Proteomica osteoinmunologia

1. Osteoinmunología Profesor. Dr Juan Carlos Munévar N Residente: Dr. Ricardo Yépez

2. Contenidos Genómica ósea BMPs Proteómica ósea Conclusiones

3. Generalidades – La integridad ósea se mantiene por un proceso dinámico de resorción y formación ósea “Remodelado óseo” • Osteoclasto única célula cuya función es destrucción continua de lo propio Zhang et al. Expert Rev Proteomics. 2010:7;103-111.

4. Osteopetrosis (pérdida) Osteoclasto Osteoporis (resorción>remodelado) Osteoblasto Otoesclerosis (ganancia) Karsenty, Gerard. Genes & Development. 1999:3037-3051.

5. Vía OPG/RANK/RANKL diferenciación osteoclástica GC glucorticoides Zhang et al. Expert Rev Proteomics. 2010:7;103-111.

6. Osterix y Runx2 y diferenciación osteoblástica SP7 Zhang et al. Expert Rev Proteomics. 2010:7;103-111.

7. Regulación osteoclástica – Derivado monocitos – Célula gigante multinucleada – En contacto con superficies óseas calcificadas Karsenty, Gerard. Genes & Development. 1999:3037-3051.

8. Regulación osteoclástica – Factores de transcripción involucrados • Pu.1 • C-fos • NF B – Tiene motif de unión a DNA – Dímero de varias proteínas Karsenty, Gerard. Genes & Development. 1999:3037-3051.

9. Control genético diferenciación osteoclástica Célula precursora mieloide PU.1 c-Fos M-CSF Progenitor osteoclástico Monocito/macrófago NF RANK c-Fos RANKL/ODF mi OPG/OCIF Osteoclasto funcional ESTADO FUNCIONAL c-Src, c-Cbl, Pyk2, catepsina K ODF osteoclast differentiation factor OCIF osteoclastogenesis inhibitory factor Karsenty, Gerard. Genes & Development. 1999:3037-3051.

10. Regulación de la maduración y función osteoclástica Karsenty, Gerard. Genes & Development. 1999:3037-3051.

11. Regulación osteoblástica – Origen mesenquimal – “Fibroblasto sofisticado” – Función • Formación ósea – Deposito de matriz ósea • Crecimiento longitudinal óseo Karsenty, Gerard. Genes & Development. 1999:3037-3051.

12. Regulación osteoblástica – Genes • Cbfa1 (papel central) / Runx2 – Diferenciación osteoblástica y depósito de matriz ósea – Master gene • Ihh (Indian hedge-hog) • BMP (bone morphogenetic protein) – Familia de TGF • Bone sialoprotein • Osteocalcina Karsenty, Gerard. Genes & Development. 1999:3037-3051.

13. Control genético diferenciación osteoblástica Célula precursora mesenquimal Cel. Precursora Osteo-condro RUNX2 Ihh Progenitor osteoblástico Progenitor osteoblástico Condrocito Osteoblasto funcional RUNX2 Osteoblasto funcional Osificación intramembranosa Osificación endocondral Karsenty, Gerard. Genes & Development. 1999:3037-3051.

14. Regulación endocrina – Hueso reservorio del 99% de calcio sérico – Hipercalcemiantes • PTH – Favorece recambio óseo y limita volumen óseo • Vitamina D3 (1,25(OH)2) – Favorece absorción intestinal de Ca – Inhibidor de diferenciación osteoblástica – Su falta = raquitismo (reversible) • PTHrP (related peptide) – Ligando que controla diferenciación condrocito – Hipocalcemiantes Karsenty, Gerard. Genes & Development. 1999:3037-3051.

15. Regulación endocrina – Hormonal • Estrógenos – Importante para prevención de osteoporosis – No se conoce receptor de estrógenos en osteoblasatos u osteoclastos – Receptor intracitoplasmático Karsenty, Gerard. Genes & Development. 1999:3037-3051.

16. Análisis genético de función esquelética – Otras funciones células esqueleto • Crecimiento óseo • Mineralización ósea • Remodelamiento óseo Karsenty, Gerard. Genes & Development. 1999:3037-3051.

