Factors de transcripció pancreàtics: des de l'embriogènesis al teixit adult

Mª Angels Ortiz de Juana.

1. Introducció
2. Embriogènesis
3. Gens implicats en el desenvolupament pancreàtic
4. Factors de transcripció presents en la cèl•lula pancreàtica diferenciada
5. Biblioteca

 

1. Introducció

Els nous avenços tecnològics ens poden permetre pensar en la recuperació o regeneració de les cèl·lules Beta pancreàtiques com a tractament per a la Diabetis Mellitus. L'obtenció de cèl·lules Beta a partir de cèl·lules mare o progenitores pot ser una bona estratègia per solucionar els problemes de rebuig i de disponibilitat associats al trasplantament de cèl·lules Beta o illots pancreàtics.

Hi ha moltes dades que ens fan pensar en el gran potencial de les cèl·lules mare i de les cèl·lules progenitores, tot i així, els resultats no són del tot satisfactoris. En els darrers cinc anys ha crescut considerablement l'interès per l'estudi dels mecanismes implicats en el desenvolupament i manteniment del fenotip característic dels diferents tipus cel·lulars que constitueixen el pàncrees (Andrew M. Holland, 2004).

En aquesta revisió intentarem caracteritzar els mecanismes implicats en l'embriogènesi del pàncrees i la seva posterior rellevància en el mantenim fenotípic d'aquest teixit.

2. Embriogènesis

El pàncrees es forma a partir de la cinquena setmana del desenvolupament embrionari, a partir de la part caudal de l'intestí anterior. Per un procés d'evaginació de l'endoderma es formaran els brots dorsal i ventral. Tot i que els gens inductors en ambdós són iguals, en cadascun d'ells tenen efectes diferents, degut a les senyals que reben de les cèl·lules adjacents.

A partir de les invaginacions de l'epiteli pancreàtic es formen branques que acaben donant lloc a estructures tubulars i s'observa la fusió del pàncrees dorsal i ventral. En aquest estadi ja es detecten cèl·lules precursores de les diferents poblacions cel·lulars que formaran la glàndula definitiva, i s'inicía la diferenciació terminal de cadascun dels tipus cel·lulars i la seva agregació per donar lloc a illots, acinis i ductes (Fig. 1) (Seung K Kim, 2002).

Figura 1

Fig. 1. Esquema de la formació del pàncrees publicat a Seung K Kim and Raymond J MacDonald. Current Opinión in Genetics & Development 12:540-547, 2002. L'edat embrionària (E: dia de desenvolupament embrionari) correspon al ratolí i no a humans. Les zones grogues corresponen a les que expressen PDX-1 i les grises a les cel. precursores de les cel. endocrines. Els gens enquadrats en etiquetes negres representen els que adquireixen noves funcions. Les dobles fletxes indiquen la direcció ortogonal de la divisió cel·lular de les cel. precursores dels illots vs. les dels acinis i ductes.

Tots aquests processos implicats en el desenvolupament del pàncrees estan controlats per un nombre important de gens que a la vegada interactuen entre ells i amb altres gens de les cèl·lules adjacents.

3. Gens implicats en el desenvolupament pancreàtic

La revisió de Jan Jensen del 2004 citada a la bibliografia, ens permet la possibilitat d'accedir a un esquema dels principals gens implicats en l'embriogènesis del pàncrees, aportant enllaços a bibliografia relacionada amb els esmentats gens ( http://www.mrw.interscience.wiley.co m /suppmat/1058-8388/suppmat/2004/229_1/v229.page.html ).

Ja des dels primers moments en els que apareixen els brots endodèrmics, comencen a actuar factors de transcripció que es veuran implicats en la regulació de gens específics de teixit en òrgans de l'organisme adult, com pàncrees, fetge, intestí i pulmó (Jan Jensen, 2004).

Tot i que hi ha un nombre important de gens que actuen en el procés de diferenciació del pàncrees, ens centrarem en els dos que sembla que estan més relacionats amb la diabètis: PDX-1 (també nomenat: IPF-1, IDX-1, STF-1) i HNF .

 

4. Factors de transcripció presents en la cèl·lula pancreàtica diferenciada

Pdx-1 (Pancreatic duodenal homeobox-1) pot ser considerat com el gen amb més rellevància en la formació del pàncrees. En l'humà es troba en el cromosoma 13. Va ser el primer gen que es va descriure com a necessari en la formació del pàncrees tant en el ratolí com en l'humà, èssent un element “ A1-binding-protein ” del promotor de la insulina. És un dels primers gens que s'expressen en el territori que donarà lloc al pàncrees, tot i que és capaç d'iniciar la morfogènesis, no és suficient per completar la diferenciació terminal de les cèl·lules endocrines i exocrines.

