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Introducción
Klotho es una proteína transmembrana de un solo paso que consta de 1012 aminoácidos y se expresa fuerte y débilmente en células epiteliales tubulares renales distales y proximales, respectivamente 1. Existen cuatro grupos de proteínas Klotho que comparten una homología significativa: αKlotho, βKlotho, proteína relacionada con Klotho (KLrP) (una proteína citosólica β glucocerebrosidasa posiblemente implicada en la patogénesis de la enfermedad de Gaucher) y KLPH (Klotho lactase-phlorizin hydrolase, también llamado γKlotho), expresado en tejido adiposo, riñones, ojo y piel 1,2.
Revisión
El gen αKlotho se expresa abundantemente en riñones, glándulas paratiroides, plexo coroideo, así como en la corteza cerebral, la médula espinal, el cerebelo, el hipotálamo, la hipófisis, las glándulas paratiroides, el ovario, los testículos, las células epiteliales del seno, la placenta, el páncreas, el oído interno, las células del músculo liso vascular (Figura 1) o el intestino 3-4. Esto genera dos transcripciones de ARNm diferentes. La transcripción de ARNm 1 construye una proteína transmembrana de 1012 aminoácidos con una secuencia c-terminal intracelular, un dominio transmembrana y, en gran parte, extracelular que contiene dos dominios diferentes, el proximal, el dominio KL-1 y el dominio terminal KL-2. En el ARNm 2 la variante de empalme genera una molécula soluble de 65-70 kDa compuesta solo de una porción c-terminal y un dominio KL 1,3.
Fuente:
Figura 1 Efectos vasculoprotectores de Klotho. La presencia de Klotho puede ejercer protección pleiotrópica. Efectos contra los cambios arteriales asociados con la edad, VSMC, células musculares lisas vasculares.
Para la presente revisión se realizó una búsqueda bibliográfica en el motor de búsqueda Scopus y Medline/PubMed; se tienen en cuenta únicamente publicaciones de los últimos cinco años, incluidas siete publicaciones del 2006,2010,2011,2012,2013 y 2014, en las que se mencionan, describen y correlacionan con otras enfermedades infecciosas, metabólicas, endocrinas, neuroendócrinas, reumatológicas e inmunológicas las distintas acciones de la proteína Klotho.
Genética
La expresión génica se encuentra regulada por alteraciones epigenéticas, incluida la modificación de histonas, la metilación del ADN y la expresión de microARN (miARN). Entre estos, miRNAS, que son ARN pequeños, endógenos, no codificantes y monocatenarios de 21-25 nucleótidos; desempeñan un papel importante en la represión de la expresión génica postranscripcional al unirse a treinta sitios dentro de la región no traducida (30-UTR) de un gen objetivo ARNm 2,4,5.
Funciones
Klotho exhibe múltiples funciones, además de la excreción de fosfato. Entre estas se incluye la mejora del estrés oxidativo y la inhibición de vías de señalización del factor de crecimiento de insulina, Wnt/β-catenina, la transformación del factor de crecimiento-β1 (FG β1) y el objetivo mecanicista de la señalización de rapamicina 5,7-9.
Estrés oxidativo
Varios estudios han descrito la participación del estrés oxidativo en el desarrollo de diversas enfermedades renales, como, por ejemplo, la enfermedad renal diabética (ERD) y la lesión renal aguda (AKI). Sin embargo, en el ensayo Beacon (Evaluación de metil bardoxolona en pacientes con enfermedad renal crónica y diabetes mellitus tipo 2: la aparición de eventos renales) un defecto en la expresión del gen Klotho en ratones acelera la degeneración de múltiples rasgos sensibles a la edad, de modo que muestra cómo la sobreexpresión de Klotho en ratones extiende la vida 2,8-11.