17. Crecimiento longitudinal – Espículas óseas en metáfisis • Condrocito • Osteoblasto – Crecen y funcionan como gato hidráulico para mover la placa de crecimiento de manera centrífuga Karsenty, Gerard. Genes & Development. 1999:3037-3051.

18. Mineralización ósea – Bone sialoprotein y osteopontina son insuficientes para mineralización ósea – Calcio y fosforo pueden precipitarse de manera pasiva sobre el colágeno (Glimcher), elastina y fibronectina • MGP (Matriz GLA protein) – Presente en matríz extracelular de arterias y cartílago pero no en hueso – Su deleción en murinos lleva a clasificación masiva Karsenty, Gerard. Genes & Development. 1999:3037-3051.

19. Matriz extracelular – Proteínas colágeno y no colágeno – Osteocalcina • Proteína específica del osteoblasto – Osteopontina • Puente entre la superficie y los cristales de hidroxiapatita • Motivo RGD unión integrina osteoblastos Karsenty, Gerard. Genes & Development. 1999:3037-3051.

20. Condrocito hipertrófico Resorción Osteoblasto MMP9 Formación Condroclasto Célula endotelial Vascularización VEGF Matriz de cartílago Receptor VEGF Matriz reabsorbida Vaso sanguíneo Matriz ósea Papel del VEGF en el control del crecimiento longitudinal

21. Historia – Descrita inicialmente como moléculas que inducían formación de cartílago y hueso ectópico en murinos • Altamente conservada entre especies animales Bubnoff, A et al. Developmental Biology. 2001;14:1-14.

22. Estudio experimental modelo murino Urist 1971 OC osteocito NB nueva matriz ósea calcificada NC nueva matriz ósea no calcificada OM vieja matriz ósea con depósitos de minerales en contacto con hueso nuevo

23. Generalidades – BMPs (Bone morphogenetic proteins) • Factores de crecimiento. Peso 30.000 Da • Moléculas de señalización con acción local en células diana que afectan su sobrevida, proliferación y diferenciación • Miembro de la familia TFG – Exepto BMP 1 (MPP) Rosen, Vicki. Annals of the New York Academy of Sciences. 2006;1068:19-25.

24. BMPs (Bone morphogenetic proteins) • Acción sobre varios tipos de células – Capacidad de inducción de formación de » HUESO, CARTILAGO, TEJIDO CONJUNTIVO • Aislada en más de 40 tejidos diferentes • BMP-1 a BMP-7 propiedades osteoinductivas Rosen, Vicki. Annals of the New York Academy of Sciences. 2006;1068:19-25.

25. BMPs y la diferenciación osteoblástica

26. BMPs BMPRs Proteínas Smad 1,5, 8 Patrones: corazón, sistema nervioso, cartílago, hueso y esqueleto Dental, hematopoyético, anexos, m etabolismo hierro, hemostasia vascular http://es.wikipedia.org/wiki/Prote%C3%ADna_morfog%C3%A9nica_%C3%B3sea_(BMP)

27. Función – Diferenciación celular – Sobrevida celular – Proliferación celular – Apoptosis – Interacción con células mesenquimales epiteliales Rosen, Vicki. Annals of the New York Academy of Sciences. 2006;1068:19-25.

28. Función – Patterning (determinación de patrones) • Dorsal – ventral (mesodermo embrionario temprano) • Desarrollo de extremidades • Generación de – Células germinales primordiales – Desarrollo dental – Regulación de apoptosis Bubnoff, A et al. Developmental Biology. 2001;14:1-14.

29. BMPs en esqueletogénesis – Papel importante en redes de señalización – Diferenciación osteoblasto y condrocito – Formación ósea – Patterning de mesodermo – Desarrollo craneofacial y de extremidades

30. BMPs – Diferentes destinos • Acción local • Unirse a antagonistas extracelulares • Interactuar con proteínas de matriz extracelular – Secuestran o incrementan actividad BMP Rosen, Vicki. Annals of the New York Academy of Sciences. 2006;1068:19-25.

31. Receptor BMP – Tipo serina-treonina cinasa • Tipo I – Alk3 – Alk6 – Alk2 • Tipo II – Se requieren de los dos receptores para la trasducción de la señal Rosen, Vicki. Annals of the New York Academy of Sciences. 2006;1068:19-25.

