El rol endocrino de la osteocalcina del  esqueleto

La hipótesis que postula la regulación del remodelado óseo por el metabolismo energético deriva de las observaciones clínicas que señalan que la osteoporosis ocurre con  menor frecuencia  en sujetos obesos y con mayor frecuencia en pacientes con hipogonadismo. Estos hallazgos sugieren una conexión- y una regulación común- entre hueso, metabolismo energético y reproducción. El hueso, a través de la osteocalcina,  podría estar involucrado en la regulación del metabolismo de la glucosa y la reproducción, convirtiendo al esqueleto en un verdadero órgano endocrino.

La osteocalcina (OC) es  una proteína producida por los osteoblastos que es carboxilada  en tres residuos de ácido glutámico post-transcripcionalmente, de una manera dependiente de vitamina K, por la enzima γ-glutamil carboxilasa. El ácido γ-carboxiglutámico (Gla) resultante es un aminoácido que tiene la propiedad  de unirse al calcio libre y a las superficies minerales que contienen calcio. La proteína intracelular tirosina fosfatasa 1B (PTP1B) también favorece la carboxilación de la OC en los osteoblastos. Los residuos Gla proporcionan a la OC alta afinidad por la matriz ósea Sin embargo, la OC completamente carboxilada se considera biológicamente inactiva. Por el contrario, las formas incompletamente carboxiladas de la OC (ucOC) muestran características hormonales tales como la liberación en un patrón circadiano y la síntesis como una pre-pro-molécula.  Ambas formas de la OC  se encuentran en la circulación sistémica. Estudios recientes señalan que el adipocito produce y secreta las dos formas de la OC y que los andrógenos incrementan la expresión de ambas formas de OC en el tejido adiposo.

La ucOC  tiene tres blancos conocidos: el páncreas, el tejido adiposo y las gónadas. Las funciones de ucOC  incluyen el incremento en la secreción de insulina en las células β del páncreas y el incremento en la sensibilidad a la insulina en músculo, hígado y tejido adiposo. En el tejido adiposo, la ucOC también incrementa la expresión  del gen que codifica a la adiponectina, la cual aumenta la sensibilidad a la insulina en los tejidos. La adiponectina puede también inducir la proliferación  y diferenciación de los osteoblastos. La regulación del metabolismo óseo por el tejido adiposo es también una función de la leptina que actúa sobre los osteoblastos a través de dos rutas neurales diferentes. En primer lugar, la leptina inhibe la producción de serotonina en los núcleos del rafe del cerebro. La serotonina se une a receptores HTR2C de neuronas del hipotálamo ventromedial y reduce la actividad del sistema nervioso simpático. Entonces, la  leptina, a través de la disminución de la síntesis de serotonina, incrementa la señal del sistema nervioso simpático que ejerce sus funciones vía receptores adrenérgicos β2 expresados en los osteoblastos. La leptina, pues, activa dos cascadas distintas: una inhibe la proliferación de osteoblastos y  otra promueve la expresión de RANKL y, por tanto, la resorción ósea por los osteoclastos. . En segundo lugar, la leptina se une a neuronas del núcleo arcuato del hipotálamo e induce un incremento en  la expresión del gen del transcripto regulado por cocaína y anfetamina  (CART). El CART disminuye la expresión de RANKL por los osteoblastos a través de un mecanismo desconocido y por tanto inhibe la resorción ósea. Se asume que el CART actúa más como un factor circulante que como  neuropéptido. En suma: a través del CART y del sistema nervioso simpático la leptina previene el incremento de masa ósea.

En las gónadas, la ucOC induce la producción de testosterona en las células de Leydig pero carece de influencia sobre la producción de estrógenos o testosterona en los ovarios. Esto se debe a que los ovarios, a diferencia de los testículos,  no expresan el receptor acoplado a proteína G (GPRC6A) de la ucOC.  Estos hallazgos resaltan la importancia del eje hueso-testículo especialmente durante el período de crecimiento rápido del esqueleto. Comenzando en una edad ósea de 11 años, los niveles de testosterona aumentan debido a las influencias hipotalámicas-hipofisiarias y la OC aumenta  debido al crecimiento óseo hasta alcanzar un pico a la edad ósea de 14 años. Se establece entonces una influencia reciproca: la OC estimula la producción de testosterona y la testosterona contribuye al crecimiento óseo.

La bioactividad de la OC es contralada por dos hormonas contrapuestas, leptina e insulina. La leptina, además de aumentar la resorción ósea, incrementa en los osteoblastos la expresión de la proteína PTP1B que como se señaló anteriormente favorece la carboxilación de la OC. Con el descubrimiento del asa de retroalimentación entre el páncreas y los osteoblastos,  la insulina se ha convertido en un regulador positivo de la bioactividad de la ucOC. El receptor de insulina  es una tirosina quinasa y es expresado por los osteoblastos. Este receptor puede ser un sustrato para la PTP1B, por lo que la cascada de señalización de la insulina podría ser interrumpida. Si esto no ocurre, la unión de la insulina a su receptor causa una disminución  en la expresión de OPG  y de la relación OPG/RANKL. Por tanto, la resorción ósea por los osteoclastos es aumentada y la matriz extracelular del hueso es acidificada. El cambio de pH favorece la liberación de OC a la laguna de resorción y su posterior descarboxilación. La ucOC es liberada a la circulación sistémica y ejerce sus efectos positivos sobre la sensibilidad de los tejidos a la insulina. El estatus de descarboxilación es en efecto determinado por los osteoclastos en cuanto que el medio ácido en la laguna de resorción  es el responsable de la descarboxilación de la OC.  Estos hallazgos apoyan el rol central de la señal de insulina en los osteoblastos y destacan a la resorción ósea como el enlace clave entre la remodelación ósea y el metabolismo energético.  

