expresado en células de músculo liso vascular de grandes arterias durante el desarrollo embrionario y neonatal mientras la proteína Scl está presente en la aorta humana. La expresión de Scl es regulada al alza en los sitios de calcificación vascular por lo que ha sido propuesta como un potencial regulador de la mineralización. En los osteocitos, la expresión de Scl está inversamente relacionada con la carga mecánica, en línea con el rol de los osteocitos como mecanosensores esqueléticos. La proteína Scl está presente en la circulación sanguínea y sus niveles aumentan con la edad. La inmovilización del hueso está asociada con disminución de la densidad mineral ósea  y aumento de los niveles plasmáticos de Scl en modelos animales y humanos.

   La Scl (190 aminoácidos) es un nuevo miembro de la familia Dan/Cerberus de antagonistas de proteínas morfogénicas de hueso (BMP). En común con otros miembros de la familia, la Scl es una glucoproteína secretada que contiene un dominio cisteína; pero, a diferencia de los antagonistas de BMP típicos, carece de residuo cisteína libre. La Scl contiene dos potenciales sitios de glucosilación  y muchos residuos lisina y arginina cargados positivamente. Los estudios estructurales revelan que la Scl existe en solución como un monómero altamente flexible con regiones ordenadas y desordenadas. Las principales características de la estructura de la Scl incluyen brazos N-terminal y C-terminal, los cuales son altamente flexibles y tres asas que emanan de la cisteína central. Las asas 1 y 3 son rígidas y  están unidas por un enlace disulfuro en su punta mientras el asa 2 es altamente flexible, no estructurada y es reconocida como una región funcionalmente crítica para la unión con la proteína relacionada con el receptor de lipoproteína de baja densidad 5/6 (LRP5/6). Otra notable característica de la estructura de Scl incluye una región hidrofóbica que es un potencial sitio de interacción localizado en la cara cóncava formada por las asas 1 y 3, mientras el estiramiento lineal de los residuos cargados positivamente a un lado de la proteína  es el sitio de unión con la heparina.

   La ruta de señalización de las proteínas del sitio de integración relacionado con wingless (WNT) tiene un rol clave en regulación del desarrollo y homeostasis de tejidos adultos. En humanos hay 19 ligandos WNT, cada uno de ellos codificado por un gen separado, 10 receptores frizzled de superficie celular (FZD) y varios co-receptores WNT, los cuales dirigen la señalización hacia una de tres rutas intracelulares distintas en respuesta al estímulo WNT. De estas tres rutas de señalización, la ruta canónica WNT-β-catenina es la más estudiada y la única sobre la cual actúa la Scl. La ruta de señalización canónica WNT ocurre de manera autocrina o paracrina y es disparada por la unión del ligando al co-receptor WNT, LRP5/6 y al receptor FZD en la superficie celular para formar un complejo ternario, provocando la translocación del “complejo destrucción” a la membrana celular, la fosforilación de la región citoplasmática  de LRP5/6 y el reclutamiento de AXIN, la cual altera la actividad del complejo destrucción. La β-catenina no fosforilada se acumula en el citoplasma para  su translocación  al núcleo donde se asocia con los factores de transcripción  factor célula T/factor aumentador linfoide (TCF/LEF) unidos al ADN para iniciar la transcripción de los genes blanco de WNT. En común con otras rutas morfogénicas, la ruta canónica WNT requiere de un control y una manera de controlarla  es a través de la existencia de múltiples antagonistas secretados. Estos pueden ser subdivididos en dos clases: aquellos que se unen a los ligandos WNT y los que se unen  a los  co-receptores WNT. La Scl pertenece a la última categoría. En el caso de la inhibición por Scl, la proteína se une a los receptores LRP4 y LRP5/6 previniendo la interacción entre ligandos WNT y LRP5/6. Esto evita la formación del complejo ternario LRP5/6-WNT-FZD y por tanto inhibe la ruta canónica de señalización WNT. La β-catenina citoplasmática es fosforilada por las enzimas caseína quinasa 1 (CK1) y la glucógeno sintetasa quinasa 3 beta (GSK3β),  preparada para su ubiquitinización por el complejo destrucción y  degradada en el proteosoma. En estas condiciones, los factores de transcripción TCF/LEF en el núcleo son asociados con el represor transcripcional Groucho y se mantienen en un estado inactivo.

   La ruta de señalización canónica WNT promueve la formación de hueso a través de sus efectos sobre las stem cells mesenquimales (MSC) y la activación de la ruta promueve la diferenciación de las células de linaje osteoblástico mientras inhibe la diferenciación de células de linaje adipogénico y condrogénico. Además de favorecer la formación de hueso, la ruta de señalización canónica WNT disminuye la resorción ósea incrementando la expresión del gen blanco de WNT que codifica a la  osteoprotegerina (OPG),  la cual actúa como receptor señuelo del ligando del receptor activador del factor nuclear κB (RANKL) para inhibir la osteoclastogénesis.