32. Vía de señalización – Tipo serine-teonina kinasa • Tipo I – Al activarse reconocen y forforilan R-Smads (receptor- regulated Smads) – Traslocación complejo R-Smad/Smad4 – Proteínas Smads y reguladores son importantes para la especificidad de la respuesta Rosen, Vicki. Annals of the New York Academy of Sciences. 2006;1068:19-25.

33. Señalización BMP por vía Smad hacia núcleo

34. Vía BMP-Smad canónica y BMP-MAPK MAPK (Mitogen-activated protein kinase) Fosforilación Receptor tipo I Bubnoff, A. et al. Developmental Biology. 2001;14:1-14.

35. Vía BMP-Smad y factores nucleares Bubnoff, A. et al. Developmental Biology. 2001;14:1-14.

36. Vía de señalización – Interrelación con otras vías de señalización • Wnt/b-Catenina – Glicoproteinas secretadas • Ca2+/calmodulina – Principal receptor intracelular de Ca2+ • Wnt/Ca2+ • Erk-MAPK – Media los efectos de algunos receptores tirosin quinasa • JAK-STAT – “Fast track” como en Smads Rosen, Vicki. Annals of the New York Academy of Sciences. 2006;1068:19-25.

37. Antagonistas BMPs – BMP pro regiones que se unen a BMP maduro creando molécula inactiva – Ligandos antagonistas que se unen a BMP y lo secuestran • Noggin, gremlin, folistatin, cordina, cerberus – Receptores antagonistas que previenen unión a BMP Rosen, Vicki. Annals of the New York Academy of Sciences. 2006;1068:19-25.

38. Inhibidores BMPs – BAMBI • Activin membrane bound inhibitor • Secuencias similares a TGF- – Falta dominio intraceular kinasa – I-Smads • Inhibitory Smads (I-Smads) • Incluye Smad6, Smad7 Bubnoff, A et al. Developmental Biology. 2001;14:1-14.

39. Antagonistas BMPs – SMURFS • Smurf1 (Smad ubiquitination regulatory factor-1) • Famila clase HECT (homologus to E6-associated protein C terminus) de E3 utibuitina ligasa – Ski • Co represor transcripcional de señalización BMP-Smad en el núcleo • Producto de oncogen retroviral (v-ski) Bubnoff, A et al. Developmental Biology. 2001;14:1-14.

40. Antagonistas BMPs – Tob • Suprimen crecimiento celular cuando se sobre expresa en células NIH3T3 – Zinc finger protein OAZ (Olf-1/EBF associated zinc finger) • Cofactor de unión al DNA asociado directamente con dominio MH2 de Smad1 in vitro Rosen, Vicki. Annals of the New York Academy of Sciences. 2006;1068:19-25.

41. I-Smads vía de inhibición

42. BMPs aproximación a reumatología – BMPs tienen papel diferente de acuerdo a la patología • BMP7 puede inducir protección al cartílago • Inhibición de BMP puede ser útil para limitar la progresión del daño articular en espondilitis anquilosante • Opción terapéutica llamativa en osteoartritis

43. BMPs como moléculas de protección del cartílago. Inyección intra articular BMP2 induce anabolismo y formación de osteofitos, BMP7 no induce osteofitos. Alta expresión de GDF5 se asocia a incidencia disminuida de OA Gen de susceptibilidad para OA Modelos murinos

44. Remodelación ósea en artritis. BMPs inhibido por noggin tiene papel en la formación de la entesopatía. TGF estimula la formación de osteofitos. Inhibición de Dickkopf-1 (DKK1) estimula la formación de osteofitos.

45. Definición – PROTEÓMICA • Análisis de la expresión de proteínas a nivel post transcripcional • Cambio constante de acuerdo a las interacciones bioquímicas con el genoma y medio ambiente • Muy diversa – Splicing – Modificaciones post transcripcionales de las proteínas Zhang et al. Expert Rev Proteomics. 2010:7;103-111.

46. Nuevas técnicas en estudio de proteínas – Electroforesis de dos dimensiones 2DE – Cromatografía líquida – Espectometría en masas • Isotype-labeled • Labeled-free Zhang et al. Expert Rev Proteomics. 2010:7;103-111.