Fuente: Schwetz V et al (2012). The endocrine role of the skeleton: background and clinical evidence. European Journal of Endocrinology 166: 957-967.

El cilio primario como sensor extracelular en el hueso.

El hueso es un tejido sensitivo en constante remodelación y adaptación de su estructura.  La adaptación inducida por la carga mecánica es requerida para mantener un esqueleto saludable y es controlada, en última instancia, por las células óseas. Las células óseas responden a la estimulación mecánica (el flujo de fluidos, por ejemplo) con un incremento en la expresión de genes osteogénicos y la secreción de proteínas. Los osteocitos son las células más abundantes en el hueso y están idealmente posicionadas  para monitorear el ambiente mecánico del hueso y comunicar esta señal a las  células efectoras (osteoblastos y osteoclastos). Sin embargo, cómo estas células transducen este estímulo extracelular en una respuesta bioquímica intracelular es todavía pobremente entendido. En la mecanosensación de las células óseas se han propuesto e investigado numerosos potenciales sensores extracelulares: canales iónicos, integrinas y proteínas asociadas, conexinas y actina del citoesqueleto. Debido a la complejidad del ambiente mecánico  extracelular en el hueso, estos potenciales mecanosensores interactúan unos con otros, integrando las múltiples señales extracelulares en una coherente y única señal.

Trabajos recientes han revelado un nuevo y potencial mecanosensor, el cilio primario. Aunque la existencia del cilio primario en el hueso fue demostrada con microscopía electrónica hace 40 años, ha sido en lo últimos 10 años que ha adquirido importancia el concepto de que este organelo puede jugar un papel en la regulación de la homeostasis del hueso. Sobre la base del papel del cilio como sensor del flujo en el riñón y la importancia  del flujo de fluidos en la regulación del recambio óseo, se ha propuesto que el cilio primario puede actuar como un sensor del flujo de fluido intersticial en el osteocito.

En los osteocitos, el cilio primario es un organelo celular de 4 a 9 μm de longitud, unido a la membrana y que consiste en nueve dobletes de microtúbulos (axonema) que se extienden a partir  de los tripletes de microtúbulos del centriolo .arreglados circunferencialmente. El axonema del cilio está separado del citoplasma creando un microdominio para la localización y concentración de receptores, canales iónicos y proteínas efectoras. Extendiéndose en el medio extracelular, el cilio primario está idealmente posicionado para actuar como un organelo sensorial. En la actualidad se acepta ampliamente que el cilio primario juega  importantes roles coordinando varias rutas de señalización, y que  actúa como un sensor extracelular con capacidades quimiosensoriales y mecanosensoriales a través de receptores y canales iónicos localizados en el axonema. La localización extracelular del cilio no solo optimiza las funciones quimiosensoriales sino que también lo posiciona perfectamente  como sensor del ambiente mecánico extracelular local. Se ha demostrado que el cilio primario se fleja  con el flujo de fluido, esta deflexión resulta en un incremento de Ca²⁺  intracelular que es dependiente de la entrada de Ca²⁺ extracelular a través de los canales de Ca²⁺ del microdominio ciliar.

Los osteocitos coordinan la adaptación ósea inducida por carga a través de la  regulación de osteoblastos, osteoclastos y osteoprogenitores. Los osteocitos responden a la estimulación del flujo de fluido intersticial con un incremento en la expresión del gen de la ciclooxigenasa 2 (COX-2), involucrada en la producción de PGE2,  y también con el incremento de la relación OPG/RANKL que regula la diferenciación de los osteoclastos. Adicionalmente, los osteocitos estimulados mecánicamente secretan factores solubles que actúan de manera paracrina para aumentar la expresión de genes osteogénicos en la stem cell mesenquimática. Este mecanismo paracrino desaparece con la remoción del cilio primario, lo que sugiere  que el organelo  es requerido por los osteocitos para sensar un estímulo mecánico externo como el flujo de fluido intersticial y generar la señal para las células efectoras que regulan la formación de hueso.  

El mecanismo molecular de la mecanotransducción mediada por cilio en los osteocitos involucra al AMPc y a la adenil ciclasa 6 (AC6). En los osteocitos, la estimulación del flujo de fluido intersticial  provoca la disminución  de los niveles de AMPc, una respuesta que es necesaria para que se produzca el incremento en la expresión de COX-2. El efector primario del AMPc es la proteína quinasa A (PKA) involucrada en varias rutas de regulación de la formación de hueso y que se localiza en la base del cilio primario. La PKA  activa la cascada de señalización ERK1/2-CREB, la cual es estimulada por el flujo en las células óseas. La PKA también inhibe la degradación del factor de transcripción β-catenina, mediada por GSK-3β, cuya translocación nuclear se ha demostrado que ocurre  con el flujo en la osteogénesis.  La AC6 es la única de las 9 isoformas de la adenil ciclasa presente en el microdominio ciliar del osteocito y es inhibida por el Ca²⁺. Si se bloquea la entrada de Ca²⁺ en la célula se previene la disminución de AMPc mediada por el flujo, lo cual indica que la entrada de Ca²⁺ en el microdominio ciliar del  es el disparador inicial   de la mecanorespuesta dependiente del cilio primario  en el osteocito.

