Las neurogeninas , a menudo abreviadas como Ngn , son una familia de factores de transcripción bHLH que intervienen en la especificación de la diferenciación neuronal. La familia, formada por la neurogenina-1, la neurogenina-2 y la neurogenina-3, desempeña un papel fundamental en la especificación de las células precursoras neuronales y en la regulación de la diferenciación de las neuronas durante el desarrollo embrionario. Es una de las muchas familias de genes relacionadas con el gen atonal de la Drosophila . Otros reguladores positivos de la diferenciación neuronal que también se expresan durante el desarrollo neuronal temprano son NeuroD y ASCL1 . [1]
Las neurogeninas regulan principalmente la transición de las células progenitoras neuronales a neuronas mediante la activación de genes específicos asociados con la diferenciación neuronal. Su participación abarca varias etapas de la neurogénesis , incluida la determinación de la identidad de las células progenitoras neuronales, la salida del ciclo celular y la adquisición de características neuronales. En particular, las neurogeninas influyen en la especificación de diferentes subtipos neuronales, lo que contribuye a la diversa variedad de neuronas dentro de los sistemas nerviosos central y periférico . [2]
En las células de la cresta neural , la familia de las neurogeninas es esencial para la neurogénesis en los ganglios de la raíz dorsal en desarrollo y el desarrollo del linaje sensorial. [3] [4]
La actividad de las neurogeninas está regulada de forma intrincada por vías moleculares y señales ambientales. La interacción con otros factores de transcripción , como los factores proneurales y la señalización Notch, refina aún más las cascadas neurogénicas. Sus patrones de expresión espaciotemporal y su regulación cruzada contribuyen a la exquisita precisión necesaria para el desarrollo neuronal adecuado. [5] [6]
Las neurogeninas tienen implicaciones significativas para la investigación clínica, particularmente en el contexto de los trastornos del desarrollo neurológico y la regeneración neurológica. [7] Las aberraciones en la expresión o regulación de las neurogeninas se han relacionado con afecciones como los trastornos del espectro autista y las enfermedades neurodegenerativas . [8] La investigación en curso continúa explorando el potencial terapéutico de manipular la actividad de las neurogeninas para la reparación y regeneración neuronal.
La neurogenina 1 (Ngn1) es un factor de transcripción de hélice básica-bucle-hélice (bHLH) de clase A que actúa como regulador de la diferenciación neuronal y actúa uniéndose a elementos reguladores potenciadores en genes que codifican reguladores transcripcionales de la neurogénesis . Para que Ngn1 se una con alta fidelidad al ADN genómico , debe dimerizarse con otra proteína bHLH . [9] Ngn1 es un gen proneural porque su expresión se observa antes de la determinación del linaje neuronal , lo que indica que desempeña un papel en la diferenciación neuronal. [1]
En ratas E14, cuando Ngn1 está presente en la corteza cerebral , se une al complejo coactivador transcripcional CBP / p300 / Smad1 , que lo recluta a la caja potenciadora aguas arriba del gen en el promotor de genes neuronales. La unión de Ngn1 a la caja potenciadora induce al factor de transcripción NeuroD a unirse a sus propias cajas potenciadoras, induciendo los genes involucrados en la diferenciación neuronal. [10]
La señalización de la proteína morfogenética ósea (BMP) es responsable de la expresión de los coactivadores transcripcionales CBP, p300 y Smad1. [10] En presencia de Ngn1, las BMP promueven la diferenciación neuronal en las células madre mediante la unión de todos los CBP/p300/Smad1 endógenos a Ngn1 y su reclutamiento hacia los promotores neuronales, lo que provoca la diferenciación neuronal. [10] En el prosencéfalo embrionario , Ngn1 está asociado con la formación de patrones dorsales y la especificación del destino celular, y las moléculas de formación de patrones y las proteínas proneurales establecen los dominios espaciales de la expresión de proteínas proneurales y de homeodominio . Esto es fundamental para el inicio de la neurogénesis. [11]
En presencia de Ngn1, la vía del factor inhibidor de la leucemia (LIF) se inhibe al bloquear la activación de STAT . Normalmente, el sitio de unión de STAT promueve la transcripción de GFAP mediante la unión al complejo STAT1/3, que se activa a través de la vía LIF. [10]
Además de favorecer la diferenciación neuronal, cuando se expresa en el tejido neuronal embrionario, Ngn1 también actúa inhibiendo la diferenciación glial . [12] En ausencia de Ngn1, el complejo coactivador transcripcional CBP/p300/Smad1 se recluta y se une a STAT1/3 activado, lo que a su vez provoca la expresión de GFAP, lo que provoca la diferenciación glial. En presencia de Ngn1, la inhibición de la gliogénesis se produce a través de la unión de Ngn1 al complejo coactivador transcripcional CBP/p300/Smad1, reclutándolo y alejándolo de STAT1/3. [10]
En casos de niveles bajos de Ngn1, las BMP promueven la diferenciación glial. Dado que Ngn1 es el factor limitante, CBP/p300/Smad1 puede interactuar con STAT1/3 e inducir la gliogénesis. [10]
La activación de la vía Notch , provoca la inhibición de genes bHLH proneurales, como Ngn1, lo que permite que CBP/p300/Smad1 interactúe con STAT1/3 e induzca la gliogénesis. [10] Junto con la rata embrionaria, también se observó en el pez cebra que la represión de Ngn1 por Notch, promueve el linaje glial en la formación de la cresta neural y el sistema nervioso central a través de la inhibición de la diferenciación neuronal. [1] [13] Además de que la vía Notch activa los factores transcripcionales involucrados en la promoción de la gliogénesis, es posible que estos mismos factores estén involucrados en la inhibición de otros destinos.