   La Scl se une a la primera beta hélice (E1) del LRP5/6 para inhibir la ruta de señalización WNT canónica. El dominio extracelular del LRP5/6 contiene cuatro hélices beta y los ligando WNT pueden ser clasificados según la interacción con estas hélices. Los ligandos de la clase WNT1 se unen a E1 mientras los ligandos de la clase WNT3a se unen a la hélice 3 (E3). Consistente con esto, la Scl inhibe preferencialmente la señalización canónica clase WNT1. Por el contrario, la familia Dickkopf (DKK) de antagonistas WNT puede unirse a E1 o E3  e inhibir la señalización clase WNT1 y WNT3a. La unión de alta afinidad de la Scl al LRP5/6 depende del dominio NxI que se encuentra en el asa 2 de la Scl, en la cual un residuo asparagina y un residuo isoleucina son separados por cualquier aminoácido. La interacción del asa 2 con la primera hélice beta del RLP5/6 es esencial para la inhibición de la señal WNT. Sin embargo, varias observaciones implican la existencia de contactos adicionales entre Scl y LRP5/6. En primer lugar, la Scl se une aproximadamente 10 veces más fuertemente a una proteína que contiene la primera y segunda beta hélice (E1E2) de LRP6 que a la LRP6 E1sola. En segundo lugar, los péptidos cíclicos derivados del asa 2 de la Scl se unen a LRP6 E1 o E1E2 con similar afinidad. Esta interacción es aproximadamente dos órdenes de magnitud más débil que la unión de la Scl de longitud completa a la misma proteína LRP6. Estos datos sugieren que regiones no identificadas  fuera del asa 2 pueden participar en interacciones adicionales con E2 del LRP5/6 y contribuir a la afinidad de la unión.

   A pesar de tener estructura similar con el RLP5/6, el RLP4 no es reconocido como co-receptor de WNT; en cambio, actúa como co-receptor de la Scl y su sobre expresión aumenta la eficacia de la Scl mientras su ausencia reduce la función de la Scl. El LRP4 actúa como ancla para retener Scl en el esqueleto. Originalmente, la Scl fue propuesta como modulador de la ruta de señalización BMP. Ciertamente,  las interacciones entre Scl y varios ligandos BMP resultan en disminución de la señalización del receptor BMP, pero este efecto no parece representar la principal acción de la Scl en el esqueleto. Por otra parte, los estudios estructurales de la Scl revelan la presencia de un área de unión a heparina formada a partir de una región lineal de aminoácidos cargados positivamente en las asas 2 y 3 que cubre un lado de la proteína y promueve una asociación funcional entre Scl y heparina. Recientemente, esta área ha sido identificada en estudios in vitro como una región de unión común  para varios glucosaminoglucanos (GAG) sulfatados, los cuales interfieren con la interacción entre Scl y LRP5/6 y restauran la señal Wnt. Los GAG son polisacáridos no ramificados que están presentes como proteoglucanos heparán sulfato en la matriz extracelular del hueso. Por lo tanto, la unión de Scl a  GAG de la matriz ósea puede contribuir a la regulación local de la función de la Scl.

   La Scl modula directamente la población osteoprogenitora y regula la función de los osteoblastos. In vitro, la Scl inhibe la proliferación celular, disminuye la actividad de la fosfatasa alcalina y la mineralización e incrementa la apoptosis en cultivos de MSC de ratón u osteoblastos humanos. La inhibición mediada por Scl de la mineralización en células humanas está asociada con la regulación al alza del inhibidor de la mineralización fosfoglucoproteína de matriz extracelular (MEPE) y una disminución concomitante en la expresión de la enzima pro-mineralización endopeptidasa neutra reguladora de fosfato, unida a X  (PHEX). La neutralización de Scl aumenta la proliferación y el reclutamiento de células osteoprogenitoras a la superficie activa e incrementa la formación de hueso. La transición de osteoblasto tardío a osteocito temprano es inhibida in vitro por la Scl, lo cual sugiere un rol de la Scl como regulador de la maduración de los osteocitos. La Scl es también un regulador de la apoptosis de osteocitos. In vivo, la pérdida del gen SOST provoca un aumento de la ruta de señalización WNT canónica y disminución de la apoptosis en los osteocitos.

   La capacidad de los osteocitos para resorber mineral es llamada “osteolisis osteócitica”. Aunque es un tópico controversial, los estudios en animales lactantes sugieren que los osteocitos pueden ser capaces de remover la matriz perilacunar y favorecer la movilización de calcio. La Scl regula al alza la expresión de varias proteínas involucradas en este proceso (anhidrasa carbónica 2 (Ca2), catepsina K (Ctsk) y fosfatasa ácida resistente a tartrato 5b (Acp5)) de una manera dependiente de LRP4/5/6. Por lo tanto, la Scl  puede contribuir a la regulación del mineral perilacunar por los osteocitos.

   En resumen, la acción de la Scl como inhibidor de la formación de hueso es activada a través de células del linaje osteoblasto: control de la proliferación y reclutamiento de células osteoprogenitoras, inhibición de la diferenciación osteogénica, regulación negativa de la actividad de los osteoblastos, supresión de la diferenciación de osteoblastos tardíos en osteocitos y regulación de la longevidad, forma y conectividad de los osteocitos.

