Introducción
El objetivo de este artículo es revisitar el origen de la acondroplasia, a partir de una nueva perspectiva, inspirada por un artículo muy interesante del Dr. Pavel Krejci, un entusiasmado investigador de la biología del receptor del factor de crecimiento de fibroblastos (FGFR3) y un fuerte aliado de la investigación sobre la acondroplasia, publicado apenas unas semanas atrás. (1) Este texto intenta explicar la hipótesis formulada por el Dr. Krejci para explicar la acondroplasia.
Esta breve revisión también nos ayudará a presentar el próximo artículo planificado para el blog, cuyo tema será sobre el efecto del bloqueo de la cascada enzimática debatida aquí. Sé que los 17 lectores originales del blog podrán ver este texto como algo repetitivo, pero, mientras adquirimos más conocimiento sobre la acondroplasia, siempre incluimos un nuevo detalle.
La vida es eléctrica
La vida funciona con electricidad. Cada momento de un ser vivo es gobernado por reacciones químicas coordenadas, a partir de transferencias de cargas eléctricas. Si pensamos por un instante que en el cuerpo existen millares y millares de moléculas que participan de este programa químico coordinado, podemos comenzar a entender cómo la vida es compleja. ¿Consigues imaginarte el tipo de “software” que se necesita para controlar esta máquina increíble? Un programa principal para controlar la máquina de la vida necesita ser bastante robusto y fuerte.
Sin embargo, al mismo tiempo en que la vida es dirigida por un programa increíblemente fuerte, ella también es demasiado frágil. Con miles de millones de reacciones químicas (eléctricas) que se dan en el cuerpo en apenas un día, los errores tienden a aparecer. Es necesario apenas un error no identificado en la construcción de una nueva molécula en el interior de la máquina para que el equilibrio pueda ser quebrado, llevando al cuerpo de un estado saludable a la enfermedad. Un bug en el software y las consecuencias pueden ser graves para la máquina.
A pesar de eso, la máquina tiene su propio software de control de calidad que funciona junto con el principal y, por eso, cuando las cosas salen mal, el software guardián es activado y la gran mayoría de los errores es corregida bastante rápidamente. En una célula, si el software de control de calidad detecta un error y no puede corregirlo, otras medidas de control son iniciadas, y la célula puede determinar su propia muerte o encaminarse hacia un estado de parálisis llamado senescencia celular (2,3) (vamos a recordar esto más tarde).
Proteínas, interruptores eléctricos
En el cuerpo, los maestros de las reacciones químicas (eléctricas) que conducen la vida, son moléculas a las cuales denominamos proteínas. Las proteínas son grandes estructuras hechas de otras más pequeñas, conocidas como aminoácidos. Si bien muchos aminoácidos existen en la naturaleza, hay un número limitado de ellos que son considerados esenciales para la vida. Todas las proteínas presentes en el cuerpo son hechas de los mismos aminoácidos y son sus combinaciones específicas, codificadas dentro del ADN, las que crearán las diferentes proteínas funcionales. Combinaciones correctas de aminoácidos son fundamentales, ya que cada uno tiene sus propias propiedades eléctricas. Entonces, podrás notar aquí que si una proteína lleva reacciones eléctricas de cierta manera debido a su conformación (posición en la cadena de aminoácidos), entonces imagina lo que puede suceder cuando la conformación está equivocada. Un aminoácido mal colocado y la proteína puede inactivarse o más bien activarse demasiado.
A pesar de que son los maestros de la vida, no todas las proteínas realizan reacciones químicas y, cuando lo hacen, son denominadas enzimas. Podemos pensar en enzimas como interruptores químicos (eléctricos) de pared. Sus actividades permiten que el cuerpo funcione correctamente y reaccione bastante rápidamente, ante los estímulos internos y externos.
Figura 1. Las proteínas son como interruptores eléctricos
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| Manutenção & Suprimentos |
Normalmente, las enzimas no funcionan solas. Por el contrario, en la mayoría de las veces ellas actúan conjuntamente con otras, de una manera que podríamos compararlas con los bloques de una cadena de dominó, donde el primer bloque llega al siguiente, y éste llega a un tercero, para causar un efecto al final de la línea. En el caso de las enzimas, la reacción química, o la señal, hará con que la célula que la está recibiendo se comporte de una manera apropiada para responder a la causa de la señal.