En ausencia de Ngn1, la vía LIF puede activar STAT1/3, lo que permite la promoción de la transcripción de GFAP a través del sitio de unión de STAT. La promoción de la transcripción de GFAP indujo la diferenciación glial. [10]
La neurogenina 2 (Ngn2) es un factor de transcripción bHLH que participa tanto en la neurogénesis como en la especificación neuronal. Esta proteína se une a elementos reguladores de la caja potenciadora en los promotores de muchos genes relacionados con la neurogénesis y la especificación neuronal. Para lograr una unión suficiente con el ADN, Ngn2 debe formar un dímero con una proteína potenciadora. [14]
Ngn2 es un factor de transcripción que aumenta la expresión de genes proneurales e impulsa el destino neuronal al inhibir la expresión de genes gliales en células progenitoras neuronales (NPC). Esto se observó en ratones que carecían de Ngn2 y mash-1 (otro factor de transcripción bHLH proneural), que tienen más glía en la corteza y una capacidad reducida para generar neuronas. La expresión de Olig2 en lo que se convertirán en NPC precede a Ngn2 y promueve su expresión. [10] Durante el cambio del destino progenitor neuronal al destino glial, Ngn2 se regula a la baja y Nkx2.2 , que inhibe los genes proneurales, se regula al alza. [15] El cambio de destino glial se redujo inhibiendo Nkx2.2 y Olig2 en progenitores neuronales mientras se permitía la expresión de Ngn2. La capacidad de Olig2 para inducir la expresión de Ngn2 se reduce cuando se expresa Nkx2.2. [16]
Los ratones que carecen de Ngn2 tienen menos neuronas motoras e interneuronas ventrales , lo que indica que Ngn2 desempeña un papel en la especificación de estas neuronas. [17]
El complejo de proteína potenciadora/Ngn2 heterodimerizado puede unirse a cajas potenciadoras para promover la transcripción de genes relacionados con un destino neuronal no especificado. [17]
Cuando una caja potenciadora de un promotor que ha sido unida por el complejo Ngn-2/proteína potenciadora también está unida por un dímero del interactuador nuclear adaptador LIM (NLI) unido a dos proteínas homeobox LIM 3 (Lhx3), se expresan genes relacionados con la identidad de la interneurona V2. [17]
Un dímero del adaptador NLI unido a dos proteínas del islote 1 (Isl1) y cada Isl1 está unido por Lhx3 se denomina complejo de transcripción LIM-homeodominio (LIM-HD). Cuando una caja potenciadora de un promotor que ha sido unida por el complejo heterodimerizado Ngn2/proteína E, el complejo de transcripción LIM-HD puede unirse para impulsar la expresión de genes relacionados con el destino de la neurona motora, pero solo si Ngn2 ha sido fosforilado correctamente . [17]
Ngn2 tiene dos serinas , S231 y S234, que pueden ser fosforiladas por la glucógeno sintasa quinasa 3 (Gsk3). La fosforilación de Ngn2 permite la interacción con las proteínas del homeodominio LIM, lo que conduce al destino neuronal ventral y la especificación de la neurona motora. [18] La importancia de esta fosforilación se determinó utilizando ratones que expresan una forma mutada de la proteína Ngn2 que tiene las serinas de los sitios de fosforilación mencionados anteriormente mutados en alaninas , que no pueden ser fosforiladas. Estos ratones mutantes tienen una cantidad reducida de neuronas motoras y una cantidad aumentada de interneuronas V2, lo que sugiere que la fosforilación es necesaria para impulsar la expresión de genes relacionados con el destino de la neurona motora, pero no el destino de las interneuronas V2 y el destino neuronal no especificado. [17]
