Efectos de los esteroides sexuales sobre  las neuronas kisspeptina

La kisspeptina es producida a partir  de un pro-péptido de 145 aminoácidos codificado por el gen KISS1. El pro-péptido es clivado proteolíticamente para producir un péptido de 54 aminoácidos con un  residuo arginina-fenilalanina-amida en el C terminal. La kisspeptina-54 puede ser procesada para producir péptidos más cortos como kisspeptina-14, kisspeptina-13, kispeptina-10, todas ellas con actividad biológica.  La kisspeptina y su receptor Kiss1R (anteriormente conocido como GPR54) son requeridos para la pubertad y la función reproductiva normal. La kisspeptina puede tener alguna actividad agonista sobre otros receptores acolados a proteína G.  La kisspeptina ejerce su efecto reproductivo directamente y específicamente sobre las neuronas GnRH. La mayoría de neuronas GnRH expresan Kiss1R.

Las neuronas Kiss1 se localizan primariamente en los núcleos anteroventral periventricular (AVPV) e infundibular o arcuato (ARC) del hipotálamo. Una pequeña población de neuronas que expresan el gen KISS1 ha sido identificada en la amígdala medial  en roedores adultos de ambos sexos. Adicionalmente, la kisspeptina se ha encontrado en una variedad de tejidos no neurales, incluyendo placenta, páncreas, gónadas, hipófisis y tejido adiposo, pero muy poco se conoce acerca de la función o regulación de estas poblaciones no neurales. Las poblaciones de neuronas Kiss1 de AVPV y ARC difieren notablemente en sus proyecciones eferentes y en la coexpresión  de otros neuropéptidos  y neurotransmisores. En primer lugar, las neuronas Kiss1 de AVPV proyectan sus fibras  a regiones donde se localizan los cuerpos  de las neuronas GnRH. Por el contrario, las neuronas KISS1 de ARC proyectan sus fibras hacia los axones o terminales de las neuronas GnRH en la eminencia media.  En segundo lugar, el fenotipo de las dos poblaciones de neuronas KISS1 difiere con respecto a la coexpresión de otros genes. Específicamente, la mayoría de neuronas Kiss1 de AVPV son dopaminérgicas y también expresan galanina o metaencefalina. Por el contrario, las neuronas Kiss1 ARC coexpresan neuroquinina B (codificada por el gen TAC2) y dinorfina, así como el receptor de neuroquinina  B (TACR3). Aunque los roles de estos cotransmisores no están muy claros, las diferencias fenotípicas entre las poblaciones KISS1 de AVPV y ARC subyacen a  importantes diferencias en sus funciones biológicas. Por ejemplo, el hallazgo de la ceoexpresión kisspeptina-neuroquinina B-dinorfina  en las neuronas Kiss1 de ARC ha dado lugar   a la propuesta de un modelo en el cual la neuroquinina B y la dinorfina trabajan de manera cíclica y autocrina/paracrina para regular la  descarga neuronal pulsátil en ARC que, a su vez,  gobierna la pulsatilidad de las neuronas GnRH.  

El AVPV  es conocido como la región hipotalámica que media la retroalimentación positiva de los estrógenos que produce el pico preovulatorio de LH, y las neuronas Kiss1 constituyen un factor importante en este proceso. Casi todas las neuronas Kiss1en el AVPV expresan  el receptor de estrógenos α (ERα), lo que sugiere una ruta directa por la cual los estrógenos podrían estimular estas neuronas. Aunque, al menos en hembras,  las neuronas Kiss1 de AVPV también expresan  ERβ, se ha demostrado que el ERα es el receptor primario en la regulación de la expresión del gen KISS1.  La acción estimuladora de los estrógenos sobre las neuronas Kiss1 de AVPV ocurre a través de la ruta de señalización “clásica” mediada por ERα. Los andrógenos como la testosterona también pueden incrementar la expresión del gen KISS1 en el AVPV, pero no los andrógenos no aromatizables como la dihidrotestosterona, lo que sugiere que el efecto estimulador de la testosterona se debe a la  aromatización  que los convierte en estrógenos. Además del hecho que los estrógenos estimulen las neuronas Kiss1 del AVPV, hay otras evidencias que relacionan a estas neuronas con el mecanismo que subyace al pico preovulatorio de LH inducido por los estrógenos. (1) La expresión del gen KISS1 aumenta en el tiempo del pico de LH. (2) El gen KISS1 y la activación de las neuronas Kiss1 son regulados circadiamente en sincronía con el pico de  LH, y las neuronas Kiss1 del AVPV  reciben impulsos neurales directamente del núcleo supraquiasmático, el “reloj” circadiano master.  (3) El pico preovulatorio de LH es sexualmente dimórfico, solamente las hembras son capaces de producir un pico de LH en respuesta a los estrógenos.  Las neuronas Kiss1 son sexualmente diferenciadas en el AVPV (en las hembras el AVPV es considerablemente mas grande que en los varones  debido a un mayor número de células y al mayor volumen celular), en concordancia con el dimorfismo sexual del pico de LH. (4) El pico de LH es dependiente de la señal kisspeptina, no ocurre en casos de ausencia o mutación del gen KISS1 o después del bloqueo farmacológico del Kiss1R.

