La vía de señalización nodal es una vía de transducción de señales importante en la diferenciación regional y celular durante el desarrollo embrionario . [1]
La familia de proteínas Nodal , un subconjunto de la superfamilia del factor de crecimiento transformante beta (TGFβ) , es responsable de la inducción del endodermo meso , la formación de patrones del sistema nervioso y la determinación del eje dorso-ventral en embriones de vertebrados. La activación de la vía Nodal implica la unión nodal a los receptores de activina y similares a la activina, lo que conduce a la fosforilación de Smad2 . El complejo P-Smad2/ Smad4 se transloca al núcleo para interactuar con factores de transcripción como FoxH1 , p53 y Mixer ( regulador endodérmico similar a la mezcla de Xenopus ). Esto, a su vez, conducirá a la inducción de genes diana como NODAL, Lefty , el antagonista de nodal cerberus , y otros. [2]
La activación de la vía Nodal induce la transcripción de muchos genes diana, incluidos los propios, pero al mismo tiempo, los micro-ARN y otras proteínas interfieren con este ciclo de retroalimentación positiva de manera negativa en diferentes puntos de la vía. [2] [3] Este equilibrio de activación e inhibición de la señal es necesario para lograr la ubicación, concentración y duración precisas de los genes diana posteriores que tienen un papel importante en las primeras etapas del desarrollo. Este artículo resumirá el papel de algunos de los componentes que participan positiva y negativamente en la regulación de la vía de señalización. Aunque todos los componentes principales de la señalización Nodal se conservan evolutivamente en casi todos los vertebrados, la regulación de cada componente de la vía a veces varía según la especie.
El gen nodal fue descubierto originalmente por Conlon et al. mediante una mutación retroviral en ratones que condujo al aislamiento de un gen que interfería con la gastrulación normal del ratón y el desarrollo del embrión. [4] Un estudio posterior de este gen por Zhou et al. mostró que los genes nodales codifican un péptido de señalización secretado que era suficiente para inducir células del mesodermo en el embrión del ratón. Este fue un hallazgo importante ya que muchos otros factores habían sido implicados en la formación del mesodermo en Xenopus mientras que la dificultad de eliminación de estos factores debido a la letalidad embrionaria y la contribución materna de los genes había mantenido esquiva la capacidad de analizar los fenotipos knock out. [5] Estudios posteriores de la señalización nodal en otros vertebrados como Cyclops y Squint en el pez cebra demostraron que la señalización nodal es adecuada para inducir el mesodermo en todos los vertebrados. [2]
Las proteínas Lefty, miembros divergentes de la superfamilia de proteínas TGFβ , actúan como antagonistas extracelulares de la señalización de Nodal. Los estudios de expresión del homólogo de Lefty, antivin, en el pez cebra muestran que Lefty probablemente actúa como un inhibidor competitivo de la señalización de Nodal. [6] La sobreexpresión de Lefty conduce a un fenotipo similar a un knock out de Nodal mientras que la sobreexpresión del receptor de activina (proteína relacionada con Nodal) o incluso el dominio extracelular del receptor puede rescatar el fenotipo. Como la inducción de Lefty depende de la expresión de Nodal, lefty actúa como un inhibidor de retroalimentación clásico para la señalización de Nodal. Al igual que los nodales, todos los vertebrados tienen al menos un gen Lefty, mientras que muchos, como el pez cebra y el ratón, tienen dos genes Lefty únicos.
Las proteínas DAN, como Cerberus y Coco en Xenopus y Cerberus-like en ratones, también actúan como antagonistas de la señalización nodal. A diferencia de las proteínas Lefty, las proteínas DAN se unen directamente a las proteínas nodal extracelulares y evitan la señalización. Además, no todas las proteínas DAN son específicas de la señalización nodal y también bloquearán las proteínas morfogenéticas óseas (BMP) y, en el caso de Cerberus y Coco, también la señalización de Wnt. [7] Esta actividad es importante en el desarrollo neuronal y la simetría izquierda-derecha, como se analizará más adelante.