Factor de crecimiento de fibroblastos (FGF)
Las estructuras cristalinas de αKlotho y βKlotho tienen estudios estructurales de factor de crecimiento de fibroblastos 23 (FGF23) cocristalizado con αKlotho soluble (es decir, el dominio extracelular de αKlotho) y el dominio de unión al ligando FGFR1c20. Los estudios revelaron que αKlotho extiende un largo hilo, denominado “el brazo de unión”, al receptor (RBA: receptor binding arm), que interactúa directamente con FGFR1c. FGF23 encaja en una ranura que es creada entre αKlotho y FGFR1C, con el FGF23 N terminal orientado hacia FGFR1 y el c terminal orientado hacia αKlotho. Los resultados estructurales confirman que los dos componentes del complejo receptor interactúan con distintas regiones del ligando y, de este modo, aclaran la función de αKlotho como el correceptor obligado para FGF23C. Aunque su afinidad por el FGF23 es baja, el heparan sulfato interactúa con FGFR1 y FGF23 8,12-14.
βKlotho ha sido cristalizado con y sin FGF21. De manera similar a la interacción de αKlotho con FGF23, βKlotho interactúa directamente con el término c de FGF21 5,15-18; sin embargo, no se pudo resolver la estructura de algunas regiones de este complejo, incluida la RBA de αKlotho 19-23.
Dado el papel de los FGF endocrinos en un rango de respuestas fisiológicas, incluidos minerales y energía metabólica, respuestas al estrés y trastornos relacionados con el envejecimiento, agonistas y antagonistas de estas hormonas son posibles candidatos terapéuticos para diversos trastornos. Los datos estructurales obtenidos para la endocrina espera que los FGF y las proteínas Klotho se aceleren 18.
El desarrollo de estos experimentos en ratones sugieren que la conservación de sodio y la actividad conservadora de calcio de FGF23 podría ser de relevancia fisiológica 22,24-27. El equilibrio es su función principal. Cabe destacar que la actividad de conservación de sodio del FGF23 podría contribuir, en parte, a su capacidad de aumentar la excreción de fosfato por nefrona, porque la expansión del volumen per se (logrado por sodio reabsorción) puede suprimir la reabsorción de fosfato en túbulos proximales 25,28-31.
Regulación de la expresión de FGF23 Y αKlotho
El mecanismo por el cual los osteocitos producen FGF23 en respuesta al fosfato es desconocido. Una posibilidad es que los osteocitos expresan una supuesta “detección de fosfato receptor” que, cuando se activa, induce la secreción de FGF23, análogo a como las células paratiroideas expresan un receptor sensible al calcio, el cual se activa por aumentos de los niveles de calcio en suero y suprime la secreción de paratohormona (PTH) 5-10. Sin embargo, los niveles séricos de FGF23 se correlacionan no solo con niveles de fosfato sérico, sino también con calcio sérico niveles. De hecho, en condiciones de hipocalcemia, un aumento en los niveles de fosfato en suero no conduce a un aumento en niveles de FGF23 25,30,32-34. Del mismo modo, los niveles de FGF23 no aumentan en respuesta a aumentos en los niveles de calcio en suero en condiciones de hipofosfatemia, lo cual indica que ambos requieren calcio y fosfato para estimular el FGF23 secreción por osteocitos 37-41.
Klotho-inflamación
Las citocinas también inducen la secreción de hepcidina en el hígado. La hepcidina es una hormona que reduce el hierro circulante y causa deficiencia funcional de hierro cuando se presenta en niveles anormalmente altos. A diferencia de la aldosterona, el hierro es un regulador negativo de los niveles de FGF23, y la deficiencia de hierro aumenta la producción de FGF23 38,42-43.
El ARNm de la proteína αKlotho tiene un efecto supresor sobre el vasoconstrictor, angiotensina II. Por el contrario, la administración de bloqueadores del receptor de angiotensina II tipo 1 (AT1) e inhibidores de la enzima convertidora de angiotensina (ECA) aumentan los niveles renales de ARNm de proteínas de αKlotho en ratas, independientemente de la capacidad de estos bloqueadores del sistema renina-angiotensina-aldosterona (RAAS) para bajar la presión arterial o reducir la proteinuria 44-46.