En contraste con la población de neuronas Kiss1 del AVPV, las neuronas Kiss1 del ARC son reguladas negativamente por los estrógenos en hembras y varones. La testosterona también puede regular negativamente  la expresión del gen KISS1 en el ARC. Sin embargo, a diferencia del AVPV, este efecto puede ser mediado por el receptor de andrógenos, pues la dihidrotestosterona también es capaz de reprimir  los niveles de KISS1 en el ARC.  La regulación negativa de las neuronas Kiss1 en el ARC puede ocurrir a través de rutas de señalización “no clásicas” (independientes de la unión del ERα con los elementos de respuesta a los estrógenos en el promotor de KISS1), pues los estrógenos pueden reprimir la expresión de KISS1 en ratones que carecen de un dominio funcional de unión estrógeno-ADN.  Sobre la base de la capacidad  de  estrógenos y andrógenos para inhibir la expresión de KISS1 en el ARC, la población de neuronas Kiss1 ha sido propuesta  como mediadora de la retroalimentación negativa, inducida por esteroides sexuales, del eje reproductivo y responsable de generar el pulso secretor de GnRH (en oposición al AVPV, responsable de la generación del pico de GnRH pero no de su pulsatilidad). El apoyo de  este modelo deriva de  los registros electrofisiológicos de la actividad del ARC en roedores y animales superiores que demuestran que los pulsos de LH se correlacionan con los pulsos eléctricos  en las neuronas del ARC, y ha sido reforzado por las acciones autocrinas/paracrinas de neuroquinina B y dinorfina sobre las neuronas Kiss1 del ARC.  

¿Cómo actúan los esteroides sexuales, particularmente los estrógenos, en el “período crítico” perinatal para inducir la diferenciación sexual del AVPV? Al respecto se han considerado varias posibilidades: apoptosis diferencial, neurogénesis diferencial y silencio de genes. La apoptosis puede contribuir a las diferencias sexuales cuando las células de un núcleo cerebral entran en un proceso de “suicidio celular” en un sexo pero no en el otro. Este mecanismo está involucrado en algunos casos de diferenciación sexual y los marcadores apoptóticos pueden ser observados en el cerebro de un sexo pero no en el otro durante el período de diferenciación sexual. En este sentido, estudios recientes sugieren que la apoptosis mediada por BAX, un factor `pro-apoptosis, es requerida para la diferenciación sexual del tamaño del AVPV. Esto ha dado lugar a la hipótesis que establece que la apoptosis mediada por BAX también es requerida para  la diferenciación sexual en la expresión del gen KISS1 en el AVPV. Este modelo señala   que hembras y varones podrían comenzar con el mismo número de neuronas kiss1 y luego, en respuesta  a la exposición perinatal a  esteroides sexuales, los varones podrían perder una gran porción de estas células debido a la apoptosis.  La neurogénesis diferencial entre los sexos es, en teoría, otro posible mecanismo por el cual  podrían desarrollarse las diferencias sexuales de las neuronas Kiss1 del AVPV. Los eventos de la neurogénesis postnatal son un modo poco común de diferenciación sexual, pues la neurogénesis es un evento bastante raro en la neurobiología postnatal normal. Sin embargo, hay ejemplos de diferencias sexuales en la neurogénesis de bulbo olfatorio e hipocampo. Entonces, se podría especular que lo bajos niveles perinatales de esteroides sexuales en las hembras  podrían promover la mitosis en la neuronas Kiss1  del AVPV generando más neuronas, mientras que los altos niveles de testosterona  en varones podrían inhibir los procesos mitóticos reduciendo, por tanto,  el número  de neuronas Kiss1.  Al presente se dispone de poca evidencia  que apoye este modelo.   Otro mecanismo  que podría estar involucrado en la diferenciación sexual de la expresión del gen KISS1  es la modificación epigenética  que activa o silencia la expresión de un gen  a través de cambios en la estructura de la cromatina.   Algunos mecanismos epigenéticos como acetilación de histonas  y metilación del ADN han sido relacionados con diferencias sexuales  neuronales reportadas en la estría terminalis y el área preóptica, pero hasta ahora dicha relación no ha sido demostrada en las neuronas Kiss1 del AVPV.    