En resumen, la deflexión del cilio primrio activa canales de Ca²⁺ (TRPV4) con la consiguiente inhibición de la actividad de la AC6 por parte del Ca²⁺, lo cual disminuye los niveles intracelulares  de AMPc, lo cual resulta en un incremento de la expresión de genes osteogénicos.

Fuente: Hoey DA et al (2012). The primary cilium as a novel extracellular sensor in bone.  Frontiers in Endocrinology 3: artículo 75.

La señal glutamato en el hueso

La carga mecánica juega un papel clave en la fisiología del hueso, permitiéndole  adaptarse funcionalmente  a su ambiente. Sin embargo, la caracterización de los eventos de señalización que relacionan la carga con la formación de hueso es incompleta. Estudios recientes involucran al glutamato en la mecanorespuesta. Los componentes funcionales  de cada etapa de la ruta de señalización del glutamato han sido identificados en el hueso, incluyendo receptores, transportadores y las proteínas necesarias para la exocitosis  mediada por calcio. Nervios glutamatérgicos han sido identificados en la vecindad  de las células óseas que expresan receptores de glutamato, pero su significado fisiológico es desconocido.

Los receptores de glutamato pueden ser clasificados en ionotrópicos (iGluR) y metabotrópicos (mGluR). Los iGluRs pueden ser clasificados atendiendo a la secuencia homóloga y la preferencia por el agonista en: DL-α-amino-3hidroxi-5-metilisoxazole-4-propionato (AMPA), kainato (KA), y N-metil-D-aspartato (NMDA), los cuales están asociados con canales iónicos permeables a cationes específicos. La expresión de los iGluRs es regulada por la carga mecánica.  Los mGluRs son receptores acoplados a proteína G y se clasifican en tres grupos funcionales de acuerdo a su sensibilidad a los agonistas endógenos y el mecanismo de señalización intracelular: grupo I (mGluR1 y mGluR5), grupo II (mGluR2 y mGluR3) y grupo III (MGluR4, mGluR6, mGluR7 y mGluR8).

Los transportadores de glutamato de alta afinidad (transportadores de aminoácidos excitadores,  EAATs) en las membranas pre y postsináptica terminan el evento de señalización removiendo el glutamato de la hendidura sináptica. Estos transportadores se clasifican en cinco subtipos (EAAT1/GLAST, EAAT2/GLT-1, EAAT3/EAAC1, EAAT4 y EAAT4). GLAST y GLT-1 son expresados en osteoblastos y osteocitos. En los osteoclastos, los EAATs predominantes son EAAT2 y 4. Los EAATs transportan glutamato en contra de su gradiente de concentración. Tres iones Na⁺ y un protón son co-transportados con glutamato y un ión K⁺ es contra-transportado permitiendo que un carga neta positiva se mueva dentro de la célula. La localización de los EAATs adyacente a los receptores de glutamato modula la disponibilidad de glutamato para la activación de receptores, influyendo los eventos de señalización intracelular.  Los EAATs son regulados por la concentración extracelular de glutamato, consistente con la noción que los EAATs pueden exhibir mecanismos similares  de regulación de la activación de los receptores de glutamato en las células óseas.

Los osteoblastos expresan los componentes funcionales  requeridos para la libración de glutamato incluyendo las moléculas involucradas en el empaquetamiento en vesículas, el desplazamiento y la fusión. Durante la diferenciación de los osteoblastos la concentración intracelular de glutamato es regulada a través de la acción de la glutamina sintetasa, la cual convierte glutamato en glutamina. La actividad de la glutamina sintetasa disminuye rápidamente durante la mineralización lo que  incrementa la concentración intracelular de glutamato. El estímulo inicial para la liberación de glutamato en los osteoblastos aún no está claro, se ha propuesto que la carga mecánica puede abrir canales de calcio sensibles al estiramiento en los osteocitos para liberar glutamato y activar receptores en los osteoblastos.

La señal glutamato puede modular la diferenciación y actividad de los osteoblastos.  Los osteoblastos liberan glutamato para activar receptores de glutamato de una manera autocrina y paracrina. La activación de iGluR produce la liberación de glutamato, regula la expresión  de osteocalcina, la actividad de la fosfatasa alcalina y la mineralización. La activación de mGluR inhibe la señal de receptores NMDA en los osteoblastos a través rutas activadas por la fosfolipasa C.

En los osteocitos, la apertura de canales de Ca²⁺ sensibles a voltaje y al estiramiento  en respuesta a la carga mecánica incrementa la concentración intracelular de Ca²⁺ para inducir la liberación de glutamato que regula la diferenciación y actividad de los osteoblastos. Los osteoclastos también pueden ser regulados por el glutamato liberado. La activación de los NMDA estimula la diferenciación de los osteoclastos y la actividad de los osteoclastos maduros. Los osteoclastos maduros por su parte liberan glutamato en conjunción con los productos de degradación ósea, el cual puede ejercer una autorregulación sobre los mGluRs, previniendo mayor liberación de glutamato.

Fuente: Brakspear KS y Mason DJ (2012). Glutamate signaling in bone. Frontiers in Endocrinology 3: artículo 97.

