Esta obra se publica bajo licencia Creative Commons 4.0 Internacional. (Atribución-No
Comercial-Compartir Igual) a menos que se indique lo contrario, http://www.creativecommons. org.ar/licenciasDOI: http://dx.doi.org/10.19137/cienvet-201921101
Esta obra se publica bajo licencia Creative Commons 4.0 Internacional. (Atribución-No
Comercial-Compartir Igual) a menos que se indique lo contrario, http://www.creativecommons. org.ar/licencias
ARTÍCULO DE INVESTIGACIÓN
El rol de osterix en la diferenciación osteoblástica: potencial en el tratamiento de afecciones osteoarticulares
The role of osterix in osteoblastic differentiation: Potential in the treatment of osteoarticular affections
Audisio, S.A.1; Vaquero, P.G.1; Verna, E.C.1
1 Cátedra Técnica y Patología Quirúrgica - FCV - UNLPam. Calle 5 y 116, (6360) General Pico, La Pampa, Argentina.
Correo Electrónico: saudisio@vet.unlpam.edu.ar
“En la memoria de nuestro compañero M.V. Edgardo Verna”
Resumen: El presente artículo hace revisión de la proteína Osterix y el rol que cumple en la esqueletogénesis, la osificación endocondral y en diversas patologías del sistema osteoarticular de los animales. Osterix es transcriptora de la familia de las proteínas morfogénicas ósea que inducen la formación de hueso. En la esqueletogénesis posibilita la diferenciación de los preosteoblastos en osteoblastos y la maduración y diferenciación de osteoblastos en osteocitos. En la osificación endocondral se expresa en los condrocitos maduros e hipermaduros y contribuye a degradar la matriz del cartílago. En la vida extrauterina colabora en la regulación de la homeostasis ósea e interviene en patologías osteoarticulares, oncología ósea y en la reparación de las fracturas. Conocer la acción de Osterix sobre las células óseas y condrocitos es un punto de partida atractivo para futuras investigaciones con el fin de contribuir con el diagnóstico y tratamiento de afecciones del sistema osteoarticular de los animales.
Palabras claves: Osterix ; Preosteoblasto ; Osteoblasto ; Diferenciación celular ; Hueso
Sumary: This paper revises the Osterix protein and its role in the skeletongenesis,
the endochondral ossification and in various pathological processes
of the osteoarticular systems in animals. Osterix is a transcription
factor of the family of bone morphogenic proteins, which prompts
bone formation. In the skeletogenesis Osterix allows the differentiation
of the preosteoblasts into osteoblasts and the maturity and differentiation
of osteoblasts into osteocytes. In the endochondral ossification,
Osterix expresses in the mature and hypermature chondrocytes
and contributes to degrade the cartilage matrix. In the extrauterine
life, it collaborates in the regulation of the bone homeostasis and it is
involved in osteoarticular pathologies, in bone oncology and in the repair
of fractures. Learning about the action of Osterix on the bone cells
and chondrocytes is an attractive starting point for further research
aiming at contributing to the diagnosis and treatment of diseases of
the osteoarticular system in animals.
Key words: Osterix ; Preosteoblast ; Osteoblast ; Cell differentiation ; Bone
La esqueletogénesis embrionaria al igual que la homeostasis ósea
post natal se halla controlada por varias vías de señalización genética(1). Las principales vías incluyen a los miembros del factor de crecimiento
de fibroblastos (FGF), la familia de la proteína morfogénica del
hueso (BMP) y la vía de señalización de Wingless int (Wnt)(2 ,1). En correspondencia
con esas vías intervienen los factores de transcripción
Runx2 y osterix (Osx)(3,4,5).
El rol de Osx en la esqueletogénesis quedó demostrado cuando se
bloqueó su expresión en ratones recién nacidos, los que no registraron
diferenciación osteoblástica y consecuente formación de hueso
nuevo(6,5). Así se estableció que Osx diferencia a los preosteoblastos en osteoblastos para que los continúen con su función en la formación y
mineralización ósea.(7,8).