Con respecto a la población de neuronas Kiss1 del ARC, los datos recientes señalan que no es marcadamente dimórfica   en el adulto; pero en los períodos neonatal y juvenil si presenta características sexuales dimórficas, esta diferencia sexual desaparece antes que comience la pubertad.  Al parecer la diferencia sexual  neonatal en los niveles de KISS1 en el ARC es debida  a efectos activacionales (temporales) causados por las variaciones en los niveles circulantes de esteroides sexuales. En cuanto al período juvenil, los mecanismos hormonales que subyacen a la diferencia sexual no están  claros. Estudios recientes, particularmente en roedores, sugieren que hay factores gonadales, como los esteroides sexuales, que normalmente inhiben la expresión de KISS1 en el ARC durante el período puberal, pero la identidad  de estos factores reguladores, sus mecanismos de acción específicos y su relación funcional con el progreso de la pubertad no han sido determinados.           

Fuente: Poling MC y Kauffman AS (2013). Organizational and activational effects of sex steroids on kisspeptin neuron development.  Frontiers in Neuroendocrinology 34: 3-17.

Ovario, melatonina y estrés oxidativo

En el folículo ovárico, durante proceso de la ovulación  se producen especies reactivas del oxígeno (ROS, por sus siglas en inglés).  La melatonina (N-acetil-5-metoxitriptamina), secretada por la glándula pineal,  actúa en el folículo ovárico como un antioxidante reduciendo el estrés oxidativo inducido por ROS y contribuye a la maduración del oocito, al desarrollo del embrión y a la luteinización de las células granulosas.

La melatonina tiene un ritmo circadiano generado en el núcleo supraquiasmatico (NSQ) del hipotálamo y sincronizado a 24 horas primariamente  por el ciclo luz-oscuridad  que actúa vía NSQ. Durante el día, las concentraciones sanguíneas de melatonina son bajas, pero aumentan significativamente en la noche. La síntesis de melatonina es controlada por condiciones de luminosidad, la señal fotosensorial llega a la glándula pineal a través de una ruta polineuronal que comienza en la retina e involucra al tracto retinohipotalámico, el NSQ, el núcleo paraventricular, la columna intermedio lateral de la médula espinal y el ganglio cervical superior. En el control de la síntesis de melatonina tiene un papel crucial la noradrenalina, la cual es liberada en la glándula pineal por las terminaciones de las fibras nerviosas simpáticas postganglionares y se une a los receptores adrenérgicos de los pinealocitos donde activa la adenil ciclasa y aumenta los niveles de AMPc. El AMPc estimula la actividad de la arilalkilamina N-acetiltransferasa (AA-NAT), la enzima clave en la síntesis de melatonina. La biosíntesis de la melatonina comienza con la captación en la glándula pineal del aminoácido L-triptófano de la circulación sanguínea. En el pinealocito, el triptófano es convertido en  5-hidroxitriptofano el cual es descarboxilado para formar serotonina. La siguiente etapa comprende la N-acetilación de la serotonina para formar N-acetilserotonina, reacción que es catalizada por la AA-NAT. La etapa final es la O-metilación de la N-acetilserotonina a melatonina por la enzima hidroxiindol O-metiltransferasa (HIOMT).  Algunos tejidos periféricos como retina, tracto gastrointestinal, piel, leucocitos y médula ósea sintetizan melatonina.