Funciones fisiológicas del FGF23

El factor de crecimiento de fibroblastos (FGF) 23 es un miembro de la familia  de FGFs endocrinos, la cual también incluye  al  FGF19 y al FGF21. El FGF23 es expresado principalmente  por  osteocitos y osteoblastos en el hueso, pero es también expresado por las glándulas salivales, el estómago y, en concentraciones mucho más bajas, por el músculo esquelético, el cerebro, la glándula mamaria, el hígado y el corazón.  En los humanos, el gen FGF23, localizado en el cromosoma 12 y compuesto por 3 exones separados por 2 intrones, codifica una glucoproteína de 32 kDa que contiene 251 residuos de aminoácidos. La proteína comprende una secuencia señal hidrofóbica de 24 aminoácidos, un dominio NH₂ terminal de 154 aminoácidos y un dominio COOH terminal de 73 aminoácidos. Después del clivaje de la secuencia señal y de la O-glucosilación por la UDP-N-acetil-α-D-galactosamina: polipéptido N-acetilgalactosaminil-transferasa 3 (GALNT 3), la proteína madura ^25-FGF23^-251 es secretada a la circulación. La O-glucosilación del FGF23 ocurre en la región 162-228. En el torrente sanguíneo, la proteína FGF23 circula en dos formas distintas: una forma madura larga (^25-FGF23^-251) y una forma más corta (^25-FGF23^-179) con 72 aminoácidos menos en el extremo COOH-terminal. La forma más corta proviene del clivaje proteolítico en el sitio¹⁷⁶RXXR¹⁷⁹. Sin embargo, sólo la forma larga del FGF23 es activa, pues el dominio COOH-terminal es esencial  para la activación de la cascada de señalización intracelular.

El descubrimiento de osteoblastos y osteocitos como los principales sitios de producción y secreción de FGF23 identificó al hueso, no sólo como el mayor reservorio de calcio y fosfato, sino también como un órgano endocrino que se comunica con otros tejidos  involucrados en la homeostasis mineral. El FGF23 secretado por el hueso actúa principalmente en el riñón para regular el manejo renal del fosfato y el metabolismo de la vitamina D. El eje FGF23 hueso/riñón tiene al menos dos funciones fisiológicas: 1) proporcionar una señal fosfatúrica que emana del hueso para coordinar el flujo óseo de fosfato debido a alteraciones en el recambio y la mineralización en el hueso con conservación renal de fosfato y 2) proporcionar al organismo una hormona contrarreguladora de los efectos adversos de la exposición excesiva de vitamina D. El FGF23 puede también tener funciones fisiológicas fuera del eje hueso/riñón.

Los FGFs endocrinos actúan sistemáticamente como factores hormonales y sus acciones son mediadas a través de mecanismos dependientes de receptores de FGF (FGFR). Durante su evolución, los FGFs hormonales adquirieron funciones endocrinas reduciendo la afinidad por la heparina y por la presencia de un COOH terminal que permite la activación del FGFR en ausencia de heparina. Específicamente, un cambio conformacional ocurrió en la región β10-β12 que contiene los residuos con afinidad por la heparina. La reducida afinidad por la heparina  previene la captura de los FGFs por la matriz extracelular  por lo que pueden funcionar como factores endocrinos circulantes. Sin embargo, la débil afinidad de unión a la heparina también previene la interacción directa de los FGFs con los receptores. En vez de heparina, los FGFs endocrinos requieren cofactores alternos para mediar sus efectos a través de los FGFRs. Muchos tejidos expresan unao más isoformas  de FGFR que potencialmente funcionan como receptores para los FGFs. Por tanto, la expresión del cofactor  en un tejido determina  el órgano blanco de cualquier FGF endocrino para el control metabólico y asegura la especificidad hormonal. El FGF23 requiere como cofactor a la proteína αCloto.

Los órganos blanco para el FGF23 son definidos por la coexpresión de la forma de membrana de αCloto y FGFR. Los estudios reciente han identificado a la proteína αCloto como el cofactor necesario para el FGF23, formando complejos con el FGFR e incrementando su afinidad por el FGF23. El COOH terminal del FGF23 forma un complejo trimérico con la αCloto y el FGFR. El FGF23 se une al complejo FGFR-αCloto con mucha mayor afinidad que al FGFR solo. El gen αCloto codifica una proteína transmembrana de 1014 aminoácidos con actividad β-glucuronidasa. La proteína αCloto es expresada predominantemente en el riñón y el epitelio del plexo coroideo y, en bajos niveles, en la hipófisis, la placenta, el músculo esquelético, la vejiga urinaria, la aorta, el páncreas, las gónadas, las glándulas paratiroides y el colon.  El FGF23 inicia los eventos de la señal hormonal a través de una variedad de proteínas de señalización intracelular. Estas proteínas son fosforiladas en respuesta a la activación del FGFR para permitir un mecanismo de expresión de genes.

La función fisiológica mejor caracterizada del FGF23 es la de actuar como una hormona contrarreguladora de la vitamina D. El FGF23 reduce los niveles de calcitriol (1,25(OH)₂D₃) debido a su efecto inhibitorio sobre la enzima 1α(OH)asa  (Cyp27b1) y  estimulador sobre la enzima 24(OH)asa (Cyp24a1) para disminuir la producción  e incrementar el catabolismo del calcitriol en las células del túbulo proximal del riñón. Por otro lado, el FGF23 suprime la expresión  de los cotransportadores de fosfato dependientes de sodio NPT2a y NPT2c en las células del túbulo proximal renal y por lo tanto puede incrementar la excreción de fosfato. El NPT2a es esencial para la reabsorción de fosfato y se localiza casi exclusivamente en la membrana apical de las células tubulares. El NPT2c es la isoforma expresada en la membrana del borde en cepillo de las células tubulares.