Trastornos primarios del eje endocrino FGF23-αKlotho
Se observa un exceso primario de FGF23 en el suero de pacientes con síndromes hereditarios con pérdida de fosfato, lo que incluye hipofosfatemia autosómica dominante (ADHR), hipofosfatemia ligada a X (XLH) y raquitismo hipofosfatemémico autosómico recesivo (ARHR). Estos pacientes tienen niveles anormalmente altos de FGF23 en suero que están asociados con hipofosfatemia y a niveles séricos bajos (o inapropiadamente normales) de vitamina d activa, lo que resulta en una inadecuada mineralización ósea (es decir, raquitismo u osteomalacia) y propensión al dolor óseo o deformidades de las extremidades inferiores, ADHR es causado por mutaciones sin sentido en FGF23 que hacen que la proteína FGF23 sea resistente a la inactivación por escisión proteolítica, lo cual resulta en altos niveles séricos de FGF23 intacto. Los pacientes con XLH portan mutaciones en la endopeptidasa reguladora de fosfato homogénea ligada al X (PHEX) que dan como resultado un aumento de expresión de FGF23, aunque los mecanismos son desconocidos, como, por ejemplo, PHEX no escinde FGF23. Pacientes con ARHR portan mutaciones en el gen que codifica la matriz de dentina fosfoproteína ácida 1 (DMP1), una proteína matricial ósea expresada específicamente por los osteocitos. Sin embargo, el mecanismo por el cual las mutaciones en DMP1 aumentan la expresión de FGF23 es todavía difícil de alcanzar 5-12.
También se observa en pacientes con osteomalacia inducida por tumor que tienen tumores productores de FGF23 y desarrollan síntomas similares a los observados en pacientes con síndromes hereditarios de pérdida de fosfato 29-32.
Se observa una deficiencia primaria en suero del FGF23 en pacientes con calcinosis tumoral familiar (CTF), quienes portan mutaciones de pérdida de función en la glucosil transferasa ppGANTase T3 (GALNT3), ya que codifica esta última. Esta enzima agrega N-acetil galactosamina por O-glucosilación a FGF23 en Thr17, que es adyacente al sitio de escisión proteolítica, lo cual hace que FGF23 sea resistente a la inactivación por proteólisis. Las mutaciones de pérdida de función en GALNT3, por tanto, aumentan 30-40.
Klotho-FGF-riñón
Tres miembros de la familia del factor de crecimiento de fibroblastos (FGF), FGF19, FGF21 y FGF23 son diferentes de los otros miembros en dos aspectos principales. Estos, en realidad, no son factores crecimiento, pero sí son factores endocrinos que regulan varios procesos metabólicos. En segundo lugar, sus receptores fisiológicos no son receptores FGF r (FGFR), pero son complejos binarios de FGFR y proteínas Klotho. FGF23 y FGF21 han surgido como marcadores biológicos que comienzan a aumentar en el riñón en la etapa temprana de enfermedad renal crónica (ERC). FGF23 es una hormona fosfatúrica derivada de hueso que se une al complejo αKlotho-FGFR expresado en los túbulos renales para aumentar la excreción de fosfato por la nefrona 10-17.
El aumento de FGF23 se considera necesario para compensar la disminución en el número de nefronas durante la progresión de la ERC y mantener el equilibrio de fosfato. Sin embargo, el aumento en la excreción de fosfato por la nefrona induce daño tumoral renal y acelera la pérdida de esta. La progresión de la ERC también se asocia con un aumento en las partículas de calciproteína (PCP) en la sangre. Las PCP son nanopartículas de calcio-fosfato con la capacidad de inducir daño endotelial en respuestas inflamatorias. El hecho de que los niveles séricos de PCP son correlacionados con calcificación vascular/rigidez y mortalidad en pacientes con ERC sugiere que las PCP pueden servir como “patógenos” de complicaciones cardiovasculares. Al igual que FGF23, FGF21 comienza aumentando en la etapa inicial de la ERC. FGF21 es una hormona derivada del hígado que se une al complejo βKlotho-FGFR, expresado en el sistema nervioso central para inducir respuestas de estrés, incluida la activación del sistema nervioso simpático y el eje hipotálamo-hipófisis-suprarrenal 14,16,23.