Figura 2. Una cascada de enzimas es como un efecto dominó
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| Wikimedia commons |
Una señal química puede comenzar como una respuesta al tiempo afuera, o en una estación de esquí o en la playa. Esté el tiempo frío o caliente, el cuerpo responderá para equilibrar la temperatura interna con la del medio ambiente, por medio de cientos de reacciones químicas en muchos tejidos y órganos. Como mencionado anteriormente, si todas las señales se encuentran bajo control, el cuerpo responderá de manera adecuada, de otra manera, habrá problemas más adelante.
Entendiendo la acondroplasia
Todos esos conceptos son importantes, porque nos pueden ayudar a comprender que sucede en condiciones clínicas como la acondroplasia. En la acondroplasia, una de esas proteínas activas, el FGFR3 (Figura 3) contiene una modificación en su estructura, una mutación, que hace con que sea más activa que lo habitual. Si el error de construcción del FGFR3 se diese en un cuerpo adulto, probablemente el software de control de calidad podría verlo y resolverlo, caso contrario el error podría conducir al cáncer (ver abajo).
Sin embargo, como en la acondroplasia el error es innato (lo que es llamado en la jerga técnica de mutación germinativa), la mutación no sería reconocida como un error por el control de calidad, ya que está en el código del ADN desde el principio. Si un error está causando muchos problemas desde el principio, la nueva forma de vida que se está desarrollando (el embrión) no será bien sucedida, no tendrá un buen final. En la acondroplasia, el FGFR3 alterado ejerce una influencia indebida desde el principio, que perjudica el crecimiento óseo ya desde el útero, pero con una intensidad que usualmente no amenaza la vida. Sin embargo, con una enzima receptora “trabajólica” (workaholic) en la máquina, el programa de desarrollo del nuevo ser tendrá dificultades (ver a continuación).
Figura 3. Un modelo estructural de FGFR3
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| LLNL Biosciences |
Señales químicas llevan a la acondroplasia
Después del nacimiento, el FGFR3 es producido casi de manera exclusiva, o sea, de manera relevante, por células llamadas condrocitos, las cuales viven dentro de una región bastante especializada en las extremidades de los huesos largos, la placa de crecimiento cartilaginosa.
La función normal del FGFR3 es ayudar a los condrocitos a controlar su propia velocidad de proliferación (multiplicación) y maduración. Si el FGFR3 está ausente, los huesos crecen excesivamente y las consecuencias dañinas también surgen. (4) Por lo tanto, en condiciones normales, el FGFR3 es un freno importante para el crecimiento natural de los condrocitos. Sin embargo, una vez que en la acondroplasia el FGFR3 está señalizando excesivamente, el resultado es que los condrocitos simplemente paran de proliferar y madurar, lo que causa una detención del crecimiento óseo en general y las características clínicas de esta condrodisplasia.
Mencionamos que las enzimas no trabajan solas, y el FGFR3 no es una excepción. Él está asociado a una serie de cascadas de enzimas para ejercer sus funciones (Figura 4) y nosotros visitaremos nuevamente una de ellas, la de la proteína quinasa activada por mitógeno (MAPK), que fue la explorada por el estudio que veremos en el próximo artículo del blog.
La cascada MAPK
En los últimos años, un número creciente de evidencias ha sido publicado enfocándose en la cascada enzimática MAPK como el probable principal motor de la detención del crecimiento óseo visto en la acondroplasia. (5)
Figura 4. Cascadas de señalización del FGFR3
Por ejemplo, varios estudios que exploran el péptido natriurético tipo C (CNP) contribuyeron mucho para la comprensión de cómo la señalización de la MAPK perjudica el crecimiento óseo. (6-9) Esto, a su vez, dio como resultado el desarrollo de la primera terapia farmacológica en potencial para la acondroplasia, el análogo del CNP BMN-111 (10), actualmente listo para ingresar en la fase 2 de su desarrollo clínico. Para saber más sobre la evolución clínica de un nuevo medicamento en potencial podes visitar este artículo anterior del blog.