Una vez sintetizada en la pineal, la melatonina es rápidamente liberada en la circulación sanguínea y el líquido cerebroespinal. La melatonina ha sido involucrada en muchas funciones en el organismo: ayudar a sincronizar los ritmos circadianos, promoción del sueño, estimulación inmune, regulación de la presión arterial, regulación de la reproducción, función oncostática y función antidepresiva. Algunas de estas acciones son mediadas por dos receptores, MT1 y MT2,  acoplados a proteína G y distribuidos ampliamente  en el cuerpo. La activación de estos receptores reduce la formación de AMPc, la actividad de la proteína quinasa A y la fosforilación del elemento de unión que responde al AMPc. Dependiendo del tejido, el órgano y la especie, la melatonina activa diferentes cascadas de señalización intracelular interactuando con el mismo subtipo de receptor. Ahora bien,  aun cuando algunas de las acciones de la melatonina son mediadas a través  de sus receptores específicos, es conocido que otra considerable cantidad de acciones dependen de su capacidad antioxidante. 

Las ROS, en concentraciones fisiológicas, pueden promover la supervivencia, la proliferación y la diferenciación celular, pero en altas concentraciones pueden promover la muerte celular por apoptosis o necrosis. El estrés oxidativo, que puede ser definido como un desbalance  entre moléculas pro-oxidantes, incluyendo especies reactivas de oxígeno y nitrógeno, y las defensas antioxidantes,  tiene un efecto tóxico directo sobre las células, provocando peroxidación de lípidos, oxidación de proteínas o daño del ADN. El estrés oxidativo tiene un rol causal o adyuvante  en casi todas las patologías humanas, incluyendo el cáncer y la neurodegeneración, y está también involucrado en el envejecimiento y las patologías inflamatorias crónicas. Un pequeño porcentaje (1-4%) del oxígeno que entra en las células es metabolizado a derivados referidos a menudo  como radicales libres o ROS. La mitocondria es el sitio subcelular más importante de producción de ROS, la cadena transportadora de electrones genera directamente el radical anión superóxido (O₂^-). El O₂^- no es considerado una sustancia altamente reactiva y, por lo tanto,  el daño estructural directo  a las moléculas puede ser mínimo. El O₂^- es convertido en peróxido de hidrógeno (H₂O₂) por una enzima específica, la manganeso-superóxido dismutasa (Mn-SOD). La toxicidad directa del H₂O₂ en las células es limitada, sin embargo, tiene una vida media larga (>4seg) y puede atravesar  fácilmente las membranas. Aunque el H₂O₂ generalmente es convertido en H₂O por el glutatión peróxido en la mitocondria, una parte y/o exceso  de H₂O₂ puede difundir al citoplasma, el núcleo o las membranas y aumentar las concentraciones de ROS. El H₂O₂ es convertido rápidamente  en el radical hidroxilo (^-OH) cuando está en presencia de un metal de transición como el hierro. El ^-OH en un ambiente acuoso tiene una vida media muy corta (<1nseg), pero es altamente reactivo. Entonces, cuando es producido en vivo, el ^-OH daña o destruye cualquier molécula que se encuentre en la vecindad donde es generado.  La formación de ^-OH en la vecindad del ADN puede llevar a este radical a reaccionar con las bases del ADN. Dado que la base más sensible del ADN es la guanina, el ^-OH reacciona con esta base para formar 8-hidroxi-2^´desoxiguanosina (8-OHdG), uno de los principales productos de la oxidación del ADN y, a la vez, un marcador sensible del ADN dañado oxidativamente.  

Los antioxidantes son moléculas que destoxifican el exceso de ROS ayudando a mantener el delicado balance oxidante/antioxidante del cuerpo. Hay dos tipos de antioxidantes: enzimáticos (superóxido dismutasa, glutation peroxidasa, catalasa, etc.) y no enzimáticos (vitamina E, vitamina C, glutation, melatonina, ácido úrico, albúmina, etc). La melatonina  es un poderoso atrapador de radicales libres, por su pequeño tamaño  y  sus propiedades lipofílicas atraviesa todas las membranas celulares y alcanza fácilmente los compartimentos subcelulares, incluyendo mitocondria y núcleo.  En particular, la melatonina preserva la función mitocondrial y la homeostasis celular reduciendo y previniendo el estrés oxidativo mitocondrial y con ello previene también eventos apoptóticos y la muerte celular. La melatonina es también un poderoso antioxidante,  su capacidad para atrapar radicales libres es de amplio espectro: O₂^-, ^-OH, ¹O₂, H₂O₂, HOCl, NO^- y ONOO^-, en el caso del ^-OH su capacidad es mucho mayor que la de otros antioxidantes. Pero no sólo es la melatonina  la que actúa como atrapador  de radicales libres,  también los metabolitos  que se forman durante estas interacciones (3-hidroximelatonina cíclica, N1-acetil-N2-formil-5-metoxikinuramina  y N1-acetil-5-metoxikinuramina) son excelentes atrapadores de reactivos tóxicos.  Por otra parte, la melatonina juega un papel importante en la activación de   antioxidantes enzimaticos como superóxido dismutasa, catalasa, glutatión peroxidasa, glutatión reductasa y glucosa-6-fosfato deshidrogenasa.