L'expressió de Pdx-1 és homogènia en les cèl·lules precursores de tots els llinatges presents en el pàncrees, però a mesura que avança el procés de diferenciació només es manté a nivells importants a cèl·lula b i alguna subpoblació de cèl·lula d . Les cèl·lules exocrines i les ductals expressen Pdx-1 a nivells molt baixos, tot i que s'ha descrit una subpoblació de cèl·lules ductals pluripotents que l'expressen a nivells importants (Grapin-Botton A, 2001).

El Pdx-1 també té un paper rellevant en el metabolisme de la cèl·lula b adulta, regulant l'expressió de diferents gens (insulina, IAPP, glucoquinasa, GLUT2 i FGFR1), així com alguns gens mitocondrials.

Hi ha tota una sèrie de dades que ens fan pensar la implicació de Pdx-1 en la patologia diabètica: heterozigots amb mutacions en el gen Pdx-1 presenten un fenotip diabètic (MODY 4 i alguns pacients amb diabètis tipus 2 esporàdica). S'han trobat mutacions en parents propers de pacients diabètics responsables d'una disminució en la secreció d'insulina depenent de glucosa i una major predisposició a desenvolupar diabetis (David Q. Shih, 2001). Hi ha dades, tant in vivo com in vitro que indiquen una progressiva disminució de Pdx-1 en paral·lel a la progressió de la diabètis i el tractament amb antioxidants recupera, parcialment la seva expressió (Gil Leibowitz, 2001).

Tot i que els nivells de Pdx-1 en les cèl·lules acinars és més baix que en la cèl·lula b , Beta, també és important pel manteniment del seu fenotip, ja que s'ha vist que regulen l'expressió de diferents gens específics de cèl·lules acinars.

Pbx-1 és un membre de la família TALE que modula l'expressió de Pdx-1 i li confereix especificitat d'unió formant heterodímers. L'activitat diferencial de Pdx-1 en cèl·lules endocrines i exocrines podria estar determinada pel complex Pdx-1/Pbx-1.

El Pbx-1 també és important en el procés d'embriogènesis del pàncrees, hi ha resultats que semblen indicar que part de les seves funcions no són dependents de Pdx-1. La funció de Pdx-1 en forma monomèrica o heterodimèrica és diferent.

En els illots adults, Pdx-1 també esta regulat per un grup de factors de transcripció descrits en fetge coneguts com HNF (hepatocyte nuclear factor): HNF-1 a , HNF-4 a i HNF-3 b .

Tant in vivo com in vitro s'ha vist que la cèl·lula Beta sotmesa a altes concentracions de glucosa presenta una menor expressió del gen d'insulina acompanyada d'una disminució en els nivells de Pdx-1. Els nivells de glucosa són capaços de modificar la localització nuclear o citoplasmàtica de Pdx-1, i altes concentracions de glucosa provoquen un increment de Pdx-1 nuclear provinent de la zona perinuclear. La translocació nuclear dependent d'estímuls és un bon mecanisme de regulació de l'activitat dels factors de transcripció.

La presència de radicals lliures també disminueix l'expressió de Pdx-1, disminució que pot revertir-se amb diversos antioxidants. En animals diabètics s'ha vist que hi ha un increment de Pdx-1 citoplasmàtic que és parcialment traslocat al núcli , després de l'administració d'antioxidants. S'ha descrit que la translocació nuclear es fa a través de la via c-Jun NH2-terminal kinase (JNK) i s'ha identificat una de les seqüències de residus hidrofòbics riques en leucina (NES) que és activada per radicals lliures. Una de les proteïnes transportadores (CRM1) s'uneix a NES i transporta la proteïna diana des del nucli al citoplasma (Dan Kawamori, 2003).

Les dades de les que disposem indiquen que la regulació de Pdx-1 és tant a nivell transcripcional com post-transcripcional. També s'ha observat l'autoregulació del propi gen, així doncs una davallada en els nivells nuclears de Pdx-1 provoquen una disminució de la transcripció del gen que comporta una menor activitat com a resposta a una reducció de la quantitat total de Pdx-1 expressat en les cèl·lules.

Totes les dades que tenim sobre Pdx-1 indiquen que és un gen important en l'embriologia del pàncrees, així com pel bon funcionament de la cèl·lula Beta. També hi ha estudis en rata i ratolí que indiquen la seva importància en el procés de regeneració en animals als que s'ha pràcticat una pancreatectomia i en animals tractats amb estreptozotocina, observant-se una inducció de l'expressió de Pdx-1 en les cèl·lules ductals durant la regeneració de les cèl·lules Beta pancreàtiques.