En la columna vertebral la deficiencia de Osx provoca deformaciones
severas de las vértebras entre las que se mencionan vértebras en
cuña, estenosis espinal y escoliosis congénita. La desactivación de Osx
también genera vértebras acortadas con volumen óseo excesivo y actividad
osteoclástica disminuida(9).
Para que se lleve a cabo la esqueletogénesis embrionaria se requiere
que las células mesenquimáticas (CM) se diferencien en distintas
líneas celulares a través del accionar coordinado de un conjunto de
moléculas. Este proceso posee características similares a la regeneraciónósea que acontece durante la reparación de las fracturas(10). Por
ese motivo resulta de interés conocer esos acontecimientos bioquímicos
y celulares que tienen como resultado la curación de las fracturas
y defectos óseos.
La proteína morfogénica del hueso –2 (BMP-2) es una poderosa citoquina
que induce la formación de hueso. Actúa reclutando CM estimulándolas
a que `proliferen y diferencien para generar hueso. BMP-2
regula la expresión de varios transcriptores específicos sin los cuales
no se llevaría a cabo la osteogénesis, entre los que se encuentran Osx
y Runx2(17).
Osterix es un factor de transcripción que pertenece a la familia de
las proteínas de especificidad (Sp) y dentro de esta familia también se
la conoce como Sp7. Contiene dedos de zinc que le confieren la función
esencial de diferenciar osteoblastos y así intervenir en el desarrollo
esquelético embrionario. Los ratones deficientes en Osx acumulan
preosteoblastos detenidos en su diferenciación incapaces de expresar
genes osteoblásticos como osteocalcina (OC), sialoproteína ósea (BSP)
y osteopontina (OP)(3). En ausencia de Osx el esqueleto cartilaginoso
prenatal de ratones en los que se realizaron los estudios no mostraron
evidencias de mineralización y murieron al nacer(3). En la osificación
Osx se expresa en osteoblastos y osteocitos y en menor grado en condrocitos
hiper y prehipertróficos(5).
El objetivo de la presente revisión es examinar el rol que desempeña
la proteína Osx en la esqueletogénesis embrionaria y en la etapa de
desarrollo del individuo en el desarrollo del esqueleto de los animales
pues constituye una vía atractiva en la reparación de fracturas y lesionesóseas.
La proteína OSX pertenece a la familia de las proteínas transcriptoras
tipo KRUpel que se caracterizan por poseer dedos de zinc
para unirse al ADN celular y ejercer su efecto.(11) De esta forma Osx
media la expresión de los genes osteoblásticos como osteocalcina
(OC), osteonectina, osteopontina (OP), sialoproteína ósea (BSP) y
la metilación del colágeno tipo I(12). Durante la diferenciación de los
osteoblastos la región promotora de Osx se hipometila, lo que altera
directamente la expresión de los genes de los osteoblastos, que
luego ejercen efecto sobre la diferenciación celular(13).
Osx posee una activa participación en la osteogénesis junto a los
transcriptores Runx2 y Sox9. Runx2 es necesaria para la diferenciación
de las CM en osteoblastos e inhibe su diferenciación en adipocitos
y condrocitos. Es el primer transcriptor que interviene en
la diferenciación de las CM. Así lo demostraron estudios realizados
en ratones Runx2 -/- en los que no se registró osificación intramembranosa
como así tampoco endocondral debido a la ausencia de la
diferenciación de las CM en osteoblastos.(14,15)
En estudios in vitro realizados en CM procedentes de los huesos
parietales de ratones Runx2-/- éstas se diferenciaron espontáneamente
en adipocitos y en condrocitos en presencia de BMP-2 pero
no en osteoblastos. Por ese motivo las CM de animales Runx2 -/- tienen
el potencial de diferenciarse en adipocitos y condrocitos(16). Los
ratones Osx-/- también muestran ausencia completa de osificación
intramembranosa y endocondral debido a que no se lleva a cabo
la diferenciación de osteoblastos. Runx2 se expresa en las células
mesenquimales de ratones Osx-/-, aunque Osx no se expresa en ratones
Runx2-/-.