La interacción entre la proteína αCloto y el FGFR es necesaria para mediar la señal hormonal del FGF23, pero los mecanismos que subyacen a la bioactividad del FGF23 in vivo no son claros. En primer lugar, al menos tres diferentes FGFR (FGFR1, 3 y 4) incrementan la afinidad por el FGF23 cuando forman complejo con la proteína αCloto. Las isoformas FGFR1, 3, y 4 son expresadas en el túbulo distal del riñón, pero el FGFR3 también es expresado en el túbulo proximal. Sin embargo, el complejo FGFR1:Cloto ha sido identificado como el principal socio para el FGF23.  En segundo lugar, la proteína αCloto se localiza predominantemente en el túbulo contorneado distal  del riñón y las respuestas biológicas sobre las isoformas NPT2 y las enzimas del metabolismo de la vitamina D han sido observadas en el túbulo proximal.

Entonces, tenemos por una parte que los mayores niveles del complejo FGFR:αCloto están en el túbulo distal y por otra parte, que las acciones biológicas del FGF23 ocurren en el túbulo proximal. Esto excluye, al menos  teóricamente,  un efecto directo del FGF23 en el túbulo proximal. Alternativamente, las acciones del FGF23 en el túbulo proximal pueden ser indirectas, posiblemente a través de la liberación de factores paracrinos. Se ha propuesto como explicación plausible un mecanismo de retroalimentación distal-proximal (Figura 1). Este mecanismo es posible in vivo dada la proximidad de las células proximales y distales. Si el factor paracrino involucrado en este mecanismo es la proteína αCloto o una isoforma soluble de la proteína aún no se conoce.

El FGF23 también tiene acciones extrarrenales. Las glándulas paratiroides expresan FGFR y αCloto, pero el papel del FGF23 en estas glándulas aún no está claro. Estudios recientes indican que el FGF23 suprime la secreción de hormona paratiroidea (PTH). Otros estudios sugieren que la proteína Cloto puede tener un rol independiente de FGF23 facilitando la secreción de PTH a través del mantenimiento  de la actividad de la ATPasaNa⁺-K⁺ de la membrana celular en situaciones de hipocalcemia. En el hueso, el FGF23 afecta el metabolismo, la función celular y la mineralización. Sin embargo, hay actualmente un debate sobre si estas acciones son directas o si son atribuibles al fosfato, el calcitriol o la PTH.  Teóricamente, el FGF23 puede también tener efectos en el plexo coroideo, la hipófisis, el corazón, el bazo y el timo. En el caso del bazo y el timo, que expresan el FGFR solo, los efectos podrían ser paracrinos.

Con relación a la regulación del FGF23, el calcitriol  es el factor sistémico más importante en la regulación del FGF23. La expresión del FGF23 es regulada por señales dependientes e independientes del receptor de vitamina D (VDR). La carga de fosfato incrementa los niveles de FGF23, pero la magnitud de la regulación es pequeña  comparada con los efectos del calcitriol. Los efectos de la PTH sobre el FGF23 pueden ser dependientes del calcitriol  y del estatus mineral.

Fuente: Martin A et al (2012). Regulation and function of the FGF23/Klothoendocrine  pathways. Physiological Reviews 92: 131-151.

Efectos no clásicos  de la vitamina D

La vitamina D es sintetizada en la piel a partir del 7-dehidrocolesterol por irradiación ultravioleta. Aunque la vitamina D puede también ser obtenida en la dieta, pocos alimentos la contienen en cantidades apreciables. La forma hormonalmente activa de la vitamina D, la 1,25 dihidroxivitamina D₃ (1,25 (OH)₂D₃) o calcitriol, es producida por dos hidroxilaciones secuenciales: a) 25 hidroxilación en el hígado, la cual resulta en la formación de 25-hidroxivitamina D₃ (25(OH)D₃), la más abundante  forma circulante de la vitamina D; b) 1α hidroxilación de la 25(OH)D₃ en el túbulo proximal del riñón para dar lugar al calcitriol.

La enzima 24 hidroxilasa (24(OH)asa) limita la cantidad de calcitriol  acelerando su catabolismo en los tejidos blanco donde es convertido en  1,24,25(OH)₃D₃ que en última instancia resulta en la formación de ácido calcitroico y también a través de la producción de 24,25(OH)₂D₃ con lo cual disminuye los niveles de 25(OH)D₃, el sustrato de la 1α(OH)asa. La elevación de los niveles de hormona paratiroidea (PTH) que ocurre cuando hay hipocalcemia induce la síntesis de calcitriol en el riñón. El calcitriol a su vez actúa en las glándulas paratiroides para suprimir la producción de PTH. La 1α(OH)asa es regulada negativamente por el calcitriol mientras que  la 24(OH)asa es recíprocamente regulada (estimulada por el calcitriol e inhibida por la PTH y la hipocalcemia).

Las acciones del calcitriol son mediadas por un receptor nuclear (VDR). El calcitriol ocupa los heterodímeros de VDR con el receptor retinoide X y junto con proteínas correguladoras interactúa con los elementos de respuesta del calcitriol predominantemente, pero no exclusivamente, en la región promotora de los genes blanco y modula su transcripción.

La principal función del calcitriol en la homeostasis mineral es incrementar la absorción intestinal de calcio y fósforo. Sin embargo, cuando no es posible mantener la concentración normal de Ca²⁺ en el plasma, la PTH induce la síntesis de calcitriol y juntas, ambas hormonas, movilizan Ca²⁺ del hueso e incrementan la reabsorción de Ca²⁺ en el túbulo distal del riñón. A través de estos mecanismos, la vitamina D es vital para la homeostasis mineral.