Klotho-alteración cognitiva
Las mutaciones de la proteína β-glucuronidasa α-Klotho se han asociado con el envejecimiento prematuro y alteraciones cognitivas 30,48,49.
Aunque está altamente expresado en áreas específicas del cerebro, las funciones de Klotho en el sistema nervioso central permanecen desconocidas. Existe evidencia de que el Klotho soluble mejora la glucólisis aeróbica astrocítica al dificultar el metabolismo del piruvato a través de las mitocondrias, así como al estimular su procesamiento por la lactato deshidrogenasa 30,36. La inhibición farmacológica de FGFR1, la fosforilación de Erk (extracellular signal-regulated kinase) y los transportadores de ácido monocarboxílico previenen la liberación de lactato inducida por Klotho de los astrocitos. Tomados en conjunto, estos datos sugieren que Klotho es un posible jugador nuevo en el acoplamiento metabólico entre neuronas y astrocitos 47,49.
Klotho-diabetes
El tratamiento con ácido y-aminobutírico (GABA) protege contra diabetes tipo 1 (DT1) en ratones. Además, previamente se observó que la administración oral de GABA en ratones dio como resultado niveles marcadamente más altos de Klotho circulante, e indujo a las células B (beta) a producir y secretar Klotho 38-47.
Algunos hallazgos sugieren que bajos niveles de Klotho o su neutralización con un anticuerpo tienen un impacto negativo en esta enfermedad. En contraste, la terapia sistémica con αKlotho fue eficaz para aumentar la masa de células B y reducir la insulinitis 45-49. En particular, se aumentó la replicación de células B. Estos son los objetivos principales del tratamiento en DT1. El tratamiento también aumentó la expresión de Klotho en células B, lo que podría ser un factor en el efecto protector. El rol de Klotho en las células de los islotes B y el sistema inmune no se entiende completamente; se requieren más investigaciones 43,46,47,50.
Klotho-lesión pulmonar aguda
La proteína antienvejecimiento Klotho tiene múltiples funciones y ejerce importantes influencias en diversos procesos fisiopatológicos, entre ellos la lesión pulmonar aguda (LPA) inducida por diversas causas. El mecanismo específico no se entiende bien 51,52.
Recientemente un trabajo evaluó el impacto de Klotho en LPA inducida por paraquat (PQ) e investigó sus mecanismos subyacentes; el resultado in vivo indicó que Klotho redujo la mortalidad, dado que redujo IL-1β e IL-6 en el líquido de lavado broncoalveolar (LLBA), de modo que produjo una LPA atenuada y una disminución de la apoptosis in situ 51. El resultado in vitro reveló que Klotho mejoró significativamente la viabilidad celular, redujo los niveles de IL-1β e IL-6 en sobrenadantes de cultivo, produjo una supresión de la apoptosis celular, inhibición de la activación de caspasa-3 y un aumento del potencial de membrana mitocondrial (ΔΨM) después del tratamiento PQ. Además, Klotho efectivamente disminuyó la producción de especies reactivas de oxígeno (EROS), mejorando el contenido de glutatión (GSH) y bajando la peroxidación de lípidos en células A549 expuestas a PQ. Otros experimentos indicaron que JNK fosforilado y MAPK P38 se incrementaron después del tratamiento PQ; sin embargo, el pretratamiento de Klotho podría reducir significativamente la fosforilación de P38 MAPK. La supresión de P38 MAPK mejoró la viabilidad celular, alivió la respuesta inflamatoria y redujo señales relacionadas con la apoptosis; sin embargo, no tuvo un efecto obvio en la producción de EROS 52.
Klotho- COVID-19
Durante el Festival de Primavera 2020 en China, el estallido de un nuevo coronavirus, llamado COVID-19 por la Organización Mundial de la Salud (OMS), provocó un pánico mundial 53.
