Expressió i modulació de gens del desenvolupament ossi: elscasos de la fibrodisplàsia ossificadora progressiva (FOP) i de l'heteroplàsia òssia progressiva (POH)

Abstract

L'estudi dels processos moleculars implicats en la regulació de l'osteogènesi s'ha realitzat en base a dues malalties humanes diferents, les quals estan caracteritzades per la formació ectòpica d'os de naturalesa diversa: la FOP (la fibrodisplàsia ossificadora progressiva) amb formació d'os endocondral i la POH (l'heteroplàsia òssia progressiva) amb formació d'os d'origen intramenbranós.<br/>Mitjançant un procés meticulosament regulat, l'esquelatogènesi embrionària humana transforma cèl·lules mesenquimàtiques en sistemes orgànics articulats ben definits espaialment com són el cartílag i l'os. Un dels enigmes per resoldre en la biologia de l'esquelet fa referència als senyals moleculars que són necessaris i suficients per induir una adequada formació de l'esquelet. En condicions normals d'esquelatogènesi, un augment en l'elaboració i activitat del morfogen BMP-4 es troba finament regulat per un nombrós grup de senyals negatius que inclouen -però no es limiten a- antagonistes extracel·lulars de BMP-4 com ara noggin, gremlin, follistatin i chordin, generats per mecanismes de retroalimentació complexos. A mes la formació ectopica d'os també implica altres gens com ara GNAS1, codificador de la subunitat a de les proteïnes G i responsable de la POH.<br/>Encara no ha estat identificat el gen que causa la FOP, els resultats obtinguts poden, de fet, ajudar a identificar el gen mutat mitjançant una atenció central en porcions del camí de transducció de senyal de les BMPs. Aquí és on el gen responsable de FOP té més possibilitats de recaure i ja que els nostres resultats indiquen l'existència d'un defecte en la senyalització entre l'estímul de BMP-4 i els seus cognats antagonistas noggin i gremlin, és molt probable que la mutació responsable de FOP s'ubiqui en un dels gens codificadors de proteïnes mediadores o reguladores del camí de senyalització de la BMP-4.<br/>En l'estudi relacionat amb la POH, s'ha demostrat que existeixen múltiples formes del gen GNAS1/gnas que s'expressen en cèl·lules preosteoblàstiques MC3T3-E1 de ratolí i també en LCLs humanes. Quan les cèl·lules s'orienten cap a un llinatge osteogènic, s'observen notables diferències en l'expressió dels transcrits de gnas. La inhibició de les isoformes Nesp55 i de la nova forma de Gsa i una activació progressiva de les isoformes XLalpha, antisentit i Gsa amb l'exó 3 exclòs, en conjunt, pot proporcionar un mecanisme coordinat que involucri la unitat transcripcional de gnas en el procés de diferenciació osteogènica de les cèl·lules pluripotents, suggerint que la predisposició de hMCS a dirigir-se a llinatges osteogènics o adipogènics està governada per múltiples interaccions entre els diferents transcrits de gnas. A més, els nostres resultats indiquen que els nivells reduïts fins a la meitat en individus POH podrien influir en processos "downstream" que condueixen a un fenotip osteogènic competent.<br/>Aquest treball de recerca ha permès situar en un mateix pla d'estudi processos d'osteogènesi de naturalesa diversa, els quals es desencadenen per camins de transducció alternatius. Les rutes de transducció del senyal de factors TGF-b_, com el morfogen BMP-4 _i proteïnes G s'entrecreuen les unes amb les altres (Cross-talking). Les mutacions en els gens codificadors de proteïnes mediadores o reguladores del camí de senyalització de BMP-4 i els defectes en els camins de senyalització de receptors acoblats a les proteïnes G poden contribuir directament o indirecta a la patogènesi de moltes malalties amb formació heterotòpica d'os.

The molecular processes that control the regulation of osteogenesis were studied in two different human bone disorders characterized by the formation of ectopic bone of distinct nature, FOP (fibrodysplasia ossificans progressiva) with endocondral bone formation and POH (progressive osseous heteroplasia) with bone formation of intramenbranous origin.<br/>Through a tightly regulated process, human embryonic skeletogenesis transforms mesenchymal cells into articulated organic systems well defined spatially as are bone and cartilage. One of the enigmas to solve in skeleton biology are the molecular signals that are necessary and sufficient to trigger a proper formation of the skeleton. In normal skeletogenesis, an increase in the elaboration and activity of morforgen BMP-4 is finely regulated by a number of negative signals that include- but is not limited to- extracellular antagonist of BMP-4 as noggin, gremlin, follistatin i chordin, generated by complex feedbacks mechanisms. Moreover, ectopic bone formation also results from an alteration in other genes as GNAS1, GNAS1 codifies for the a subunit of heterotrimeric G proteins which is responsible for POH.<br/>Still has not been identified the gene that causes FOP. The results obtained in this work can, in fact , help to identify the mutated gene through a central attention to some portions of the BMPs transductional pathway, here is were the gene FOP has more changes to be found since our results indicate of the existence of a defect in the signaling between the stimulus BMP-4 and its cognates antagonist noggin and gremlin, is quite probable that the mutation responsible for FOP is located in one of the genes that codifies for intermediate or regulatory proteins of the BMP-4 signaling pathway.<br/>We have shown in the study related to POH that exist multiple forms of the gene GNAS1/gnas which are expressed in mice preosteoblastic MC3T3-E1 cells. When cells are directed to an osteogenic linage, several remarkable differences are observed in the expression of the gnas transcripts. The inhibition of isoforms Nesp55 and the new form of Gsa and a progressive activation of isoforms XLalpha, antisense and Gsa without exon 3, in general could supply a coordinate mechanism that involves the GNAS1 trascriptional unit in the process of osteogenic differentiation of the pluripotent mesenchymal cells, suggesting that the commitment of hMCS to differentiated to osteogenic and adipogenic lineages is governed by multiple interactions among the gnas transcrits. In addition, our results indicate that the reduced levels of the different GNAS1 transcripts in POH individuals could somehow influence in the downstream signals that conduct that drive into a competent osteogenic phenotype.<br/>This research work has let us to situated at the same study plane two different osteogenic processes of diverse nature which are trigger by alternative transductional pathways The signal transductional pathways of TGF-b, as morphogen BMP-4, and G proteins cross talk one with the othert. Mutations at the genes that codify for intermediate and regulatory proteins of BMP-4 signaling pathways and defects in the signaling pathways of receptors coupled to G proteins can contribute directly or indirectly to the pathogenesis of several disorders of bone ectopic formation.