Netrin - Netrin

El knockout de Netrin 1 altera la topografía de las proyecciones talamocorticales en el cerebro del ratón. De Powell et al., 2008.

Las netrinas son una clase de proteínas involucradas en la guía de axones . Reciben su nombre de la palabra sánscrita "netr", que significa "el que guía". Las netrinas se conservan genéticamente en gusanos nematodos , moscas de la fruta , ranas , ratones y humanos . Estructuralmente, la netrina se parece a la laminina, la proteína de la matriz extracelular .

Las netrinas son quimiotrópicas ; un axón en crecimiento se acercará o se alejará de una concentración más alta de netrina. Aunque el mecanismo detallado de la guía de axones no se comprende completamente, se sabe que la atracción de netrina está mediada por los receptores de superficie celular UNC-40 / DCC y la repulsión está mediada por los receptores UNC-5 . Las netrinas también actúan como factores de crecimiento , fomentando las actividades de crecimiento celular en las células diana. Los ratones deficientes en netrina no logran formar la comisura del hipocampo o el cuerpo calloso .

Un modelo propuesto para la actividad de las netrinas en la columna vertebral de los embriones humanos en desarrollo es que las netrinas son liberadas por la placa del piso y luego son recogidas por proteínas receptoras incrustadas en los conos de crecimiento de los axones que pertenecen a las neuronas en la columna vertebral en desarrollo. Los cuerpos de estas neuronas permanecen estacionarios mientras los axones siguen un camino definido por netrinas, y finalmente se conectan a las neuronas dentro del cerebro embrionario mediante el desarrollo de sinapsis . Las investigaciones respaldan que los nuevos axones tienden a seguir vías previamente trazadas, en lugar de ser guiados por netrinas o factores quimiotrópicos relacionados.

Descubrimiento

La netrina se describió por primera vez en el nematodo Caenorhabditis elegans en 1990 y se denominó UNC-6, de acuerdo con el protocolo de nomenclatura estándar de C. elegans . El primer homólogo de mamífero de UNC-6 se descubrió en 1994, donde se descubrió que era una señal de guía vital para los axones comisurales de roedores en la médula espinal. A partir de 2009, se han identificado cinco Netrins mamíferos. Las netrinas 1, 3 y 4 son proteínas secretadas, mientras que G1 y G2 son proteínas unidas a la membrana unidas por colas de glicofosfatidilinositol . Todas las netrinas descubiertas en invertebrados hasta ahora son secretadas.

Descripción general de netrins

La familia de las netrinas se compone principalmente de proteínas secretadas que sirven como señales bifuncionales: atraen algunas neuronas mientras repelen otras durante el desarrollo del cerebro. Expresados ​​en la línea media de todos los animales que poseen simetría bilateral , pueden actuar como señales de largo o corto alcance durante la neurogénesis . Para llevar a cabo sus funciones, las netrinas interactúan con receptores específicos: DCC o UNC-5 , según intenten atraer o repeler neuronas, respectivamente.

Existe un alto grado de conservación en la estructura secundaria de las netrinas, que tiene varios dominios que son homólogos con la laminina en el extremo amino terminal. El dominio C-terminal es donde se encuentra la mayor parte de la variación entre especies y contiene diferentes aminoácidos que permiten la interacción con proteínas específicas en la matriz extracelular o en la superficie celular. Las diferencias en términos de estructura y función han llevado a la identificación de varios tipos diferentes de netrinas, incluidas netrina-1, netrina-3 y netrina-G.

Netrins clave

La netrina-1 se encuentra en la placa del suelo y en las células neuroepiteliales de la región ventral de la médula espinal, así como en otras localizaciones del sistema nervioso, incluidos el mesodermo somático , el páncreas y el músculo cardíaco. Su función principal es la guía axonal, la migración neuronal y la morfogénesis de diferentes estructuras ramificadas. Se observó que los ratones con mutaciones en el gen netrina-1 carecían de axones comisurales del prosencéfalo y de la médula espinal. Se ha descrito que Netrin-1 y -3 tienen una expresión exclusiva en las células cancerosas.