Por lo tanto, Osx es un gen que interviene en el proceso de diferenciación
con posterioridad a Runx2. En ratones Osx-/- las CM
pericondrales se condensan y diferencian en condrocitos, ello indica
que las CM Osx-/- mantienen el potencial para diferenciarse en
condrocitos.(3)
Runx2 intervendría en los primeros estadios de diferenciación
de las CM hasta la aparición de células osteocondroprogenitoras,
mientras que Osx tendría un papel en la segregación de las células
osteoprogenitoras(17). Estas vías diferenciales reguladoras sugieren
que Osx promueve la proliferación de células progenitoras,
mientras que Runx2 tiene un efecto antiproliferativo pues actuaría
a nivel del ciclo celular en la fase de transición a G1 relacionada al
crecimiento celular de los osteoblastos.(18)
Osx posee actividad condrogénica y de osificación post natal de la
mandíbula de ratones para lo cual induce la síntesis de metaloproteinasa-
13 (MMP13) durante la osificación endocondral para degradar
matrices condrogénicas(19).
Estudios de migración de osteoblastos en el desarrollo del hueso
establecieron que interviene una población de células precursoras
de osteoblastos que se localizan en el pericondrio y que son Osx positivas.
Esas células migran al sitio de osificación primaria junto con
los vasos sanguíneos pues esas células precursoras que expresan Osx
están íntimamente asociados con células endoteliales de los vasos
sanguíneos.(20)
Si bien la familia de BMP es la única capaz de inducir la generación
de hueso, ésta requiere la intervención cooperativa de Wnt(21,22).
La inactivación de la β-catenina citosólica en las CM, vía canónica de
activación de Wnt, bloquea por completo la diferenciación de los osteoblastos
y CM mesenquimales del pericondrio y se diferencian en
condrocitos(6,23,24). Por lo tanto, β-catenina es esencial para la diferenciación
de los osteoblastos donde las CM β-catenina -/- mantienen su
potencial para diferenciarse en condrocitos. Como Runx2, pero no
Osterix, se expresa en las CM β-catenina -/- (23,24). β-catenina es necesaria
para la diferenciación de osteoblastos en la etapa de preosteoblastos.
Por lo tanto, Runx2 dirige a las CM progenitoras a preosteoblastos,
inhibiendo su diferenciación en adipocitos y condrocitos, y β-catenina
y Osx dirigen aún más a los preosteoblastos a osteoblastos inmaduros,
eliminando por completo el potencial de los preosteoblastos para diferenciar
los condrocitos. Las células que expresan Osx co-expresan
sus propias Wnts, que a su vez inducen la respuesta de señalización de
Wnt, regulando así su proliferación y diferenciación celular.(25)
Existe variada evidencia que Osx contribuye a mantener la homeostasis
de los huesos en animales adultos. Cuando Osx es anulada
en ratones adultos éstos registran microfracturas, disminución de la
población de osteoblastos e interfiere en la maduración y función de
osteocitos(7,5).
Estudios realizados en animales a los que se les impidió que cargaran
peso sobre uno de los fémures, mostraron que los osteocitos
del hueso disminuyeron la expresión de Osx y a su vez en húmero,
mostraron incremento de los niveles de Osx . La experiencia sugiere
que la sobrecarga de peso compensatoria aumentó los niveles de
Osx en osteoblastos en respuesta a la adaptación mecánica(26). La
paratohormona (PTH), que es tanto catabólica como anabólica en el
tejido óseo, tiene receptores en los osteoblastos para regular tanto la
actividad metabólica de los osteoblastos como la diferenciación. La estimulación
prolongada con PTH inhibe la expresión de ARNm de la
proteína Osx en células osteoblásticas in vitro que provoca una represión
transcripcional(27).
El gen que expresa al receptor de la vitamina D (RVD) en la membrana
de los osteoblastos es un objetivo de Osxt. Estudios en ratas mutantes
que no expresan osterix (Osx -/-) mostraron expresión defectuosa
de RVD cuando se los comparó con animales tipo salvaje. En cultivos
primarios de osteoblastos tipo salvaje también tuvieron una expresión
del gen RVD marcadamente alterada cuando se anuló la expresión de
Osx. La utilidad terapéutica de estos resultados se puede sumar a una
lista creciente de factores y vías osteoblastogénicas regulados por Osx
en el osteoblasto no solo en el mantenimieto de la homeostasis del
hueso, sino también para tratar enfermedades óseas(28).