Ahora bien, el VDR también se encuentra en tejido y células que no están involucrados en el mantenimiento  de la homeostasis del Ca²⁺ como el páncreas, la piel,  la placenta, el cerebro y las células T. Por otro lado, la evidencia reciente indica que la 1α(OH)asa también se encuentra en tejidos extrarrenales como la placenta y los macrófagos. Sin embargo, en los macrófagos, la 1α(OH)asa es regula de manera diferente a como ocurre en el riñón, no es suprimida por la elevación de calcitriol o de Ca²⁺.  En la placenta, la 1α(OH)asa es expresada en células del trofoblasto fetal y de la decidua materna. En respuesta al calcitriol, las células “killer” de la decidua materna disminuyen su síntesis  de citoquinas, lo que sugiere que el calcitriol puede actuar como un regulador autocrino/paracrino de la respuesta inmune en la interfase materno-fetal. Se ha propuesto que los efectos inmunosupresores del calcitriol permiten la invasión del trofoblasto sin que ocurra una respuesta inmune por parte de la madre, lo cual facilita la implantación del embrión.  Los estudios en keratinocitos indican que el calcitriol causa una marcada disminución  de su proliferación al tiempo que incrementa su diferenciación. Este hallazgo ha dado lugar al uso del calcitriol en la terapia  de la psoriasis. En el sistema cardiovascular, el calcitriol tiene un efecto protector al reprimir la biosíntesis de renina  por un mecanismo independiente  de calcio y fósforo. En el sistema inmune, el calcitriol inhibe la proliferación y activación de los linfocitos T con la consiguiente disminución de IL-2 e interferón γ. El calcitriol también inhibe la diferenciación y maduración de las células dendríticas, lo cual disminuye la secreción de IL-12 al tiempo que incrementa  la secreción de IL-10. La IL-17, involucrada en la patogenia de la inflamación autoinmune, es inhibida por el calcitriol. Los estudios con animales han demostrado que el calcitriol puede proteger contra diversas enfermedades autoinmunes experimentales como la encefalomielitis autoinmune (el modelo murino de la esclerosis múltiple), el lupus eritematoso sistémico y la tiroiditis autoinmune. Estudios recientes han sugerido que el calcitriol puede también modular la inmunidad innata. Finalmente, la evidencia en el laboratorio indica que el calcitriol potencia las acciones antitumorales  de los agentes anticancerosos tradicionales. Varios mecanismos celulares han sido propuestos para la actividad anti-cáncer del calcitriol.

Fuente: Christakos S y Deluca HF (2011) VitaminD: is there a role in extraskeletal health. Endocrinology 152: 2930-2936.

Las funciones neuroendocrinas del receptor de PTH tipo2

El receptor de hormona paratiroidea tipo 2 (PTH2R) es un miembro de la familia B (o tipo II)  de los receptores acoplados a proteína G. Este nombre se debe a que su secuencia es similar a la del receptor de hormona paratiroidea tipo 1(PTH1R) y a que  en los humanos es activado por la PTH. La expresión del PTH2R es mayor en el cerebro  que en los tejidos periféricos. En el cerebro está concentrado en regiones endocrinas y límbicas del cerebro anterior. Los centros neuroendocrinos del área preóptica y los núcleos periventricular, paraventricular y arcuato del hipotálamo contienen la mayor densidad de PTH2R. En la periferia, su patrón de expresión es muy diferente del patrón de PTH1R, con expresión, en niveles muy bajos, en las células δ de los islotes pancreáticos, los vasos sanguíneos bronquiales, el parénquima pulmonar, el endotelio cardiaco, los folículos atrésicos del ovario, las células C de la tiroides y en algunas células endocrinas que sintetizan péptidos gastrointestinales.

El ligando endógeno del PTH2R cerebral es el péptido tuberoinfundibular de 39 residuos (TIP39) sintetizado en el tálamo posterior y la protuberancia lateral. El TIP39 es un agonista de alta afinidad y muy potente del PTH2R. La secuencia del TIP39 tiene muy pocos residuos de aminoácidos en común con la PTH pero la estructura tridimensional es similar en ambos. Aparte de elevar el AMPc (presumiblemente vía proteínas Gs), el TIP39 también eleva los niveles intracelulares de Ca²⁺ (presumiblemente vía proteínas Gq).

Las células que expresan TIP39 en el cerebro adulto están restringidas al área subparafascicular del tálamo y al núcleo paralemniscal medial de la protuberancia. Las neuronas TIP39  del área subparafascicular han sido divididas en el grupo localizado medialmente en el tálamo periventricular (PVG) y el grupo localizado lateralmente en el complejo intralaminar posterior del tálamo (PIL). La evidencia reciente apoya la idea  de que la separación anatómica de estos grupos de células se corresponde con funciones  diferentes. Las neuronas TIP39 del área subparafascicular se proyectan a regiones límbicas e hipotalámicas mientras que el núcleo paralemniscal medial proporciona fibras TIP39 a la parte posterior del encéfalo y al cordón espinal y potencialmente afectan funciones auditivas y nociceptivas.

En el sistema nervioso, las fibras TIP39 y el PTH2R tienen un patrón de distribución bastante amplio. Una alta densidad de células que expresan PTH2R  y fibras que contienen  TIP39 y PTH2R está presente  en el núcleo preóptico medial y algunas partes que rodean al área preóptica medial. Un sistema neuromodulador TIP39-PTH2R es también abundante en los núcleos paraventricular y periventricular del hipotálamo. Algunas regiones cerebrales  que emiten proyecciones  hacia las neuronas hipofisiotrópicas también contienen una alta densidad  de cuerpos celulares que expresan PTH2R así como fibras que contienen TIP39 y PTH2R. Estas regiones cerebrales son la corteza infralímbica, el núcleo septal lateral, el núcleo del lecho de la estría terminal, la amígdala (especialmente sus núcleos medial y central), el núcleo parabraquial lateral, el locus coeruleus y el núcleo del tracto solitario. Por el contrario, el TIP39 y el PTH2R son escasos en varios núcleos hipotalámicos como el área preóptica lateral, el supraóptico, el supraquiasmático, el ventromedial y los núcleos medial y lateral de los cuerpos mamilares.