Netrin-3 es diferente de otras netrinas. Si bien se expresa durante el desarrollo del sistema nervioso periférico en las neuronas motoras, sensoriales y simpáticas, es muy limitado en el sistema nervioso central. Los estudios con netrin-3 han notado una capacidad reducida para unirse con DCC en comparación con netrin-1. Esto sugiere que opera principalmente a través de otros receptores.

Las netrinas-G se secretan pero permanecen unidas a la superficie extracelular de la membrana celular a través del glicofosfatidilinositol (GPI). Se expresan predominantemente en el sistema nervioso central en lugares como el tálamo y las células mitrales del bulbo olfatorio . No se unen a DCC o UNC-5 y en su lugar se unen al ligando NGL-1, lo que da como resultado una cascada de transducción intracelular. Las dos versiones, netrin-G1 y netrin-G2, se encuentran solo en vertebrados. Se cree que evolucionaron independientemente de otras netrinas para facilitar la construcción del cerebro.

Receptores de netrina

Las proteínas DCC y UNC-5 median las respuestas de netrina-1. La proteína UNC-5 participa principalmente en la señalización de la repulsión. El DCC, que está implicado en la atracción, también puede servir como un cofactor en la señalización de repulsión cuando está lejos de la fuente de netrina-1. DCC se expresa en gran medida en el sistema nervioso central y se asocia con la lámina basal de las células epiteliales. En ausencia de netrina-1, se sabe que estos receptores inducen apoptosis .

Guiado axonal

Los conos de crecimiento que se encuentran al final de los axones en desarrollo durante la embriogénesis son responsables del alargamiento del axón durante la migración . El alargamiento ocurre en respuesta a factores tropicales y atrópicos presentes en el ambiente circundante. Las netrinas son uno de esos factores trópicos secretados por las células diana axonales que funcionan como una proteína guía axonal crucial en organismos vertebrados e invertebrados. Los estudios en múltiples organismos, incluidos ratones, ratas, polluelos, el nematodo Caenorhabditis elegans , la mosca de la fruta Drosophila melanogaster y el pez cebra Danio rerio, han indicado que las netrinas secretadas son bifuncionales, lo que significa que pueden actuar como atrayentes o repelentes en la dirección de la extensión axonal. Además, muchos estudios han caracterizado a las netrinas como señales de corto y largo alcance, que actúan en la vecindad inmediata o distante de su célula fuente (la célula diana axonal).

Atracción

Los estudios del desarrollo del sistema nervioso central (SNC) en modelos de polluelos y roedores han identificado la proteína netrina-1 como una señal de guía axonal de vertebrados particularmente importante. Más significativamente, se observó que las células especializadas de la placa del piso ubicadas en la línea media ventral del cerebro embrionario secretan netrina-1, lo que resultó en un gradiente de proteínas. Este gradiente se concentra más en la línea media ventral y se vuelve cada vez más difuso a medida que se mueve dorsalmente. Investigaciones adicionales en ratones deficientes en netrina encontraron que cuando la netrina se asocia con el receptor Deleted in Colorrectal Cancer (DCC) en el cono de crecimiento axonal, se inicia una respuesta atrayente. Esto fue apoyado además por una ausencia observada de desarrollo de comisura ventral (es decir, cuerpo calloso ) en ratones que carecen de netrina-1 o DCC. Se observaron resultados similares en experimentos con el homólogo de netrina-1 UNC-6 descubierto en C. elegans. La misma expresión temprana y formación de un gradiente de concentración de proteínas que emana de la línea media ventral se observa en las células epidérmicas del gusano en desarrollo. La evidencia sugiere que este gradiente es esencial para la función de largo alcance de UNC-6 al guiar la migración circunferencial inicial de axones a la línea media ventral y que el receptor UNC-40 media la respuesta atractiva. A medida que los axones adicionales alcanzan la línea media, la expresión temporal y espacial de UNC-6 se vuelve cada vez más restringida, lo que indica que después de una guía dorsal-ventral más general de los axones, UNC-6 participa aún más en la dirección de los axones a ubicaciones más específicas.