   La Scl no parece regular directamente la diferenciación o actividad de los osteoclastos, los estudios en animales deficientes en Scl proporcionan evidencia que la Scl tiene efectos indirectos importantes sobre el linaje osteoclasto. La unión de RANKL al receptor activador del factor nuclear κB (RANK) en los precursores de osteoclastos promueve la osteoclastogénesis. La actividad de RANKL es regulada negativamente por el receptor señuelo, OPG, por tanto la relación RANKL:OPG es un determinante clave de la osteoclastogénesis. La inhibición de la señal WNT canónica por la Scl en los osteocitos promueve la resorción ósea. La Scl aumenta la expresión de RANKL y, por lo tanto, incrementa la osteoclastogénesis y la resorción ósea de una manera dependiente de RANKL. Además de su efecto sobre la relación RANKL:OPG, hay evidencia que la Scl puede afectar la expresión de otros reguladores positivos y negativos de la osteoclastogénesis. La neutralización de Scl disminuye la expresión de factor estimulante de colonias 1 (Csf1) e incrementa la expresión de la proteína secretada 1inducida por WNT (Wisp1) en células de linaje osteoblasto, lo cual sugiere dos potenciales ejes indirectos a través de los cuales la Scl puede regular la osteoclastogénesis.

   La diferenciación de MSC en condrocitos es inhibida cuando la señal WNT canónica es activada. El efecto de la Scl sobre los condrocitos ha sido relativamente poco estudiado. Sin embargo, es conocido que la proteína es expresada por condrocitos hipertróficos en la placa de crecimiento y por condrocitos articulares. In vitro, la Scl inhibe la apoptosis en los condrocitos porque disminuye la expresión de proteasas catabólicas e incrementa la expresión de genes anabólicos. Un estudio reciente reporta el efecto beneficioso que la Scl exógena puede tener sobre el progreso de la osteoartritis (OA) post-traumática.

   La Scl participa en la interacción entre el esqueleto y el tejido adiposo, actuando como un factor endocrino para aumentar la adipogénesis en el tejido adiposo blanco y promover la diferenciación de las MSC hacia el linaje adipogénico en la médula ósea. El concepto que la Scl y el metabolismo energético podrían estar relacionados refleja varias observaciones incluyendo asociaciones positivas entre Scl y parámetros metabólicos como masa grasa y diabetes tipo 2.  Trabajos recientes en roedores han identificado un potencial rol de la Scl en la regulación del tejido adiposo. Los ratones alimentados con una dieta rica en grasas incrementan el peso corporal y la masa grasa, desarrollan enfermedad metabólica y aumentan los niveles plasmáticos de Scl. In vitro, la inhibición de la señal WNT por la Scl en MSC o preadipocitos promueve la adipogénesis y la neutralización de Scl previene la acumulación de tejido adiposo blanco. El tejido adiposo de la médula ósea (BMAT) comienza a formarse temprano en la vida en la cavidad medular del hueso. La extensión del BMAT aumenta con la edad y su formación progresa de las extremidades del esqueleto apendicular hacia el centro del cuerpo. El BMAT proviene de precursores mesenquimales en la médula ósea y es un depósito adiposo activo, funcionalmente distinto del tejido adiposo blanco y el tejido adiposo marrón, altamente relacionado con el estatus metabólico y la masa ósea.  El BMAT está elevado en condiciones asociadas con baja masa ósea, incluyendo osteoporosis, envejecimiento y enfermedad renal crónica. En ratones, la ausencia de Scl está asociada con disminución de BMAT. En humanos la severidad de la enfermedad renal crónica está asociada con aumentos en el BMAT y los niveles plasmáticos de Scl, lo cual sugiere que la Scl contribuye al incremento en BMAT en los pacientes con enfermedad renal crónica.

   Los resultados de los estudios de manipulación genética en ratones confirman que la Scl es un regulador negativo de la masa ósea y la fuerza ósea a través de la inhibición de la formación de hueso.  Estos datos apoyan la hipótesis que la inhibición farmacológica de Scl puede proporcionar beneficios a los pacientes con condiciones de baja masa ósea y mayor riesgo de fracturas por osteoporosis, a través de la inducción de un incremento en la formación de hueso y una sostenida reducción de la resorción ósea.

   En conclusión, el descubrimiento que la Scl actúa como un inhibidor de la ruta de señalización WNT canónica indica que esta proteína juega  un rol crítico en el control de la formación de hueso y puede jugar un rol indirecto en la estimulación de la resorción ósea. El rol emergente de la Scl como regulador de los depósitos adiposos indica la existencia de ejes biológicos adicionales para la Scl. Los recientes hallazgos en modelos animales sugieren dos roles adicionales para la Scl: como un regulador local de MSC en la médula ósea, lo cual   promueve la producción de BMAT; y como una molécula endocrina secretada por los osteocitos que relaciona al hueso con el tejido adiposo anatómicamente distante.  

Fuente: Holdsworth G et al (2019). Novel actions of sclerostin on bone. Journal of Molecular Endocrinology 62: R167-R185.