El mecanismo de la ovulación ha sido comparado con una reacción inflamatoria. Los componentes inflamatorios que se encuentran en la ovulación incluyen los incrementos en la síntesis de prostaglandinas,  la producción de citoquinas y  la permeabilidad vascular. Las ROS son importantes mediadores de estas reacciones inflamatorias. Macrófagos, neutrófilos y células endoteliales vasculares residen en el folículo ovárico y producen ROS durante la ovulación. Aunque las ROS juegan un rol en la ruptura del folículo durante la ovulación, ellas potencialmente dañan al oocito y evitan la luteinización de las células granulosas. Las ROS también reducen la producción de progesterona porque inhiben enzimas esteroidogénicas y proteínas transportadoras intracelulares involucradas en el transporte del colesterol hacia la mitocondria. Las ROS son esenciales para la maduración del oocito, la fosforilación oxidativa en la mitocondria proporciona la energía necesaria para la maduración del oocito desde estadio de vesícula germinal a oocito maduro metafase II (MII), identificado por el aparecimiento del primer cuerpo polar. El oocito MII consume altos niveles de ATP. Sin embargo, la sobre-producción de ROS inhibe la síntesis de ATP y daña la mitocondria.

La concentración de melatonina en el ovario es diez veces mayor que la plasmática y muestra una variación fásica como en la glándula pineal. Adicionalmente,  la captación de melatonina por el ovario es alta comparada con otros tejidos periféricos. Por otro lado, la concentración de melatonina   en el líquido antral de los folículos grandes es mayor que en los folículos pequeños, lo que sugiere  que el incremento de melatonina en los folículos preovulatorios   puede tener un papel importante en el proceso de ovulación. En efecto, la melatonina puede regular la función ovárica vía activación de múltiples receptores y rutas de señalización  en células granulosas y tecales. Durante la ovulación, la melatonina protege las células granulosas de las ROS en el folículo y contribuye a su luteinización. Como se mencionó anteriormente, las ROS reducen la producción de progesterona por las células granulosas luteinizadas,  sin embargo, la melatonina, según estudios recientes,  elimina el efecto inhibitorio del H₂O₂ sobre la producción de progesterona.

Fuente: Tamura H et al (2013). Melatonin as a free radical scavenger in the ovarian follicle.  Endocrine Journal 60: 1-13.

Tolerancia inmunológica en el embarazo

La tolerancia inmunológica  materno-fetal es un evento natural por el cual el sistema inmune materno no inicia una repuesta contra el antígeno semialogénico representado por el feto. El término tolerancia materno-fetal puede resultar confuso por cuanto no es el feto el que está en contacto directo con el tejido materno, sino la placenta.  La placenta es la fuente principal de antígenos y al mismo tiempo es el blanco directo de la respuesta inmune materna. En los humanos, el modo de placentación hemocorial permite que el contacto entre la madre y la placenta ocurra a través de dos superficies distintas.  (1) La superficie externa de la placenta está embebida en la decidua materna, una capa de estroma especializado derivado del endometrio que proporciona el soporte físico para el desarrollo de la placenta. La yuxtaposición de la placenta y la decidua crea la interfase materno-fetal, el lugar donde es más obvio el contacto entre el trofoblasto placentario y los leucocitos uterinos (principalmente células “Killer” naturales deciduales (dNK) y macrófagos). (2) La sangre materna proveniente de las arterias espirales uterinas  invade los espacios lacunares y baña directamente al trofoblasto de las vellosidades placentarias. Cerca de la superficie de la placenta, el trofoblasto extravelloso invade las arterias espirales y reemplaza al endotelio, facilitando la remodelación vascular necesaria para el adecuado aporte sanguíneo al feto. Esta segunda interfase permite que los antígenos expresados por la placenta puedan ser liberados directamente en la circulación materna para modular sistemáticamente la respuesta inmune materna.