Recientemente, los científicos han caracterizado muchos de los mecanismos celulares por los cuales la unión de netrina-1 a DCC motiva la atracción axonal a través de al menos tres vías de señalización independientes. En las tres vías, se observa que la netrina-1 causa la homodimerización de DCC que comienza la cascada de quimioatracción. En la primera vía, la quinasa de adhesión focal (FAK) se une a DCC y ambas experimentan fosforilación de tirosina tras la unión de netrina-1 que induce el reclutamiento y fosforilación de Src y Fyn , que se supone que conduce a un aumento en segundos mensajeros Rac1 y Cdc42 promoviendo así la extensión del cono de crecimiento. En una segunda vía posible, la proteína de transferencia de fosfatidilinositol α (PITP) se une a DCC fosforilada que induce a la fosfolipasa C (PLC) a aumentar la proporción de cAMP a cGMP . Este aumento de cAMP en relación con cGMP activa los canales de Ca 2+ de tipo L, así como los canales de potencial receptor transitorio (TRPC) que provocan un influjo de Ca 2+ extracelular . La evidencia sugiere que este aumento de calcio es responsable de la activación de Rho GTPasas, Cdc42 Rac1 y el factor de transcripción nuclear NFAT que pueden iniciar la extensión del cono de crecimiento. Estudios adicionales también han demostrado que la señalización inducida por netrina entre los objetivos DCC descendentes NcK y la proteína del síndrome de Wiskott-Aldrich WASP desencadenan Rac1 y Cdc42 y, posteriormente, el crecimiento axonal.

Repulsión

Se ha demostrado que tanto DCC en vertebrados como UNC-40 en C. elegans inician una respuesta repulsiva en lugar de atractiva cuando se asocian con el receptor de netrina Unc5. En el mismo gradiente de la línea media ventral analizado anteriormente, la netrina-1 actúa como quimiorrepelente para los axones de las motoneuronas trocleares, dirigiendo así su crecimiento dorsalmente (alejándose de la línea media ventral). La inhibición por anticuerpos de DCC en la médula espinal embrionaria de Xenopus inhibió tanto la atracción como la repulsión in vitro. Asimismo, se observaron múltiples defectos en C. elegans mutantes unc-40; sin embargo, los errores en los patrones de migración se vieron más profundamente afectados por mutaciones en el gen unc-5, lo que indica que la unión del homólogo de netrina-1 UNC-6 al receptor UNC-5 solo puede repeler el crecimiento axonal. Tanto en sistemas de vertebrados como de invertebrados, la quimiorpulsión de corto alcance en la que la concentración de netrinas es alta, parece ocurrir principalmente a través del receptor UNC-5, mientras que los efectos repulsivos de largo alcance a concentraciones más difusas requieren coordinación entre DCC (UNC-40 en C. elegans ) y UNC-5.

Actualmente se plantea la hipótesis de que la quimiorpulsión de largo alcance implica el inicio de la vía del ácido araquidónico tras la interacción de la netrina-1 con el complejo DCC / UNC-5. Esta vía aumenta los niveles intracelulares de 12-HPETE (ácido 12-hidroperoxi-5, 8, 10, 14-eicosatetraenoico), que induce la señalización de cGMP y posteriormente provoca una disminución en la relación cAMP / cGMP. La reducción de esta proporción inhibe la conductancia del calcio a través de los canales de calcio de tipo L (LCC) y, en última instancia, da como resultado la repulsión del cono de crecimiento a través de una posible activación de la familia de genes homólogos de Ras, miembro A (RhoA) . Se propone un mecanismo similar mediado por RhoA para la quimiorpulsión de corto alcance mediante el cual la unión de netrina-1 a homodímeros UNC-5 sola induce la fosforilación de tirosina que requiere FAK y Src, que como resultado activa RhoA. Un mecanismo adicional propone que la unión de la tirosina fosfatasa Shp2 al complejo netrina-1 / UNC-5 también puede desencadenar la quimiorrepulsión a través de RhoA.