Les cèl·lules ductals que expressen Pdx-1 no només són capaces de regenerar les cèl·lules Beta, si no que també es diferencien a cèl·lules acinars després d'una pancreatitis necrotitzant durant la qual es perd massa acinar (Masashi Taguchi, 2002). Aquests resultats indiquen que el procés de regeneració segueix un patró similar al d'embriogènesis, cal recordar que durant la formació del pàncrees pàncreas tots els llinatges cel·lulars expressen Pdx-1 en les primeres etapes del desenvolupament.

HNF (hepatocyte nuclear factor) . S'ha descrit una sèrie de factors de transcripció hepàtics (HNF) que regulen els principals gens específics de fetge en el teixit diferenciat, a més a més aquests factors estan integrats en una xarxa de reguladors que dirigeixen el procés d'embriogènesis en el fetge. Més recentment també s'ha vist que intervenen en el desenvolupament d'altres òrgans d'origen endodèrmic com el pàncrees (figura 2). pàncreas (figura 2).

Tot i que intervenen diferents HNF en el procés de diferenciació pancreàtica, els que han estat més estudiats en el pàncrees pàncreas adult són HNF-1 a i HNF-1 b i en menor grau HNF-3 b , HNF-4 a i HNF-6 (figura 2) .

HNF-1 a i HNF-1 b són dos membres de la mateixa família i presenten una alta homologia en el lloc d'unió a DNA. Reconeixen, de fet, la mateixa seqüència de DNA i són capaços d'unir-se al DNA en forma d'heterodímers o homodímers, i s'expressen en fetge, ronyó, intestí prim, pàncrees pàncreas i teixit genitourinari. Són factors de transcripció que regulen l'expressió de bastants gens importants dels diferents teixits en els que s'expressen.

Hi ha una important interrelació entre ells, de tal manera que gens activats per HNF-1 a poden ser activats també per HNF-1 b o bé HNF-1 b pot estar inhibint l'activació deguda a HNF-1 a (Divine, 2003).

Sembla que tots els HNF estarien interrelacionats de forma jerarquitzada com s'ha vist en el cas del fetge, per exemple el promotor de HNF-4 a presenta llocs d'unió per HNF-1 a , HNF-1 b , HNF-3 b , i HNF-6, a la vegada aquests factors de transcripció intervenen en la regulació de Pdx-1 en cèl·lules Beta pancreàtiques adultes. Cada factor de transcripció pot activar un gen a través d'un altre factor i/o activar el seu propi gen. La pèrdua d'un factor de transcripció pot provocar alteracions degudes a la manca d'activació d'altres factors que contribueixen a l'activació de gens importants en la diferenciació o manteniment fenotípic d'un tipus cel·lular concret.

Una de les formes en les que es manifesta la diabetis coneguda com MODY, una forma monogènica de diabetis tipus 2 autosòmica dominant, es manifesta és degut bàsicament com a una alteració en la secreció d'insulina, habitualment sense resistència a la insulina, i el debut es situa entre els 10 i els 60 anys d'edat. Els diferents fenotips observats corresponen, bàsicament a mutacions en factors de transcripció considerats fonamentals en el desenvolupament endodèrmic, tot i que no se sap exactament, quines són les vies d'acció a través de les quals els factors de transcripció desencadenen el fenotip MODY. Mutacions en HNF-4 a , HNF-1 a i HNF-1 b donen lloc a MODY1, MODY3 i MODY5 respectivament. La interacció entre els factors de transcripció responsables de les diferents formes de MODY implicaria una xarxa de reguladors comú a totes elles.

La forma MODY3 és la més freqüent en diferents països, és deguda a la pèrdua d'activitat d'un dels al·lels de HNF-1 a que provoca una disfunció renal i l'alteració de la cèl·lula Beta pancreàtica. Un 67 % de les 80 mutacions descrites són missense (amb canvi de sentit), hi ha altres mutacions que donen lloc a proteïnes truncades o a pèrdua de potencial de transactivació. També s'ha trobat una mutació en HNF-1 a autosòmica dominant considerada un factor de risc per desenvolupar diabetis tipus 2.

El HNF-1 a s'expressa en fetge i pàncrees, pàncreas, malgrat tot la forma MODY3 es caracteritza per no presentar afectació hepàtica, l'alteració de la cèl·lula b pancreàtica comporta una disminució en la secreció d'insulina tant en resposta a glucosa com a arginina, fins i tot aquesta alteració es detecta en els portadors no diabètics. Les mutacions lligades a MODY3 es troben a diferents dominis funcionals de la proteïna de HNF-1 a i en la regió del promotor del gen.

Els mecanismes moleculars que donen lloc al fenotip MODY3 no estan clarament definits, sembla ser que implicarien accions negatives dominants i d'haploinsuficiència (la proteïna produïda per una sola copia del gen normal no és suficient per garantir la funció normal).