El FGFR3 es una antena química
La cascada MAPK está representada en la figura 4 de modo bastante simplificado. En resumen, el FGFR3 es denominado enzima receptora (o técnicamente, una tirosina-quinasa receptora) porque él está situado cruzando la membrana celular (la capa) del condrocito (Figura 3), como una antena sobre el tejado de un edificio, esperando señales de TV. El estado natural del FGFR3 está inactivo (o apagado). Ya revisé este tema en otros artículos de este blog.
Figura 5. FGFR3, una antena en el tejado de la célula
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| Wikimedia commons |
Esta señal eléctrica/química será llevada a otras moléculas vecinas y, al viajar de una a otra, como en la cadena del dominó, la señal llegará a la primera enzima de la cascada de la MAPK, que es denominada como Ras. La Ras es activada (encendida) y activará la enzima siguiente en la vía, denominada RAF, que activará entonces a la MEK, que a su vez transfiere la señal para otra enzima denominada ERK. La ERK es el mensajero que llevará la señal traída por el FGF desde fuera hacia el núcleo de la célula, donde el programa celular reaccionará de acuerdo con la señal recibida (Figura 3).
Sugiero que veas el siguiente video (14 min), el cual muestra una animación rica y detallada de una cascada de señalización en acción, con la correspondiente respuesta de la célula. Las células pueden responder a señales externas produciendo nuevas proteínas y la animación muestra este proceso.
Animación. Cascada de señalización enzimática y el proceso de transcripción del ADN.
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| DNA Learning Center by Cold Spring Harbor Laboratory |
La MAPK es un factor-clave de funciones celulares importantes en todos los tejidos del cuerpo. Esto implica que la MAPK responde a un gran número de antenas celulares, no solamente al FGFR3 (visite este artículo en inglés en la Wikipedia para ver la figura que muestra las interacciones conocidas de la MAPK).
Normalmente, la MAPK funciona como un gatillo de crecimiento: las células estimuladas vía MAPK comienzan a multiplicarse y sobreviven por más tiempo. Esta propiedad es fácilmente reconocida por células cancerosas, las cuales frecuentemente usan a la MAPK para multiplicarse más rápidamente. No es de extrañar que, últimamente, hayamos visto el desarrollo de varios nuevos compuestos enfocando enzimas de la cascada MAPK para tratar varios tipos de cáncer (revisado aquí).
Sin embargo, como acabamos de mencionar anteriormente, los condrocitos reaccionan ante la MAPK exactamente en el sentido opuesto, y reducen su ritmo de crecimiento cuando están bajo influencia de la señalización de la MAPK. (11) ¿Cómo sucede esto? La hipótesis del Dr. Pavel Krejci puede responder a esta pregunta. (1)
En su análisis, él postula que este comportamiento de los condrocitos sería una reacción natural a lo que ellos reconocen como una señal equivocada que viene del FGFR3 mutante. En otras palabras, debido a la superactividad del FGFR3 que produce un exceso de estímulo en el crecimiento de los condrocitos de la placa de crecimiento, estas células se defienden entrando en un modo de pausa, la senescencia celular mencionada anteriormente. Ellas apagan la electricidad.
¿Recuerdas lo que mencionamos al inicio de este artículo, que existe un programa de control de calidad que funciona con el programa principal, ejecutando en la máquina (en el cuerpo), para garantizar que las reacciones químicas estén yendo por el camino correcto? De este modo, la hipótesis del Dr. Krejci puede ser una buena explicación para el comportamiento excepcional de los condrocitos que enfrentan un exceso de actividad del FGFR3. La célula podrá no ver al FGFR3 mutante como un tema, pero consigue darse cuenta de que algo anda mal con la excesiva señalización de la MAPK.
Por lo tanto, la acondroplasia sería la consecuencia final de los condrocitos al “diagnosticar” la señalización excesiva de la MAPK como un problema, encendiendo así el software de control de calidad para entrar en una especie de modo de pausa, con el propósito de protegerse del potencial daño que puede ocurrir ante el excesivo estímulo al crecimiento, que sabemos que es común en el cáncer. Ellos se mantienen con las funciones celulares básicas, pero detienen el programa esencial de proliferación para el crecimiento óseo. El resultado son huesos cortos, un estrecho canal en la columna vertebral y las consecuencias clínicas de la acondroplasia.