Como ya se mencionó, MMP13 es esencial para la condrogénesis
en la placa de crecimiento(29). Sin embargo, MMP13 se encuentra íntimamente
ligada a la patogénesis de la osteoartritis. No obstante, contar
con mayor conocimiento de esta condición resultará de utilidad
en el desarrollo de terapias de la osteoartritis y otros desórdenes del
cartílago.(30)
Las anormalidades en Osx contribuye el desarrollo de osteosarcoma
en ratas. La restitución de la expresión de Osx en células provenientes
de osteosarcoma tiende a reducir la destrucción del hueso y
a disminuir la metástasis pulmonar. Por este motivo esta información
sugiere que Osx puede ser un objetivo en el tratamiento de estas neoplasias(31). No obstante, en osteosarcomas extra esqueléticos espontáneos
que se producen en conejos los estudios inmunohistoquímicos
indicaron expresión de Osx y Ki67 indicativo de la naturaleza proliferativa
osteoblástica del tumor.(32)
Las observaciones de Ma et al., 2010(33) señalan que los glucocorticoides
inhiben la actividad de ARN mensajero y la expresión de Runx2
y Osx, decrece la actividad osteoblástica y promueve la resorción ósea,
la osteoporosis y la necrosis de la cabeza femoral en ratas.
La reparación de las fracturas es un proceso complejo que incluye
la expresión e interacción espacial y temporal de múltiples moléculas
que intervienen en la formación de hueso nuevo durante la curación.
Los estudios realizados en lesiones óseas controladas seguidas
de curación demostraron que Osx se expresa durante la regeneración
de células óseas. La implantación de células de la médula ósea que expresan
Osx en defectos óseos de huesos temporales en ratas aceleró la
cicatrización de las lesiones respecto a los controles(34). En ratones con
fracturas controladas el callo de fractura y el cartílago comenzaron a
formarse hacia el séptimo día post fractura y continuó hacia el día 10
de la curación. Osx se expresó en los osteoblastos del callo óseo en el
día 10, pero no lo hizo en el hueso cortical, condrocitos hipertróficos y
vasos sanguíneos. Hacia el día 14 posterior a la fractura Osx se expresó principalmente en los osteoblastos que rodeaban los sitios de curación
mientras que el cartílago del callo se osificó(35). En el mismo estudio la
sobre expresión de Osx en las células progenitoras disminuyó el nivel
de Sox9, lo que sugiere que Osx podría inhibir la diferenciación de los
condrocitos mientras promueve la diferenciación de los osteoblastos.
El rastreo de las células precursoras de osteoblastos que eran Osx
positivas estaban presentes en el periostio del hueso cortical, lo que
permitió establecer que cuando se produce la fractura éstas se encontraban
masivamente en el callo óseo(20).
Como se mencionó, Osx expresa las proteínas BSP y OC que intervienen
en la biomineralización de la matriz ósea. Esta actividad permitió establecer que las CM de la médula ósea poseen mayor capacidad
de diferenciación osteogénica que las CM del tejido adiposo en perros.
No obstante, las CM obtenidas del tejido adiposo poseen mayor potencial
osteogénico(36, 37).
El ácido zolendrónico es un bifosfonato que contiene nitrógeno(38) y un potente inhibidor de la resorción ósea. El ácido zoledrónico
muestra gran afinidad en el sitio del recambio óseo y mineral. El
tratamiento con ácido zoledrónico con osteoblastos puede mejorar la
diferenciación(39). El ácido zolendrónico provoca la hipometilación de
Osx durante la diferenciación osteoblástica y promueve la expresión
genética de los osteoblastos(38).
La revisión establece que Osx es cumple funciones clave en la diferenciación
de los preosteoblastos y osteoblastos como así también
para que se realice osificación endocondral. La presente puede constituir
un punto de partida para futuras investigaciones que conduzcan
a aplicaciones clínica a los fines de resolver afecciones óseas como y
contribuir en el diagnóstico y estrategias terapéuticas de la enfermedades
como osteoartritis.
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Fecha de recepción artículo original: 10-03-2018
Fecha de aceptación para su publicación: 01-06-2018