Guiado glial y mesodérmico

Muchos estudios han demostrado que netrin-1 , UNC-40, UNC-6 y UNC-5 están involucrados en la migración de la glía durante la embriogénesis . Durante la fase migratoria en Drosophila melanogaster , la glía periférica embrionaria (ePG) expresa UNC-5. En los organismos knockout UNC-5, ePG se detiene durante la migración o no puede migrar. La señalización UNC-6 en C. elegans , junto con el receptor UNC-40 en las neuronas, promueve la sinaptogénesis y ensambla los pies terminales gliales alrededor de la sinapsis.

Funciones fuera de la guía neuronal

Aunque originalmente se entendió que estaba específicamente involucrado en la guía axonal en el sistema nervioso central, una nueva investigación ha relacionado la netrina con la regulación del cáncer, el desarrollo y formación de tejido no neural y la detección de cáncer y otras enfermedades.

Desarrollo y regulación de tejidos.

Se ha descubierto que la netrina juega un papel clave en el desarrollo y la regulación madura del tejido fuera del sistema nervioso. Algunos de los tejidos no neurales implicados incluyen tejido de pulmón, placentario, vasculatura, páncreas, músculo y glándula mamaria. Netrin contribuye a la morfogénesis de los tejidos controlando el desarrollo de la migración celular y la adhesión celular en diferentes órganos.

En las glándulas mamarias en desarrollo, las puntas de crecimiento de la red ductal constan de dos capas compuestas por células epiteliales luminales y células de la tapa. Las células luminales secretan netrina 1, que se une al receptor neogenina (un homólogo de DCC ) en las células del casquete. Esto permite la adhesión entre las dos capas de células, que es necesaria para la morfogénesis adecuada de las yemas terminales terminales (TEB) en las glándulas mamarias. La pérdida del gen que codifica netrina 1 o neogenina conduce a la formación inadecuada de (TEB), lo que sugiere que en lugar de actuar como una molécula guía como en los sistemas neuronales, la netrina 1 sirve como adhesivo en el tejido mamario.

Durante la morfogénesis del pulmón embrionario, las células epiteliales expresan netrina 1 y netrina 4. Estas netrinas rodean las yemas del endodermo en la membrana basal , evitando que las células de la punta distal expresen DCC y UNC5B. Esto permite el desarrollo normal del pulmón y detiene la aparición de ramificaciones y brotes potencialmente peligrosos.

En el desarrollo pancreático , la netrina 1 se expresa en las células ductales epiteliales y se localiza en la membrana basal. La netrina 1 se asocia con varios elementos de la matriz extracelular , incluidos el colágeno IV , la fibronectina y las proteínas integrales α6β4 y α3β1. Estos elementos de la matriz extracelular son responsables de la adhesión y migración de las células epiteliales, lo que sugiere que la netrina 1 está asociada con la guía de las células epiteliales en el páncreas embrionario.

La netrina ha sido implicada como una molécula vital para la proliferación de redes vasculares. Múltiples estudios han encontrado diferentes efectos de la netrina en estos vasos ramificados. Las células de la punta endotelial en el tejido vascular muestran propiedades similares al cono de crecimiento que se encuentra en el tejido neuronal. Los estudios han descubierto que estas mismas células de la punta endotelial también expresan UNC5B, a la que puede unirse la netrina 1, inhibiendo la angiogénesis . Por el contrario, varios estudios muestran que la netrina-1 en realidad promueve la ramificación de los vasos sanguíneos. Junto con esta investigación, se ha encontrado que la netrina 4 es responsable del crecimiento del sistema vascular linfático . En general, estos estudios muestran que los efectos reguladores de la netrina dependen del tipo de tejido vascular. Recientemente, la netrina se ha relacionado con la angiogénesis en la placenta, lo que la hace vital para la supervivencia del feto. Este hallazgo tiene implicaciones en el futuro tratamiento de la enfermedad vascular en la placenta.

