Las netrinas son una clase de proteínas implicadas en la guía axonal . Su nombre deriva de la palabra sánscrita "netr", que significa "el que guía". Las netrinas se conservan genéticamente en gusanos nematodos , [2] moscas de la fruta , ranas , ratones y seres humanos . Estructuralmente, la netrina se parece a la proteína de la matriz extracelular laminina .
Las netrinas son quimiotrópicas ; un axón en crecimiento se moverá hacia o desde una concentración más alta de netrina. Aunque el mecanismo detallado de la guía de los axones no se entiende 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 , estimulando las actividades de crecimiento celular en las células diana. Los ratones deficientes en netrina no logran formar la comisura del hipocampo ni el cuerpo calloso .
Un modelo propuesto para la actividad de las netrinas en la columna vertebral de embriones humanos en desarrollo es que las netrinas son liberadas por la placa del suelo y luego son captadas 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 las netrinas, conectándose finalmente con las neuronas dentro del cerebro embrionario mediante el desarrollo de sinapsis . La investigación respalda que los nuevos axones tienden a seguir vías previamente trazadas en lugar de ser guiados por netrinas o factores quimiotrópicos relacionados. [3]
La netrina se describió por primera vez en el nematodo Caenorhabditis elegans en 1990 y se denominó UNC-6, según el protocolo de denominación estándar de C. elegans . [4] El primer homólogo 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. [2] Hasta 2009, se han identificado cinco netrinas de 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. [5]
La familia de las netrinas está compuesta principalmente por proteínas secretadas que actúan como señales bifuncionales: atraen a algunas neuronas y repelen a otras durante el desarrollo del cerebro. Expresadas 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 la netrina-1, la netrina-3 y las netrinas-G. [6]
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, incluido el mesodermo somático , el páncreas y el músculo cardíaco. [7] Su función principal es la guía axonal, la migración neuronal y la morfogénesis de diferentes estructuras de ramificación. 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 la netrina-1 y -3 tienen una expresión exclusiva en células cancerosas. [8]
La netrina-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 limitada en el sistema nervioso central. [7] Los estudios con netrina-3 han observado una capacidad reducida para unirse con DCC en comparación con la netrina-1. Esto sugiere que actúa 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 . [7] No se unen a DCC o UNC-5 y en su lugar se unen al ligando NGL-1, lo que da lugar a una cascada de transducción intracelular. Las dos versiones, netrina-G1 y netrina-G2, se encuentran solo en vertebrados. Se cree que evolucionaron independientemente de otras netrinas para facilitar la construcción del cerebro.
Las proteínas DCC y UNC-5 median las respuestas de la netrina-1. La proteína UNC-5 está principalmente implicada en la señalización de repulsión. La DCC, que está implicada en la atracción, también puede servir como cofactor en la señalización de repulsión cuando se encuentra lejos de la fuente de netrina-1. La DCC se expresa en gran medida en el sistema nervioso central y está asociada con la lámina basal de las células epiteliales. En ausencia de netrina-1, se sabe que estos receptores inducen apoptosis . [7]
Los conos de crecimiento que se encuentran al final de los axones en desarrollo durante la embriogénesis son responsables de la elongación del axón durante la migración . La elongación ocurre en respuesta a factores trópicos y atrópicos presentes en el entorno circundante. Las netrinas son uno de esos factores trópicos secretados por las células diana axónicas que funcionan como una proteína de guía axonal crucial tanto en organismos vertebrados como invertebrados. 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 para dirigir 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 de origen (la célula diana axonal). [6]