El mundo se enfrenta a una pandemia de enfermedad respiratoria aguda grave síndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) para el cual no hay terapias específicas comprobadas disponibles que no sean de apoyo. Desde el inicio de la enfermedad por coronavirus, en China y en otros países los pacientes han recibido un sin número de terapias, como, por ejemplo, el interferon (IFN) -α combinado con la droga reutilizada Kaletra, un aprobado cóctel del virus de inmunodeficiencia humana (VIH), inhibidores de la proteasa ritonavir y lopinavir, cloroquina, azitromicina, favipiravir, remdesivir, esteroides y antiinterleucina (IL) -6, basados en cualquiera de sus propiedades antivirales o antiinflamatorias in vitro 53,54.
Los macrófagos son células pertenecientes al sistema inmune innato que detectan y responden a amenazas microbianas produciendo moléculas inflamatorias que promueven la reparación de los tejidos y eliminan patógenos. Recordemos que la activación de NF-KB en la inflamación y activación de HIF1α, indirectamente, puede regular negativamente la expresión de αKlotho 53.
De acuerdo con los datos clínicos de pacientes infectados con el virus COVID-19, la evidencia radiológica de edema pulmonar es común y merece atención clínica. El edema pulmonar se presenta como una manifestación de lesión pulmonar aguda (LPA) y suele progresar a síndrome de dificultad respiratoria aguda (SDRA) e hipoxemia 51-54.
Discusión
La proteína transmembrana Klotho tiene grandes particularidades que la hacen fundamental en diversos procesos del organismo humano. Es así que en experimentos recientes se vio que su microARN-200c es regulado positivamente con H2O2 (miR-200c) en células endoteliales de la vena umbilical humana, y, notablemente, hay dos supuestos sitios de unión de miR-200c en los 30- UTR del ARNm de Klotho 2,4,5.
La expresión de Klotho se asocia con marcadores de estrés oxidativo y miR-200c en muestras de biopsia renal de pacientes con nefropias IgA. Estos hallazgos indican que el estrés oxidativo suprime la expresión de Klotho a través de la inducción de miR-200c 1,5,6,7.
El gen Klotho o la inyección de la proteína Klotho muestra beneficios en modelos de roedores frente a diversas enfermedades renales. Estos hallazgos sugieren que mantener la expresión de Klotho es una nueva estrategia terapéutica durante el desarrollo de la ERC. Sin embargo, otro estudio mostró que el peróxido de hidrógeno (H2O2), una especie reactiva del oxígeno (ERO), contribuyó a la regulación negativa en la expresión de Klotho en células epiteliales renales, lo que causa daño renal 5,7,8,9.
Dado el papel de los FGF endocrinos en un rango de respuestas fisiológicas, incluidos minerales y energía metabólica, respuestas al estrés y trastornos relacionados con el envejecimiento, agonistas y antagonistas de estas hormonas son posibles candidatos terapéuticos para diversos trastornos 19,20. Los datos estructurales obtenidos para endocrina espera que los FGF y las proteínas Klotho se aceleren 21,22,23.
Además de fosfato, calcio, PTH y vitamina D activa, la expresión de FGF23 también se incrementa por acción de la aldosterona. Esto tuvo una gran repercusión en el tratamiento de ratones con aldosterona 20,35,36.
Cabe destacar que el tratamiento de las células osteoblásticas cultivadas con aldosterona afecta la expresión de FGF23 en la región promotora dependiente del factor nuclear KB (NF-KB). Dado que la región promotora de FGF23 contiene un elemento sensible al NF-KB-, la activación de NF-KB inducida por aldosterona podría ser responsable del aumento en la expresión de FGF23 (37-38. Así, la degradación de FGF23, que conduce a bajos niveles séricos de FGF23, resulta en una calcificación ectópica que está asociada con altos niveles de fosfato en suero y vitamina d activa 22-35. Del mismo modo, las citocinas proinflamatorias, como la IL-1, la IL-6 y el factor de necrosis tumoral (FNT) pueden inducir FGF23 expresión a través de la activación de NF-KB-, la vía canónica de señalización de la inflamación 37,39-41. La activación de NF-KB- en la inflamación y activación de HIF1α, indirectamente, puede regular negativamente la expresión de αKlotho in vivo 47.