A partir de la distribución del sistema TIP39-PTH2R en el cerebro se ha establecido que este sistema modular peptídico está involucrado en una variedad de funciones neuroendocrinas. Las neuronas TIP39 localizadas en el PVG reciben información relacionada con la homeostasis mientras que las neuronas localizadas en el PIL reciben señales relacionadas con la reproducción. Los axones terminales de las neuronas TIP39 pueden facilitar sinapsis excitatorias a través de acciones presinápticas. Un ejemplo bien documentado  es la acción del TIP39 sobre las sinapsis glutamatérgicas en las neuronas CRH del núcleo paraventricular. Otra ruta para influir en la liberación de hormonas hipotalámicas es a nivel terminal de  neuronas hipofisiotrópicas en la eminencia media, como ocurre con la liberación de  somatostatina, la cual a su vez inhibe la liberación de hormona del crecimiento. Algunas acciones del TIP 39 pueden ser mediadas por neuronas inhibitorias tal como ocurre con la liberación de prolactina y arginina vasopresina. En este caso los terminales TIP39 pueden inervan los cuerpos celulares de neuronas GABAérgicas, o los terminales presinápticos que producen la activación de neuronas inhibitorias.

Los estudios anatómicos y funcionales han implicado al sistema TIP39-PTH2R en el mantenimiento de la temperatura corporal en un ambiente frío (vía rutas excitatorias descendentes a partir del área preóptica), el procesamiento de la información nociceptiva, la modulación de varios aspectos de la respuesta al estrés, y la liberación de prolactina en la lactancia.

Fuente: Dobolyi A et al (2012). The neuroendocrine functions of the parathyroid hormone 2 receptor. Frontiers in Endocrinology 3: artículo 121.

El control hipotalámico del balance energético

El control hipotalámico del balance energético

El balance energético es regulado por la ingesta calórica y el gasto de energía con el cerebro  como el principal organizador   de  los circuitos fisiológicos  implicados en la regulación del metabolismo energético, los cuales deben ser capaces de adaptarse rápidamente a los cambios en las condiciones ambientales.

En el diencéfalo ventral, el hipotálamo contiene poblaciones de células involucradas en las funciones homeostáticas, incluyendo la ingesta y el gasto de energía. En este sentido, el núcleo arcuato del hipotálamo es crítico para la regulación del balance energético. La activación de las neuronas proopiomelanortina (POMC) del núcleo arcuato dispara la liberación de  hormona estimulante  de melanocitos α (α-MSH) en el terminal axónico, la cual a su vez, activa  receptores de melanocortina tipo 4  (MC4R), suprimiendo la ingesta de alimentos e incrementando el gasto de energía. Por el contrario, la promoción de la actividad de las neuronas AgRP (o NPY/AgRP), también del núcleo arcuato, permite la liberación de AgRP (proteína relacionada con el agouti), la cual antagoniza el efecto de la α-MSH sobre los MC4Rs. Pero el sistema NPY/AgRP no sólo antagoniza a las anorexinérgicas células POMC  en los sitios donde se localizan los MC4Rs sino que también inhibe directamente  el pericario de las neuronas POMC.  Esta inhibición involucra al NPY (neuropéptido Y) y al GABA (ácido gamma aminobutírico), un evento que ocurre  a través de la inervación sináptica de las células POMC por parte de los terminales AgRP (Figura 1). La interacción unidireccional entre las orexinérgicas neuronas AgRP y el pericario  de las neuronas POMC es importante porque produce la inhibición tónica de las células POMC siempre que las neuronas AgRP están activas. Esta descripción anatómica  puede ser la explicación más simple de porque los circuitos neurales de la alimentación promueven más la ingesta de alimentos que la saciedad. Sin embargo, si bien es cierto que desde una perspectiva evolucionista la tendencia hacia el balance energético positivo es una necesidad,  también es cierto que constituye  una contribución importante a la etiología de los desordenes metabólicos. 

Figura 1. Neuronas POMC y AgRP en el núcleo arcuato.

Los dos componentes críticos del sistema melanocortina, las neuronas AgRP y POMC, responden a hormonas periféricas de una manera aguda. Así, por ejemplo, la leptina y la insulina  aumentan la tasa de descarga de impulsos nerviosos de las células POMC a través de mecanismos pre y postsinápticos al tiempo que  disminuyen la de las células AgRP. Por el contrario, la grelina aumenta la tasa de disparo de las neuronas AgRP  a través de un mecanismo directo, mientras que disminuye la frecuencia de potenciales de acción de las neuronas POMC predominantemente por un mecanismo presináptico.