Estudios del desarrollo del sistema nervioso central (SNC) en modelos de pollos y roedores han identificado a la proteína netrina-1 como una señal de guía axonal de vertebrados particularmente importante. Lo más significativo es que se observó que las células especializadas de la placa del suelo ubicadas en la línea media ventral del cerebro embrionario secretan netrina-1, lo que resultó en un gradiente de proteína. Este gradiente está más concentrado en la línea media ventral y se vuelve cada vez más difuso a medida que te mueves dorsalmente. Investigaciones adicionales en ratones deficientes en netrina encontraron que cuando la netrina se asocia con el receptor Deleted in Colorectal Cancer (DCC) en el cono de crecimiento axonal se inicia una respuesta atrayente. Esto fue respaldado además por una ausencia observada de desarrollo de la comisura ventral (es decir, cuerpo calloso ) en ratones que carecían de netrina-1 o DCC. Se observaron resultados similares en experimentos con el homólogo de netrina-1 UNC-6 descubierto en C. elegans [9]. La misma expresión temprana y formación de un gradiente de concentración de proteína 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 en la guía de la migración circunferencial inicial de los axones a la línea media ventral y que el receptor UNC-40 media la respuesta atractiva. A medida que más axones 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 dorso-ventral más general de los axones, UNC-6 participa aún más en la dirección de los axones a ubicaciones más específicas. [5] [10]
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 netrina-1 causa la homodimerización de DCC que inicia 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 , lo que se plantea como hipótesis que conduce a un aumento de los 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 fosforilado, lo que induce a la fosfolipasa C (PLC) a aumentar la relación de AMPc a GMPc . Este aumento de AMPc en relación con GMPc activa los canales de Ca 2+ de tipo L, así como los canales de potencial receptor transitorio (TRPC), lo que provoca una afluencia de Ca 2+ extracelular . La evidencia sugiere que este aumento de calcio es responsable de la activación de las GTPasas Rho, 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 descendentes de DCC NcK y la proteína del síndrome de Wiskott-Aldrich WASP desencadenan Rac1 y Cdc42 y, posteriormente, el crecimiento axonal. [11] [12] [13]
Se ha demostrado que tanto el DCC en vertebrados como el 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 línea media ventral analizado anteriormente, la netrina-1 actúa como un quimiorrepelente para los axones de las neuronas motoras trocleares, dirigiendo así su crecimiento dorsalmente (alejándose de la línea media ventral). La inhibición de anticuerpos del DCC en la médula espinal embrionaria de Xenopus inhibió tanto la atracción como la repulsión in vitro. Asimismo, se observaron múltiples defectos en mutantes unc-40 de C. elegans ; sin embargo, los errores en los patrones de migración se vieron afectados más profundamente por mutaciones en el gen unc-5, lo que indica que la unión del homólogo de netrina-1 UNC-6 al receptor UNC-5 por sí solo puede repeler el crecimiento axonal. En los sistemas vertebrados e invertebrados, la quimiorrepulsión 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 en concentraciones más difusas requieren coordinación entre DCC (UNC-40 en C.elegans ) y UNC-5. [5] [14]
Actualmente se plantea la hipótesis de que la quimiorrepulsión de largo alcance implica la iniciación 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-hidroxi-5, 8, 10, 14-eicosatetraenoico), que induce la señalización de cGMP y posteriormente causa una disminución en la relación cAMP/cGMP. La reducción de esta relación inhibe la conductancia de 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 quimiorrepulsión de corto alcance mediante el cual la unión de la netrina-1 a los homodímeros UNC-5 por sí sola induce la fosforilación de tirosina que requiere FAK y Src, lo 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. [15]
Muchos estudios han demostrado que netrina-1 , UNC-40, UNC-6 y UNC-5 están involucrados en la migración de la glía durante la embriogénesis . [16] [17] Durante la fase migratoria en Drosophila melanogaster , la glía periférica embrionaria (ePG) expresa UNC-5. En organismos knock out de UNC-5, la ePG se estanca mientras migra o no logra migrar. [17] La señalización UNC-6 en C. elegans , acoplada con el receptor UNC-40 en las neuronas, promueve la sinaptogénesis y ensambla los extremos gliales alrededor de la sinapsis. [18]
Aunque originalmente se creía que estaba específicamente involucrada en la guía axonal en el sistema nervioso central, nuevas investigaciones han vinculado la netrina con la regulación del cáncer, el desarrollo y la formación de tejido no neuronal y la detección del cáncer y otras enfermedades.