47. Papel en osteoinmunología – Estudio de biomarcadores – Estudio de señalización intracelular Zhang et al. Expert Rev Proteomics. 2010:7;103-111.

48. Proteómica en enfermedad ósea – Estudios in vitro – Aproximación sistemática de mapeo cualitativo y cuantitativo de un proteoma completo en estudios de gran escala • 2DE más MS • Expresión de perfiles normal contra estados patológicos • Patologías – Sarcoma óseo, osteoartritis, osteonecrosis de cabeza femoral – Compararlo con tejidos normales Zhang et al. Expert Rev Proteomics. 2010:7;103-111.

49. Zhang et al. Expert Rev Proteomics. 2010:7;103-111.

52. Células mesenquimales y osteoblastos – Ostoclastos • Células madre hematopoiéticas – Monocitos • Resorción ósea – Osteoblastos • Células mesenquimales pluripotenciales • Formación ósea Zhang et al. Expert Rev Proteomics. 2010:7;103-111.

53. Células mesenquimales y osteoblastos – Proteínas asociadas • Sobre expresión – Calmodulina – Proteína del complejo T subunidad 1 • Expresión disminuida – Receptor de mineralocorticoides Zhang et al. Expert Rev Proteomics. 2010:7;103-111.

56. Proteómica de osteoclastos – Células resortivas de la familia monocito- macrófago – Proteína de membrana • Nheddc2; proteína de canal intercambiador Na+/H+ – Estimuladas por • Osteoblastos • M-CSF • RANKL Zhang et al. Expert Rev Proteomics. 2010:7;103-111.

57. Proteómica de osteoclastos – Expresa proteínas para la diferenciación a osteoclasto • Catepsina • Osteopontina • Legumaina • Proteína inflamatoria 1 Zhang et al. Expert Rev Proteomics. 2010:7;103-111.

58. Proteómica de osteoclastos – Entender la vía de señalización OPG/RANKL/RANK puede suministrar dianas terapéuticas para el tratamiento de enfermedades óseas Zhang et al. Expert Rev Proteomics. 2010:7;103-111.

62. Aplicaciones – Proteómica útil en la determinación dinámica de la expresión de proteínas en patologías • Osteoporosis • Recambio óseo • Señalización intracelular Zhang et al. Expert Rev Proteomics. 2010:7;103-111.

63. Aplicaciones – Aproximación cuantitativa de marcador de osteoclastos • Vacuolar • H-ATPasa • Catepsina K • Marcador de maduración – Gelsolina – arp 2/3 Zhang et al. Expert Rev Proteomics. 2010:7;103-111.

64. Aplicaciones – Células mesenquimales sobre expresan • Calmodulina • Proteína 1 a complejo T • Tropomiosina • Asociadas con ciclo y proliferación celular Zhang et al. Expert Rev Proteomics. 2010:7;103-111.

65. Conclusiones Existe una variada cantidad de genes involucrados con la biología ósea Proteómica como herramienta de nueva generación para diagnóstico y tratamiento de enfermedades óseas

66. Conclusiones BMP como moléculas de señalización que afectan la sobrevida, proliferación y diferenciación de varios tipos celulares BMP como miembro de la familia TFG BMP importante en la determinación de patrones y en embriogénesis BMP importante en la diferenciación del osteoblasto y condrocito, y en el desarrollo craneofacial y de extremidades BMP tiene múltiples vías de regulación

67. Bibliografía • Karsenty, Gerard. “The genetic transformation of bone biology The genetic transformation of bone biology.” Genes & Development. 1999:3037-3051. • Zhang, Hengwei, Robert Recker, Paul Lee Wai-Nang, and Gary guishan Xiao. “Proteomics in bone research.” Expert Rev Proteomics. 2010:7;103- 111. • Rosen, Vicki. “BMP and BMP inhibitors in bone.” Annals of the New York Academy of Sciences. 2006;1068:19-25. • Bubnoff, Andreas Von, and Ken W Y Cho. “Intracellular BMP Signaling Regulation in Vertebrates : Pathway or Network ?” Developmental Biology. 2001;14:1-14.

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