En los adultos, la netrina se ha relacionado con la regulación del movimiento y la inflamación de las células madre . Se ha encontrado que Netrin 1 inhibe la migración de leucocitos a áreas inflamadas del cuerpo. Esto proporciona evidencia de que la regulación positiva de la netrina protege el tejido lesionado del exceso de inflamación. Además, la migración de las células progenitoras neurales adultas y las células progenitoras adultas de la médula espinal a la columna es dependiente de la netrina 1. Poco se sabe del mecanismo que controla la inhibición o atracción de estas células madre.

Regulación del cáncer y marcadores de enfermedades

En varios cánceres humanos, se ha demostrado que la netrina se sobreexpresa. También se ha demostrado que ciertos receptores se regulan negativamente en este proceso. Los receptores de netrina DCC y UNC5H son responsables de la regulación apoptótica . La ausencia de netrina 1 es responsable de la apoptosis, mientras que la presencia de netrina 1 conduce a una inhibición de la vía apoptótica . Esta vía es única e independiente de las vías mitocondriales y del receptor de muerte que conducen a la muerte celular controlada. Esto se ha observado en el epitelio del colon humano, donde los niveles más altos de muerte celular natural en la porción superior de las vellosidades se correlacionan con un gradiente más pequeño de netrina-1. Esto vinculó el papel de la netrina con la muerte y el crecimiento de los tejidos. El supresor de tumores p53 es responsable de la expresión de netrina-1, lo que implica que netrina puede ser la vía a través de la cual p53 regula el ciclo celular . Debido a que la netrina es tan influyente en la regulación de la muerte celular, el gen que codifica la netrina ( NTN1 ) se considera un oncogén .

Debido a que se ha descubierto que la netrina-1 está regulada al alza en los tumores, investigaciones recientes han intentado identificar a la netrina-1 como un biomarcador para la aparición del cáncer en el cuerpo humano. Se encontró que la netrina se puede encontrar en niveles por encima de lo normal en el plasma sanguíneo de pacientes que son positivos para los riñones, el hígado, la próstata, el meningioma del cerebro, el adenoma hipofisario, el glioblastoma y el cáncer de mama. Netrin-3 parece expresarse específicamente en el neublastoma (un tumor pediátrico) y en el cáncer de pulmón de células pequeñas (CPCP), donde se correlaciona con un mal pronóstico del paciente.

Investigación continua sobre netrin

Todavía hay muchas preguntas sin respuesta con respecto a la familia de moléculas netrina. Aún no está claro qué papel juegan los homólogos vertebrados de UNC-5 en la quimiorpulsión . Aunque se sabe mucho sobre la expresión de netrina durante el desarrollo, aún se sabe poco sobre su regulación en el desarrollo posterior en el cerebro. Los ratones knockout de Netrin muestran que hay mucho que aprender acerca de las muchas funciones de la netrina en la guía axonal.

Otra importante línea de investigación actual se dirige a la netrina como tratamiento para diversas enfermedades, como el cáncer, el infarto de miocardio y la enfermedad de Alzheimer . En organismos modelo de aves y ratones que padecen neuroblastoma , la interferencia con el bucle autocrino de netrina-1 en tumores malignos conduce a la muerte celular. Esto podría conducir a posibles terapias alternativas resultantes de ensayos futuros. También se están investigando tratamientos similares con respecto a la regulación a la baja de netrina-1 para cánceres de mama y colorrectales metastásicos. Estudios recientes también sugieren que la netrina está involucrada en un papel cardioprotector al liberar NO gas. En ratones, la netrina también se ha asociado con la regulación del péptido (Aβ) , responsable de las placas amiloides en la enfermedad de Alzheimer.

Ver también

Referencias