Se ha descubierto que la netrina desempeña un papel clave en el desarrollo y la regulación madurativa de los tejidos fuera del sistema nervioso. Algunos de los tejidos no neuronales implicados incluyen el tejido pulmonar, placentario, vascular, pancreático, muscular y de la glándula mamaria. La netrina contribuye a la morfogénesis tisular controlando la migración celular en desarrollo y la adhesión celular en diferentes órganos. [19]
En las glándulas mamarias en desarrollo, las puntas en crecimiento de la red ductal constan de dos capas formadas 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 de la tapa. Esto permite la adhesión entre las dos capas celulares, lo que es necesario para la morfogénesis adecuada de las yemas terminales (TEB) en las glándulas mamarias. La pérdida del gen que codifica para netrina 1 o neogenina conduce a la formación incorrecta de las (TEB), lo que sugiere que en lugar de actuar como una molécula guía como en los sistemas neuronales, la netrina 1 sirve como un adhesivo en el tejido mamario. [19] [20]
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 , impidiendo que las células de la punta distal expresen DCC y UNC5B. Esto permite el desarrollo normal del pulmón y detiene la sobreramificación y la gemación potencialmente peligrosas. [19]
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. [19] [21]
La netrina se ha considerado una molécula vital para la proliferación de las 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 encontrado en el tejido neuronal. Los estudios han descubierto que estas mismas células de la punta endotelial también expresan UNC5B, a la que la netrina 1 puede unirse, 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 descubierto que la netrina 4 es responsable del crecimiento en el sistema vascular linfático . En general, estos estudios muestran que la regulación de los efectos de la netrina depende del tipo de tejido vascular. Recientemente, la netrina se ha visto implicada en 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. [19] [22]
En los adultos, la netrina está implicada en la regulación del movimiento de las células madre y la inflamación. Se ha descubierto que la netrina 1 inhibe la migración de leucocitos a las zonas inflamadas del cuerpo. Esto proporciona evidencia de que la regulación positiva de la netrina protege el tejido lesionado de la inflamación excesiva. Además, la migración de células progenitoras neuronales adultas y células progenitoras de la médula espinal adultas a la columna vertebral depende de la netrina 1. Se sabe poco sobre el mecanismo que controla la inhibición o atracción de estas células madre. [19] [23]
En varios cánceres humanos, se ha demostrado que la netrina se sobreexpresa. También se ha demostrado que ciertos receptores se regulan a la baja 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 correlacionaron con un gradiente más pequeño de netrina-1. Esto vinculó el papel de la netrina con la muerte y el crecimiento del tejido. El supresor tumoral p53 es responsable de la expresión de netrina-1, lo que implica que la 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 . [24]
Como se ha descubierto que la netrina-1 está regulada positivamente en los tumores, investigaciones recientes han intentado identificar a la netrina-1 como un biomarcador de la aparición del cáncer en el cuerpo humano. Se descubrió que la netrina puede encontrarse en niveles superiores a los normales en el plasma sanguíneo de pacientes que son positivos para cáncer renal, hepático, de próstata, meningioma cerebral, adenoma hipofisario, glioblastoma y cáncer de mama. [25] La netrina-3 parece expresarse específicamente en el neublastoma (un tumor pediátrico) y en el cáncer de pulmón de células pequeñas (SCLC), donde se correlaciona con un mal pronóstico para el paciente. [26]
Todavía quedan muchas preguntas sin respuesta sobre la familia de moléculas netrina. Todavía no se sabe con certeza qué papel desempeñan los homólogos vertebrados de UNC-5 en la quimiorrepulsión . Aunque se sabe mucho sobre la expresión de la netrina durante el desarrollo, todavía se sabe poco sobre su regulación en el desarrollo posterior en el cerebro. Los ratones deficientes en netrina muestran que hay mucho que aprender sobre los numerosos papeles de la netrina en la guía axonal. [27]
Otra línea importante de investigación actual se centra en la netrina como tratamiento para diversas enfermedades, entre ellas el cáncer, el infarto de miocardio y la enfermedad de Alzheimer . En organismos modelo aviares y de ratón que padecen neuroblastoma , la interferencia con el bucle autocrino de la netrina-1 en tumores malignos conduce a la muerte celular. [28] Esto podría conducir a posibles terapias alternativas resultantes de futuros ensayos. También se están investigando tratamientos similares con respecto a la regulación negativa de la netrina-1 para los cánceres de mama y colorrectales metastásicos. [29] Estudios recientes también sugieren que la netrina está involucrada en un papel cardioprotector al liberar gas NO . En ratones, la netrina también se ha asociado con la regulación del péptido (Aβ) , que es responsable de las placas amiloides en la enfermedad de Alzheimer. [30]