Lefty y Cerberus no son los únicos que pueden interactuar en el espacio extracelular con Nodal, existe evidencia bioquímica de que BMP3 y BMP7 forman heterodímeros con Nodal, provocando una inhibición mutua de las vías involucradas. [8]
El ARNm de Nodal produce una forma proteica inmadura de Nodal que es escindida por proteínas llamadas convertasas para generar un Nodal maduro. Las convertasas de proproteína similares a subtilisina (SPC) Furin (Spc1) y PACE4 (Spc4) reconocen una secuencia específica del precursor de la proteína Nodal y la escinden para formar el ligando Nodal maduro. [9] Por el contrario, la forma inmadura de Nodal todavía es capaz de activar la vía. [10] Durante el transporte de Nodal al espacio extracelular, el correceptor Nodal captura el precursor Nodal en balsas lipídicas y una vez en la superficie celular, Cripto interactúa con las convertasas y forma un complejo que facilita el procesamiento de Nodal. [11]
Las proteínas EGF-CFC son factores extracelulares unidos a la membrana que sirven como cofactor esencial en la señalización nodal y en el desarrollo de vertebrados en su conjunto. Esta familia de cofactores incluye One-Eyed Pinhead (oep) en pez cebra, FRL1 en Xenopus y Cripto y Criptic en ratones y humanos. Los estudios genéticos de oep en pez cebra han demostrado que la inactivación de oep tanto materna como cigótica conduce a un fenotipo similar al de la inactivación de squint/Cyclops (Nodals). De manera similar, la sobreexpresión de Nodal (squint/Cyclops) o oep con la inactivación del otro no muestra diferencias fenotípicas. Esta evidencia, junto con los datos de que la sobreexpresión de oep no muestra fenotipo, corrobora el papel de EGF-CFC como cofactor esencial en la señalización nodal. [12]
En ratones, ranas y peces, Dapper2 es un regulador negativo de la formación del mesodermo que actúa a través de la regulación negativa de las vías de señalización Wnt y TGFβ/nodal. En el pez cebra, se sabe que nodal activa la expresión génica de dapper2 . [13] En la superficie celular, Dapper2 se une firmemente a la forma activa de los receptores de activina tipo 1 y se dirige al receptor para la degradación lisosomal. La sobreexpresión de Dapper2 imita la pérdida de función del correceptor nodal porque la señal nodal no se puede transducir y, por lo tanto, produce menos mesodermo. En el embrión de ratón, el ARNm de dpr2 se encuentra en todo el embrión 7,5 días después de la concepción (dpc), sin embargo, su ubicación cambia a los 8,5 dpc, donde se observa en los somitas prospectivos y a los 10 dpc, el tubo neural, la vesícula ótica y el intestino; Debido a que Dapper2 y Nodal se expresan en la misma región, esto sugiere que Dapper antagoniza las señales de inducción del mesodermo derivadas de Nodal. [14] De alguna manera, la reducción de los receptores de activina conduciría a la disminución de la actividad de diferentes vías de TGFb. [13]
Las proteínas Smad son responsables de la transducción de señales nodales al núcleo. La unión de las proteínas Nodal a los receptores de activina o de serina/treonina quinasa similares a la activina da como resultado la fosforilación de Smad2 . Smad2 se asociará entonces con Smad4 y se translocará al núcleo estimulando así la transcripción de genes diana nodales. Se ha demostrado que otro Smad, Smad3 , puede ser fosforilado por receptores activados y también puede funcionar como un activador de genes nodales. Sin embargo, la inactivación de Smad2 en ratones conduce a la interrupción de la formación de la estría primitiva . Esto no es suficiente para inactivar todos los genes mesoendodérmicos, lo que demuestra que Smad3 tiene alguna función superpuesta con Smad2. Sin embargo, la expresión de estos genes es ubicua en embriones KO de Smad2, mientras que es limitada en el tipo salvaje. Los knockouts de Smad3 no tienen un fenotipo que muestre que la superposición de expresión con Smad2 es suficiente para el desarrollo normal. [15]
La ectodermina regula negativamente la vía nodal inhibiendo la interacción de Smad4 con otros Smads dentro del núcleo vía la mono-ubiquitinación Smad4, esta modificación permite que sea transportado fuera del citoplasma donde puede ser desubiquitinado por la proteína FAM, permitiéndole formar complejos nuevamente con otros Smads. [16] [17] Otro regulador negativo de la vía que interviene con Smads es PPM1A, una fosfatasa que actúa con Phospho-Smad2/3 volviéndolo inactivo. [18] Posteriormente, Smad2/3 es transportado fuera del núcleo con la ayuda de RanBP2. [19]
Smad2/3/4 puede asociarse a diferentes factores de transcripción como p53, Mixer y FoxH1 y reconocer elementos cis-reguladores específicos para activar la expresión de genes diana de Nodal en un momento y lugar precisos y activar los genes necesarios para la inducción del mesodermo. Hay otros factores de transcripción que compiten por algunos de los componentes de la maquinaria transcripcional para la activación de genes diana de Nodal. Por ejemplo, Tgif1 y Tgif2 son correguladores negativos que compiten por la forma activa de Smad2, reduciendo la concentración relativa de Smad2 activo en el núcleo. En Xenopus , la pérdida de función de Tgf1 y Tgf2 provoca la regulación positiva de Xnr5 y Xnr6. [20] Otro ejemplo de represores transcripcionales en la rana es XFDL, que se une a p53 obstruyendo la interacción con el complejo Smad2/3/4. [21]