La neurogenina 3 (Ngn3) es otro miembro de la familia bHLH de factores de transcripción. La Ngn3 funciona en la diferenciación de las células pancreáticas endocrinas . Aunque su función principal está en el páncreas, las células intestinales y las células neuronales también expresan Ngn3. Varios estudios han destacado la importancia de Ngn3 para la diferenciación de las células endocrinas. En ratones, Ngn3 está presente en las células cuando el páncreas comienza a gemar y se forman las células de glucagón . Hay varias vías por las que funciona Ngn3. [19] [20] [21] [22]
El gen Ngn3 es un componente crucial en el desarrollo pancreático y desempeña un papel de apoyo en el desarrollo de las células intestinales y neuronales. Los estudios han demostrado que la inactivación del gen Ngn3 en ratones provoca la muerte poco después del nacimiento, posiblemente debido a las secuelas de una diabetes grave. [19] Se están realizando más estudios para investigar el posible papel del gen Ngn3 como tratamiento para la diabetes y la regeneración de las células del páncreas. [19] [21]
La neurogenina 3 (NGN3) se expresa en el 2-10% de las células acinares y ductales del páncreas humano adulto histológicamente normal. Las células NGN3+ aisladas de tejido exocrino cultivado por la glucoproteína de superficie celular CD133 coexpresada tienen un transcriptoma consistente con la desdiferenciación exocrina, un fenotipo que se asemeja a las células progenitoras endocrinas durante el desarrollo y una capacidad de diferenciación endocrina in vitro. [23] Las células exocrinas humanas [24] y de roedores [25] [26] [ 27 ] [28] [29] [30] [31] [32] [33] se han reprogramado en células con un fenotipo similar al de las células de los islotes tras la expresión directa de NGN3 o la manipulación que conduce a su expresión.
El desarrollo del páncreas se divide en tres fases: fase primaria, fase secundaria y fase terciaria. Ngn3 está activo en la fase primaria y secundaria. En la fase primaria, Ngn3 ayuda a la diferenciación de las células α y, en la fase secundaria, otra oleada de Ngn3 ayuda a la diferenciación de las células β , las células polipeptídicas pancreáticas y las células δ . La diferenciación se marca como completa después de la fase secundaria. Ngn3 permite el compromiso de las células progenitoras pancreáticas para convertirse en un precursor multipotente endocrino. [19]
La vía Notch es uno de los moduladores clave de Ngn3. La unión de Delta y Serrate, ligandos de activación de la vía Notch, activa la molécula de superficie de Notch. Esto permite que el dominio intracelular de Notch active RBK-Jκ para translocarse al núcleo. Este complejo luego activa las proteínas de tipo hairy y enhancer of split (HES), que son inhibidores de Ngn3. Las células que permiten la entrada del complejo Notch/RBK-Jκ son las que no se diferenciarán en células pancreáticas porque Ngn3 está suprimido. Es importante mencionar que Ngn3 tiene tres sitios de unión HES1 adyacentes a la secuencia de la caja TATA que permiten la regulación de este factor de transcripción. [19]
Ngn3 también puede activar el factor de diferenciación neurogénica 1 (NeuroD1) como la mayoría de los otros miembros de su familia a través de las cajas potenciadoras presentes en su estructura. Dado que NeuroD1 se expresa junto con Ngn3 en células diferenciadoras, se considera uno de los objetivos posteriores de los factores de transcripción. [19]
Otro objetivo importante es el gen paired box 4 (Pax4), que desempeña un papel importante en la diferenciación de las células β y δ. Ngn3 trabaja en conjunto con HNF1α para activar el promotor Pax4 e inducir la diferenciación celular específica. [19]
Otro factor de transcripción que puede ser un objetivo posterior de Ngn3 es Nkx2.2 porque a menudo se coexpresa con él. Los estudios han demostrado que la alteración de la expresión de Nkx2.2 da lugar a problemas con la diferenciación de las células α y β. [20] [21]