En el primer trimestre del embarazo, aproximadamente 30-40%  de la decidua está constituida por células inmunes maternas, la mayoría de ellas son células dNK (70%), pero también están presentes macrófagos (<30%), células T (<20%) y células dendríticas (DC, <2%). Las células dNK difieren de su contraparte periférica no sólo en el fenotipo sino también en su función aparente. Típicamente, las células dNK son CD56 ^brightCD16^-, mientras que las NK periféricas son CD56^dim/CD16⁺. El CD16 está  involucrado  en la lisis de las células blanco. Entonces, la ausencia de CD16 en las dNK reduce la citotoxicidad de estas células, desviando su función hacia la producción de citoquinas. La mayoría de las células dNK  se localizan en el sitio de la invasión del trofoblasto –la decidua basal- y liberan  factores de crecimiento y quimiocinas que aumentan la invasión. Las células dNK también   promueven el establecimiento de la circulación placentaria a través de factores angiogénicos, como el factor de crecimiento del endotelio vascular (VEGF) y el interferón-γ (IFNG), que inducen el desarrollo vascular.  Las células dNK pueden ser activadas o inhibidas por ligando expresados por el trofoblasto extravelloso. EL principal ligando es el HLA-C paterno, la única molécula clase 1 clásica del complejo mayor de histocompatibilidad expresada en la superficie del trofoblasto.  La molécula HLA-C es reconocida por el receptor similar a inmunoglobulina (KIR) en la superficie de la célula dNK y su acción inhibe la capacidad lítica de la dNK.  La proporción de células dNK que expresan KIR es mucho mayor que su contraparte periférica. Por otra parte, en el embarazo temprano, las dNK producen IFNG que actúa de una manera autocrina estimulando la producción de IGNG, VEGF, angiopoyetina2 y prostaglandina F, creando un medio proangiogénico. El IFNG también activa la producción de óxido nítrico, un compuesto que estimula la vasodilatación e inhibe la proliferación de células de músculo liso vascular. Ahora bien, el IFNG puede tener efectos proliferativos o citotóxicos, según sea la densidad relativa de sus dos receptores: IFNGR1 e IFNGR2, los cuales son expresados en la superficie del trofoblasto durante el embarazo.

La cercanía entre las células maternas y el trofoblasto fetal podría activar repuestas inmunes adaptativas. Sin embargo, la función inmune adaptativa es restringida durante el embarazo para proteger al feto. Esta restricción es mediada primariamente por la supresión de la respuesta  de los linfocitos “helper” 1 (Th1) y el incremento de células T reguladoras (T_reg). Las células presentadoras de antígenos (células B, células T CD4⁺) pueden diferenciarse en linfocitos Th o células T_reg. El tipo de célula presentadora de antígeno conjuntamente  con las citoquinas del medio y la dosis de antígeno, determinan la ruta de diferenciación de las células T. Durante el embarazo, la dosis de antígeno es expresada por las proteínas no maternas en el trofoblasto de la interfase materno-fetal.  Por tanto, el trofoblasto influye en la diferenciación de los linfocitos T CD4⁺ en Th1, Th2, Th17 o células T_reg. Las células Th1 promueven la citotoxicidad a través de la producción de IL2 e IFNG y tiende a ser inhibidas  en los embarazos normales. Las células Th2 son predominantes en el segundo y el tercer trimestre de un  embarazo normal y  producen IL4, IL5 e IL10 que protegen al feto de ser rechazado  al inhibir la diferenciación de las células T DC4⁺ en células Th1. Adicionalmente, la alta concentración de progesterona durante el embarazo desvía la diferenciación de las células Th hacia el fenotipo Th2. Por otra parte, el embarazo normal se caracteriza por un incremento en el número de células Treg en la interfase materno-fetal que producen IL-10 y factor de crecimiento transformante β (TGFB) que favorecen la tolerancia. Las célula Th17, implicadas en patologías autoinmunes e inflamatorias, producen IL17, una citoquina proinflamatoria. En el embarazo temprano, la producción de IL17 está a cargo de las células T CD4⁺ de la decidua, pero las células T_reg  pueden desviarse al fenotipo Th17 en presencia  de citoquinas o de un estímulo inflamatorio. Esta deviación es suprimida por la enzima indolamina-2,3-dioxigenasa (IDO), una molécula altamente expresada por el trofoblasto extravelloso.