En los vertebrados, la familia de microARN miR-430/427/302, conservada evolutivamente, se expresa en las primeras fases del desarrollo. Tiene un papel importante en el control de la especificación del mesodermo y el endodermo, y lo hace regulando los niveles de expresión proteica de algunos componentes de la señalización nodal. Esta familia está compuesta por el miR-430 de los teleósteos, el miR-427 de los anfibios y el miR-302 de los mamíferos. En el pez cebra, el miR-430 inhibe la traducción de Sqt, Lefty1 y Lefty2, en las ranas el miR-427 regula Xnr5, Xnr6b, LeftyA y LeftyB, sin embargo, en las células madre embrionarias humanas se ha demostrado que el miR-302 regula negativamente la expresión de Lefty1 y Lefty2 únicamente, pero no parece regular negativamente los niveles de expresión proteica nodal. [22]
Múltiples estudios han establecido que la señal nodal es necesaria para la inducción de la mayoría de los tipos de células mesodérmicas y endodérmicas y que los knockouts de Squint/Cyclops en el pez cebra no desarrollan notocorda, corazón, riñones o incluso sangre. [23] El origen y el patrón de expresión de las proteínas de señalización nodal difieren en diferentes especies. La señalización nodal de los mamíferos se inicia de forma ubicua en las células del epiblasto y se mantiene mediante la señalización autorreguladora de Wnt3 y está limitada por la inducción de antagonistas como Cerberus-like y lefty. [24] Los estudios en Xenopus han encontrado que la expresión de xnr (el nodal de Xenopus ) es inducida por VegT en el polo vegetal y los nodales se extienden a la blástula. [25] La expresión de Xnr se estabiliza por la presencia de β-catenina. Esta información plantea la pregunta de cómo la señalización nodal conduce a la inducción tanto del endodermo como del mesodermo. La respuesta viene en forma de un gradiente de proteína nodal. Las diferencias temporales y espaciales en la señalización nodal darán como resultado diferentes destinos celulares. Con la adición de antagonistas y una gama variable de diferentes nodales, se puede dibujar un mapa de destinos celulares que incluya tanto el mesodermo como el endodermo para el embrión. [2] Sin embargo, no está claro si la señalización nodal se suma o si las células responden a la amplitud de la señal. [26]
La anatomía humana es asimétrica, con el corazón ubicado en el lado izquierdo y el hígado en el derecho. La asimetría izquierda-derecha (biología) es una característica común a todos los vertebrados e incluso los órganos simétricos pareados, como los pulmones, muestran asimetrías en el número de lóbulos. La evidencia de que la señalización nodal es responsable de la especificación izquierda-derecha proviene del análisis genético de organismos deficientes en la especificación izquierda-derecha. Estos estudios genéticos llevaron a la identificación de mutaciones en componentes de la vía de señalización nodal, como ActRIIB, Criptic y FoxH1 en ratones. [27] Estos estudios encontraron que la simetría izquierda-derecha se crea como resultado de la expresión del antagonista nodal en el lado derecho del embrión, que se equilibra mediante la regulación positiva nodal en la otra mitad del embrión. El resultado es un gradiente nodal que es alto en el lado ventral del embrión y, a través de la acción antagonista, disminuye como un gradiente hacia la línea media. Los estudios sobre la vía de señalización nodal y sus objetivos posteriores, como PITX2, en otros animales han demostrado que también puede controlar los patrones asimétricos de izquierda a derecha en los linajes de ascidias , anfioxos , erizos de mar y moluscos . [28]
Como la señalización nodal da lugar al ectodermo y al mesodermo , la formación del neuroectodermo requiere bloquear la señalización nodal, lo que se logra mediante la expresión del antagonista nodal, Cerberus. El papel de la señalización nodal resurge más tarde en el desarrollo cuando la señalización nodal es necesaria para especificar el patrón neuronal de las células ventrales. La pérdida de función de Cyclops o oep en el pez cebra da como resultado embriones ciclópeos caracterizados por una falta de placa del suelo medial y prosencéfalo ventral. [2] No todos los nodales dan lugar a la formación del mesoectodermo. Xenopus nodal related 3, (Xnr3), un miembro divergente de la superfamilia TGFβ, induce la expresión de la proteína, Xbra. El patrón de expresión de Xbra, en correlación con el patrón de expresión de otro neuroinductor, Xlim-1, da como resultado el patrón del organizador en Xenopus . Esta señalización en conjunción con otros nodos, noggin, chordin, folistatin y otros, da como resultado el patrón final del sistema nervioso central de los vertebrados. [29]