Biología de la osteocalcina

Los osteoblastos son células mesenquimales responsables principales  de la síntesis  y deposición  de la mineralizada matriz rica en colágeno del tejido óseo. La osteocalcina  (OC), una de las proteínas más abundante  en el hueso, es producida primariamente por los osteoblastos y en cantidades más pequeñas por los odontoblastos y los cartílagos hipertróficos.  La OC ha sido usada rutinariamente como marcador de la formación de hueso y actúa en la matriz  ósea regulando  la mineralización, pero nueva evidencia genética y farmacológica indica un rol hormonal para la proteína.  Estas nuevas acciones  de la OC relacionan las demandas de energía del hueso  con la homeostasis global. La OC, también referida como proteína γ-ácido carboxiglutámico (Gla) del hueso o BGP, es una proteína de 49 aminoácidos.  La proteína fue aislada por primera vez de hueso de humanos y bovinos y representa la mayor  fracción  de proteínas que contienen Gla  en el hueso. Una segunda proteína Gla aislada posteriormente  es llamada proteína Gla de la matriz (MGP). Las dos proteínas pertenecen a un subgrupo de la familia de proteínas dependientes de vitamina K.

En los humanos el gen osteocalcina  se localiza en el cromosoma 1q25-q31 y codifica a una preproproteína de 98 aminoácidos y 11kD.  El péptido maduro es generado por eventos de rompimiento secuencial  que remueven el fragmento señal de la preproproteína seguido por la translocación al retículo endoplásmico donde se forma un enlace disulfuro entre residuos cisteína  en las posiciones 23 y 29, seguidamente ocurre  la γ-carboxilación  de tres residuos de ácido glutámico en las posiciones 17, 21 y 24.  Los tres eventos de carboxilación ocurren durante la unión del péptido inmaduro  a la γ-glutamil carboxilasa. Esta enzima utiliza CO₂, O₂ y vitamina K como cofactores. En cada ciclo de γ-carboxilación, la vitamina K es convertida en un epóxido, el cual es reducido por la vitamina K epóxido reductasa para permitir otro ciclo de carboxilación. La OC carboxilada es empaquetada en vesículas intracelulares  para su secreción  en la matriz ósea. Todas las proteínas Gla dependientes de vitamina K tienen  capacidad de unirse al calcio y reconocen   los mismo sitios de unión en  la  γ-carboxilasa.  Las proteínas Gla hepáticas funcionan unidas a fosfolípidos relacionados con calcio en la coagulación sanguínea,  mientras la OC se une a iones calcio  en los cristales de hidroxiapatita de la matriz ósea. La OC madura es  secretada  en el microambiente  óseo donde tiene lugar un cambio conformacional  que alinea los residuos Gla con los iones Ca²⁺ de la hidroxiapatita. Esta propiedad fue propuesta inicialmente  como un mecanismo de la OC para iniciar la formación de los cristales de hidroxiapatita. Sin embargo, trabajos posteriores  demostraron que la OC funciona como inhibidora de la mineralización ósea.  En apoyo  de esta idea, un estudio demostró que la OC inhibe la precipitación de sales de calcio   en soluciones saturadas y el tratamiento crónico  de roedores con warfarina, un inhibidor de  la γ-carboxilación dependiente de vitamina K, resulta  en sobre mineralización de la matriz  y cierre prematuro de la placa de crecimiento en los huesos. El efecto inhibidor de la OC es considerablemente menor  que el de la MGP pues la remoción del gen MGP  resulta en la calcificación  de la aorta  y la progresiva mineralización  de la placa de crecimiento. Otros estudios sugieren  que la OC ejerce una función mecánica en la matriz ósea. Como resultado de su capacidad  para unirse firmemente a la hidroxiapatita y formar complejos con el colágeno a través de la proteína osteopontina, la OC podría servir como  puente entre la matriz y las fracciones minerales  del tejido óseo. Tal arreglo es compatible  con la formación  de las bandas de dilatación  que se observan en las fracturas óseas. En esta situación, la OC y la osteopontina  podrían  prevenir  el crecimiento de grietas por estiramiento y disipación de energía.

Los trabajos de varios grupos de investigadores han demostrado un rol  de la OC en la regulación del metabolismo de la glucosa. La OC producida por los osteoclastos  puede entrar en la circulación  y funcionar como una hormona. La proteína osteoarticular tirosina fosfatasa (OST-PTP), un poderoso regulador del metabolismo de la glucosa en ratones, regula la carboxilación  y biodisponibilidad  de la forma hormonal  de la OC. La OC descarboxilada (uOC), a diferencia de la OC carboxilada, incrementa la expresión de adiponectina en el tejido adiposo y de insulina  y ciclina D1 en las células β del páncreas. La bioactivación  de la OC recuerda a la activación de la protrombina, la cual  también es activada cuando son removidos sus residuos carboxilados. Sin embargo, otros grupos de investigadores sugieren que tanto la OC carboxilada como la OC descarboxilada pueden estimular una respuesta en adipocitos y mioblastos. El mecanismo preciso por el cual la OC mejora el metabolismo de la glucosa  es aún desconocido pero puede estar relacionado con la capacidad de la proteína para estimular la liberación de péptido glucagonoide-1 (GLP-1), una incretina  liberada por las células endocrinas del intestino  que estimula la secreción de insulina. Otras acciones beneficiosas de la OC tienen que ver con su capacidad para revertir la disfunción autofágica y el estrés del retículo endoplásmico  en la obesidad inducida por dieta.