Resultats obtinguts amb models experimentals semblen indicar que HNF-1 a pot jugar un paper important en la regulació del metabolisme mitocondrial, però també regula gens que actuen en el transport de glucosa i en la glicòlisi (Fig. 3).

En el fetge adult tots aquests factors hepàtics estan integrats en una xarxa en la que cadascun dels HNF ocupa una posició jerarquitzada. El HNF-4 a estaria regulant els mateixos punts que HNF-1 a . Al mateix temps hi ha dades que indiquen que HNF-4 a és un regulador upstream de HNF-1 a , igual que esta descrit en fetge, a la vegada el HNF-1 a regula a HNF-4 a . Totes aquestes dades semblen indicar que a pàncrees també hi ha una xarxa complexa de factors de transcripció que es regulen mútuament (Wang, 2002).

Figura 3

Fig. 3. En aquest esquema en el que es resumeixen les principals vies implicades en la gluconeogènesis i la seva relació amb el metabolisme mitocondrial i la síntesi d'insulina, es pot veure que la l'expressió del gen d'insulina esta regulada per HNF-1 a , HNF-4 a i PDX-1. HNF-1 a i HNF-4 a regulen la coordinació entre metabolisme-secreció i generació d'ATP i el PDX-1 actua en el procés d'exocitosi de la insulina (Wang, 2002).

 

S'han descrit diferents vies de regulació que actuen en el pàncrees, però encara es desconeixen molts dels mecanismes moleculars implicats. Actualment, disposem de models experimentals que ens poden ajudar a compendre la complexitat i el grau d'interrelació entre els diferents factors de transcripció que regulen tant el procés d'embriogènesis com el bon funcionament del pàncrees pàncreas en l'adult. Les dades obtingudes per diferents autors indiquen que aquestes xarxes de diferents reguladors descrites actuarien en processos de regeneració. Les noves aportacions en el camp de l'embriologia ens poden ser de gran utilitat tant en la inducció d'un procés de regeneració com per forçar la diferenciació cap a cèl·lules Beta pancreàtiques a partir de cèl·lules mare o progenitores.

5. BIBLIOGRAFÍA

1.- Andrew M. Holland, L. Jorge Góñez, Leonard C. Harrison. Progenitor cells in adult pancreas.Diabetes Metab Res Rev 20: 13–27, 2004.

2.- Dan Kawamori, Yoshitaka Kajimoto, Hideaki Kaneto, Yutaka Umayahara, Yoshio Fujitani, Takeshi Miyatsuka, Hirotaka Watada, Ingo B. Leibiger, Yoshimitsu Yamasaki and Masatsugu Hori. Oxidative Stress Induces Nucleo-Cytoplasmic Translocation of Pancreatic Transcription Factor PDX-1 Through Activation of c-Jun NH2-terminal Kinase. Diabetes 52:2896–2904, 2003.

3.- David Q. Shih and Markus Stoffel. Dissecting the transcriptional network of pancreatic islets during development and differentiation. PNAS 4: 98, 25: 14189-14191, 2001.

Divine JK, McCaul SP, Simon TC. HNF-1alpha and endodermal transcription factors cooperatively activate Fabpl: MODY3 mutations abrogate cooperativity. Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol. Jul; 285(1):G62-72, 2003.

4.- Gil Leibowitz, Sarah Ferber, Åsa Apelqvist, Helena Edlund, David J. Gross, Erol Cerasi, Danielle Melloul, and Nurit Kaiser. IPF1/PDX1 Deficiency and b -Cell Dysfunction in Psammomys obesus, an Animal With Type 2 Diabetes. Diabetes 50:1799–1806, 2001.

5.- Grapin-Botton A, Majithia AR, Melton DA. Key events of pancreas formation are triggered in gut endoderm by ectopic expression of pancreatic regulatory genes. Genes Dev. Feb 15;15(4):444-54, 2001.

6.-Haiyan Wang, Kerstin Hagenfeldt-Johansson, Luc A. Otten, Benoit R. Gauthier, Pedro L. Herrera, and Claes B. Wollheim. Experimental Models of Transcription Factor–Associated Maturity-Onset Diabetes of the Young. Diabetes 51 (Suppl. 3):S333–S342, 2002.

7.-Jan Jensen. Gene regulatory factors in pancreatic development. Developmental dynamics 229: 176-220, 2004.

8.- Masashi Taguchi, Taizo Yamaguchi and Makoto Otsuki. Induction of PDX-1-positive cells in the main duct during regeneration after acute necrotizing pancreatitis in rats. J Pathol 197: 638–646, 2002.

9.- Seung K Kim and Raymond J MacDonald. Signaling and transcriptional control of pancreatic organogenesis. Current Opinión in Genetics & Development 12:540-547, 2002.