Las neuronas hipotalámicas, particularmente las del núcleo arcuato, modulan su actividad agudamente en respuesta a las fluctuaciones en los niveles de combustibles metabólicos como ácidos grasos y glucosa. Las células cerebrales han desarrollado mecanismos que monitorean  la disponibilidad de energía en el espacio extracelular.  Uno de estos mecanismos es el incremento en la actividad  de la  quinasa dependiente de AMP (AMPK) en respuesta  a una disminución en la relación AMP/ATP. La activación de la AMPK favorece la respuesta celular generada para incrementar los niveles de ATP, incluyendo el incremento en la síntesis y captación de ácidos grasos y glucosa. Los estudios recientes sugieren que las neuronas hipotalámicas poseen un  mecanismo sensor de nutrientes similar. El ayuno, por ejemplo,  incrementa la actividad de la AMPK en el hipotálamo. Las células hipotalámicas son sensibles a los niveles circulantes de ácidos grasos libres y su respuesta puede ser mediada por la AMPK. Los ácidos grasos libres difunden en las neuronas hipotalámicas, donde son esterificados y transferidos a las mitocondrias para su oxidación, un proceso que en última instancia resulta en incremento de la ingesta de alimentos a través de la activación de las neuronas AgRP.  La transferencia de los ácidos grasos esterificados a las mitocondrias es mediada por la actividad  de las aciltransferasas dependientes de carnitina  1 y 2.  La actividad de la AMPK en el hipotálamo también es modulada por  hormonas periféricas, la leptina y la grelina disminuyen  e incrementan la actividad de la AMPK, respectivamente. Similar a la grelina, la AgRP incrementa la actividad de la AMPK, mientras que los agonistas de la α-MSH la disminuyen. Por otra parte, la proteína mitocondrial desacopladora tipo 2 (UCP2) puede jugar un papel en la generación  de las respuestas celulares en el núcleo arcuato, las cuales, en última instancia, provocan un incremento en la actividad del sistema melanocortina. Se ha sugerido que la UCP2 modula la eficiencia de los procesos metabólicos en las células hipotalámicas incrementando la neurotransmisión y modulando la remodelación sináptica. Los ácidos grasos promueven la transcripción y actividad de la UCP2.  Por otro lado, varios estudios han demostrado que la glucosa  es el principal disparador de la descarga de potenciales de acción de las neuronas POMC. Esto es consistente con el papel de las células POMC como señales de saciedad, pues en condiciones de saciedad, los niveles circulantes de glucosa aumentan y las neuronas POMC incrementan su descarga. Por el contrario, durante el balance energético negativo, los niveles de glucosa disminuyen  y las neuronas AgRP incrementan su tasa de descarga.

El hipotálamo retiene varias formas de plasticidad sináptica a través de la vida y frecuentemente se observan sinapsis inmaduras en el hipotálamo adulto. Por  ejemplo, el sistema magnocelular muestra plasticidad durante cambios en la homeostasis del agua. En el caso de la regulación diaria del balance energético tal plasticidad no ha sido considerada importante. Sin embargo, observaciones recientes sugieren que la plasticidad es un componente en el control hipotalámico de la homeostasis energética. En este sentido, un mecanismo presináptico dependiente de la AMPK es considerado fundamental en la inducción de la adaptación de las neuronas AgRP  a la privación de alimentos  y a la grelina. Este mecanismo presináptico actúa  en sinergia con adaptaciones de células autónomas que ocurren en las neuronas AgRP y que les permite incrementar su tasa de disparo  de una manera sostenida en respuesta a la privación  de alimentos o a la grelina, en ausencia de impulsos sinápticos, lo cual es también un mecanismo dependiente de la AMPK. La presencia de la UCP2 es otro mecanismo celular relacionado  con la plasticidad sináptica  que ocurre en las neuronas  AgRP en respuesta a la grelina y/o privación de alimentos.  El balance energético positivo también provoca cambios  en la plasticidad sináptica  en el núcleo arcuato. Ratones alimentados con una dieta rica en grasas exhibieron cambios en la plasticidad neuronal específicamente en el núcleo arcuato y no en el núcleo paraventricular o en el hipotálamo lateral que también son importantes en la regulación del balance energético.

Finalmente, es interesante resaltar que la alimentación aguda o crónica con dietas ricas en grasas  provoca una astrogliosis reactiva, la cual podría tener algún papel en la remodelación sináptica que ocurre en el núcleo arcuato durante los diferentes estados metabólicos.  Desde un punto de vista evolucionista, los astrocitos son más jóvenes que las neuronas y su número incrementa en la medida que incrementa la complejidad cerebral. Esta relación lineal entre el número de astrocitos y la complejidad cerebral sugiere que estas células tienen un papel crítico en el mantenimiento de las funciones neuronales. La evidencia reciente indica que los astrocitos son importantes para el mantenimiento  del aporte energético  de las neuronas y que también juegan un papel en la regulación de la plasticidad sináptica en diferentes áreas del cerebro. En este contexto, se ha sugerido que los astrocitos hipotalámicos  ejercen un papel fundamental  en la modulación de la organización sináptica de las neuronas POMC y AgRP. En línea con esta hipótesis, los astrocitos hipotalámicos responden a la leptina con cambios en los niveles de los transportadores de glucosa  y glutamato. Estos cambios también se han observado en el hipotálamo de  animales con sobrenutrición neonatal, revelando que el estatus metabólico y las señales hormonales pueden afectar los astrocitos localizados en las áreas críticas para la regulación del balance energético. La modulación de la captación de glucosa en los  astrocitos provocará, en última instancia, cambios en la homeostasis energética en las neuronas adyacentes. Similarmente, los cambios en la captación de glutamato determinarán  los niveles de este neurotransmisor en la hendidura sináptica, actuando por lo tanto los astrocitos como reguladores críticos de la formación de sinapsis excitatorias.

Fuente: Dietrich MO y Horvath TL (2013).  Hypothalamic control of energy balance: insights into the role of synaptic plasticity. Trends in Neuroscience 36: 65-73.