La señal del receptor de insulina (IR) en los osteoblastos  es requerida para la producción de OC. Consistente con esta idea, la administración de OC a ratones con mutación  de IR mejora el metabolismo de la glucosa, lo que sugiere que  la insulina y la OC forman un asa endocrina hueso-páncreas. Un trabajo reciente ha confirmado la existencia de esta asa de retroalimentación, pero  sugiere un mecanismo diferente para la bioactivación de la OC. El análisis estructural del dominio catalítico  de la OST-PTP revela que exhibe homología con otras fosfatasas como la PTP1B que actúa  desfosforilando al IR. El IR es un blanco  de la OST-PTP  y la pérdida de función de esta fosfatasa  aumenta la señal de la insulina, lo cual a su vez incrementa la activación de los osteoclastos y por consiguiente la resorción ósea. El bajo pH en el sitio de resorción favorece la descarboxilación de la OC embebida en la matriz ósea y facilita su liberación en la circulación.  En apoyo a esta idea, se ha demostrado que los humanos que carecen de osteoclastos funcionales tienen niveles bajos  de uOC  y exhiben tolerancia a la glucosa alterada.  Estos hallazgos sugieren que  la insulina regula  la producción de OC y promueve  su biodisponibilidad favoreciendo la descarboxilación.

El mecanismo transcripcional  a través del cual la insulina estimula la producción de OC también ha sido investigado. Los FoxO son los principales  mediadores transcripcionales  de la acción de la insulina y su fosforilación y posterior exportación nuclear  es una respuesta primaria  en muchas células blanco de la insulina, incluyendo  adipocitos y hepatocitos. En el gen osteocalcina se han identificado tres sitios de unión de FoxO y el FoxO1 es un potente supresor de la expresión de OC. La supresión de la expresión de OC por el FoxO1  también puede ser mediada por su interacción  con el factor de transcripción Atf4, el cual suprime la bioactivación de OC a través de la inhibición de la actividad Runx2.  Por otra parte, la señal TOR  proporciona un   control adicional  sobre la producción de OC. Los ratones con señal TOR restringida  tienen niveles elevados de uOC. La dramática sobre producción  de uOC en estos ratones parece ser secundaria  a la inhibición de la actividad de FoxO1. Debido a que la OC es producida por osteoblastos diferenciados, la producción de OC también es influenciada por la interferencia con la maduración de los osteoblastos. Por ejemplo, el factor de transcripción Fra-2 juega un importante papel en la coordinación del desarrollo  de los osteoblastos y también regula la producción de OC. La sobre expresión de Fra-2 en los osteoblastos resulta  en niveles aumentados de OC, reducción del peso corporal y de la glucosa plasmática con mejoramiento de la tolerancia a la glucosa y la sensibilidad a la insulina. Asimismo, la γ-glutamil carboxilasa  dependiente de vitamina K (GGCX) también juega un rol en la regulación de la biodisponibilidad de OC porque  cataliza la conversión de ácido glutámico en ácido γ-carboxiglutámico. La remoción del gen de la GGCX en osteoblastos  incrementa los niveles de uOC, mejora la tolerancia a la glucosa  y reduce la masa grasa.

La uOC tiene dos funciones hormonales adicionales. En primer lugar, la uOC actúa regulando la fertilidad y  la producción  de testosterona por los testículos, pero no afecta los niveles de estrógenos y progesterona producidos por los ovarios. En segundo lugar, los estudios iniciales indica que la OC es producida en el cerebro  y puede funcionar como neuropéptido. Sin embargo, un estudio posterior demostró que la uOC circulante cruza la barrera hematoencefálica  y actúa en tallo cerebral, cerebro medio e hipocampo para influir en la síntesis de varios neurotransmisores involucrados en el aprendizaje y la formación de la memoria. Según este estudio, la uOC promueve la expresión de genes involucrados  en la síntesis de neurotransmisores monoaminérgicos  e inhibe  aquellos que son necesarios para la síntesis de GABA. Por otra parte, la producción materna de OC parece ser necesaria para el desarrollo normal del cerebro fetal. La OC puede ser encontrada  en la sangre fetal  antes de su expresión  durante el desarrollo de los huesos y las crías de madres que carecen de OC tienen un nivel aumentado de apoptosis neural en el hipocampo.

El Gprc6a es un receptor acoplado a proteína G, sin función previa conocida,  expresado  por una variedad  de tipos de células, incluyendo aquellos que responde a la uOC circulante. Este receptor es activado, además de la uOC, por cationes como calcio y zinc, y aminoácidos  como arginina y lisina. Las células  β del páncreas también expresan Gprc6a y la unión de la uOC  a este receptor  activa la ruta de señalización de la MAPK. La inactivación genética  del receptor en las células β resulta en hiperglucemia, hipoinsulinemia e intolerancia a la glucosa. Sobre la base de estos resultados  se propone que el Gprc6a también es el mediador de  las funciones de la OC en otros tejidos incluyendo  músculo y tejido adiposo.

En conclusión, en respuesta a la insulina, la OC es producida por los osteoblastos, liberada por la matriz ósea como uOC  entra en la circulación  donde actúa como hormona. La uOC incrementa la sensibilidad a la insulina, lo cual puede ser parcialmente mediado por el incremento  en la producción de adiponectina por el tejido adiposo. En el páncreas, la uOC causa un incremento en la proliferación de células β y la producción de insulina. Estudios recientes sugieren que la uOC actúa en el cerebro para estimular la producción de neurotransmisores y en los testículos para incrementar la producción de testosterona.

Fuente: Zoch ML et al (2016). New insights into biology of osteocalcin.  Bone  82: 42-49.