Las observaciones sugieren que el RAAS es un regulador negativo de los niveles de αKlotho renal. Además del RAAS, FGF23 es un potente regulador negativo de la expresión de αKlotho 43-46. La regulación negativa de la expresión de αKlotho por FGF23 podría ser parte de un sistema regulador por el cual la regulación positiva del ligando induce una disminución en la expresión de su receptor, aunque el mecanismo preciso de este y su regulación potencial queda por determinar 40-45. Así, GF21 y FGF23 no son simplemente biomarcadores para la progresión de la ERC, sino potenciales agentes patógenos que aceleran la progresión de la ERC y agravan las complicaciones cardiovasculares 14,16,23. Se observaron concentraciones aumentadas de Klotho en pacientes sanos en comparación con los sujetos afectados por insuficiencia renal (IR). De hecho, los datos emergentes en la actualidad han proporcionado datos fundamentales 28-32.
La actividad glutamatérgica neuronal y la modulación de la insulina provocan la liberación de Klotho, que a su vez estimula la formación y liberación del lactato astrocítico. El lactato puede ser utilizado por las neuronas y otros tipos de células como, por ejemplo, sustrato metabólico 38,42,45. Klotho protege contra el desarrollo de múltiples trastornos relacionados con la edad, incluidas las enfermedades cardiovasculares 47,49.
In vitro, las células B protegidas por Klotho producen la inhibición de la apoptosis, inhibición de la activación del NF-KB inflamatorio y una replicación mejorada de células B . Estos efectos son relevantes para el tratamiento de DT1 38-47.
El tratamiento con N-acetilcisteína (NAC) podría suprimir la producción de eros y la activación de P38 MAPK. Estos hallazgos sugirieron que Klotho podría aliviar la LPA causada por PQ mediante la inhibición de respuestas inflamatorias reguladas por señalización EROS/P38 MAPK y apoptosis dependiente de mitocondrias 52.
Varios estudios han establecido que la respuesta hiperinflamatoria inducida por el SARS-CoV-2 es una causa importante de gravedad de la enfermedad y muerte en pacientes infectados 53. Los pacientes diagnosticados con SDRA tienen peor pronóstico y una mortalidad potencialmente más alta. Aunque no hay un tratamiento efectivo aprobado formalmente para la infección por COVID-19, el apoyo de la ventilación con oxigenoterapia y, a veces, ventilación mecánica es a menudo requerido. El tratamiento con base en glucocorticoides locales y/o sistémicos ayudaría a aliviar el edema y la inflamación pulmonar, lo que disminuiría el desarrollo y / o las consecuencias del SDRA. Klotho tiene múltiples funciones y ejerce importantes influencias en diversos procesos fisiopatológicos, entre estos la lesión pulmonar aguda (LPA) inducida por COVID 51-54.
Actualmente se realizan estudios en animales para identificar estrategias dirigidas a aumentar el número de proteínas Klotho, como una forma de promover un envejecimiento saludable; incluso se propuso aumentar la regulación de Klotho como forma de prevenir potencialmente las consecuencias del envejecimiento en adultos mayores 49,50,55. La investigación futura en humanos podría evaluar si Klotho es un objetivo terapéutico directo viable (o modificador de terapias), o si los factores de comportamiento pueden mejorar la expresión de Klotho 56-59.
Conclusiones
En particular, la medición de Klotho en cohortes de visitas hospitalarias frecuentes, para examinar cambios en la fragilidad u otras condiciones, proporcionarían información valiosa hacia este fin, sobre todo al tener en cuenta su evidente correlación con la actual pandemia generada por el COVID-19. Tanto nuevos trabajos como anteriores en humanos y ratones proporcionan una fuerte justificación para examinar más a fondo el papel del Klotho en la salud y el envejecimiento.