FGFR3 y MAPK en células óseas
Una vez que hay evidencias de que el FGFR3 hiperactivo también provoca alteraciones en células del hueso (osteoblastos), también es útil ver lo que sucede con esas células bajo la influencia de la vía FGFR-MAPK. Contamos con informaciones a ese respecto, por ejemplo, que vienen de un estudio realizado por el grupo del Dr. Sunichi Murakami. En uno de sus recientes trabajos, explotaron la inhibición del FGFR3 y de la MEK en osteoblastos in vitro y in vivo, y concluyeron que la vía de la MAPK es también muy importante para la salud de los huesos. (12)
Conclusión
Una pregunta que podemos hacer sobre la hipótesis del Dr. Krejci está relacionada con el propio mecanismo de acción del FGFR3. Si el FGFR3 es un freno natural para el crecimiento óseo, y actúa naturalmente a través de la cascada MAPK, ¿por qué motivo los condrocitos usarían como recurso del proceso de senescencia, ya que la señal esencial ("pare de crecer") no cambió? Puede ser que lo que activa el proceso de senescencia sea un “nivel” interno de actividad de la vía MAPK, que cuando es cruzado, activa el proceso de detención, pero el mecanismo por el cual esto sucedería es lo que todavía no está claro.
Aprovechando el debate sobre la acción de la MAPK, en el próximo artículo analizaremos otro estudio, donde investigadores testearán un par de moléculas creadas para inhibir a la MAPK en el cáncer. Lo que es relevante en su trabajo es que ellos exploraron estos componentes en el hueso y en la placa de crecimiento, con consecuentes implicaciones para diferentes estrategias de desarrollo en el tratamiento de la acondroplasia.
Referencias
1. Krejci P. The paradox of FGFR3 signaling in skeletal dysplasia: why chondrocytes growth arrest while other cells over proliferate. Mut Res 2013; http://dx.doi.org/10.1016/j.mrrev.2013.11.001.
2. Campisi J & Fagagna FA. Cellular senescence: when bad things happen to good cells. Nature Rev Mol Cell Biol 2007;8:729-40.
3. Campisi J. Cell biology: the beginning of the end. Nature 2013; doi:10.1038/nature12844. Published online 18 December 2013.
4. Toydemir RM et al. Novel mutation in FGFR3 causes camptodactyly, tall stature, and hearing loss (CATSHL) Syndrome. Am J Hum Genet 2006;79(5):935-41. Acceso libre
5. Foldynova-Trantirkova S et al. Sixteen years and counting: the current understanding of
fibroblast growth factor receptor 3 (FGFR3) signaling in skeletal dysplasias. Hum Mutat 2012; 33:29–41. Acceso libre
6. Krejci P et al. Interaction of fibroblast growth factor and C-natriuretic peptide signaling in regulation of chondrocyte proliferation and extracellular matrix homeostasis. J Cell Sci 2006; 118: 5089-00. Acceso libre
7. Nakao K et al. Impact of local CNP/GC-B system in growth plates on endochondral bone growth. Pharmacol Toxicol 2013; 14 (Suppl 1):48. Acceso libre
8. Yasoda A et al. Systemic Administration of C-Type Natriuretic Peptide as a Novel Therapeutic Strategy for Skeletal Dysplasias. Endocrinology 2009;150: 3138–44.
9. Yasoda A and Nakao K. Translational research of C-type natriuretic peptide (CNP) into skeletal dysplasias. Endocrine J 2010; 57 (8): 659-66. Acceso libre
10. Lorget F et al. Evaluation of the therapeutic potential of a CNP analog in a Fgfr3 mouse model recapitulating achondroplasia. Am J Hum Genet 2012;91(6):1108-14. Acceso libre
11. Murakami S et al. Constitutive activation of MEK1 in chondrocytes causes Stat1-independent achondroplasia-like dwarfism and rescues the Fgfr3-deficient mouse phenotype. Genes Dev 2004;18(3):290-305. Acceso libre
12. Kyono A et al. FGF and ERK signaling coordinately regulate mineralization-related genes and play essential roles in osteocyte differentiation. J Bone Miner Metab 2012;30(1):19-30. Acceso libre
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