La deprivación de aminoácidos como regulador de la respuesta de los linfocitos ha sido implicada en la inmunosupresión en la interfase matero-fetal. La evidencia acumulada indica que la IDO inhibe la proliferación de las células T a través de la depleción de triptófano. La IDO también tiene importancia fisiológica porque la disminución de los niveles de triptófano deriva en vasodilatación a través de la disminución de serotonina. Las células dendríticas también producen IDO lo que aumenta la activación y mantenimiento  de células T_reg.

Las células del trofoblasto extravelloso, como se ha mencionado anteriormente, expresan la molécula HLA-C, pero también expresan moléculas clase 1 no clásicas como la HLA-G que disminuye la actividad de las células dNK e inhibe la citotoxicidad  de linfocitos T. La HLA-G es tanto una  proteína unida a membrana como secretada como proteína soluble. Cada una de estas proteínas interactúa con sus receptores  en la superficie de las células dNK para proteger al trofoblasto contra  la citolisis mediada por dNK. Adicionalmente, la HLA-G soluble promueve la secreción de factores angiogénicos importantes en la remodelación vascular de las etapas iniciales  del embarazo. Las células del trofoblasto también expresan FAS (CD95) y ligando de  FAS (CD95L). La presencia de  FASL en el trofoblasto juega un rol activo en la apoptosis de los linfocitos activados generando tolerancia inmunológica. La HLA-G soluble regula positivamente la expresión de FASL  sobre células T CD8⁺ activadas, disparando la apoptosis. La expresión de FASL en las células del trofoblasto también facilita la apoptosis de células endoteliales, favoreciendo la invasión y remodelación de las arterias espirales uterinas.

En resumen, el embarazo es una interacción reguladora entre la madre y el feto en desarrollo. La placenta activamente produce y secreta varios factores inmunoreguladores para prevenir el rechazo del feto histoincompatible por el sistema inmune materno innato y adaptativo. Los factores producidos por el trofoblasto regulan las células inmunes maternas presentes en la decidua.  Las células T CD8⁺ están presentes en la interfase materno-fetal y la apoptosis de estas células es inducida por el FASL presente en las células del trofoblasto extravelloso. La tolerancia inmunológica en la interfase materno-fetal requiere de una estricta regulación temporal  inmuno-vascular. La angiogénesis y la invasión del trofoblasto son procesos inmunológicamente activos.

Fuentes: Erlebacher A (2013). Mechanisms of T cell tolerance towards the allogeneic fetus. Nature Reviews Immunology 13: 23-34.

Warning JC et al (2012). A balancing act: mechanisms by which the fetus avoids rejection by the maternal immune system. Reproduction 141:715-724.

Mecanismos moleculares de la activación del espermatozoide

La transformación en la forma funcionalmente competente de los espermatozoides es activada durante el período post-espermatogénico. La activación de un espermatozoide implica la adquisición de tres competencias funcionales: motilidad hacia delante, motilidad hiperactivada y exocitosis acrosomal.   La exocitosis acrosomal y la motilidad son estructuralmente compartamentalizadas entre la cabeza y la cola del espermatozoide, respectivamente. Los espermatozoides son incapaces de llevar a cabo estas funciones inmediatamente después de su salida de los túbulos seminíferos del testículo. La maduración en lugares específicos y en tiempos particulares hace  al espermatozoide competente para la fertilización. En particular,  el proceso conocido como capacitación promueve   la motilidad hiperactivada y prepara al espermatozoide para la exocitosis  acrosomal en respuesta a un estímulo fisiológico apropiado. La capacitación normalmente tiene lugar en el tracto reproductor femenino e incluye eventos bioquímicos como la estimulación de la actividad de la adenil ciclasa soluble, la fosforilación de residuos tirosina de las proteínas y la nitrosilación de proteínas. La penetración de la zona pelúcida del ovulo y los eventos subsiguientes de la fertilización requieren de la exocitosis acrosomal.

Los espermatozoides pueden ser divididos en dos compartimentos críticos para la fertilización pero morfológicamente distintos: cabeza y cola. La cabeza a su vez comprende una región acrosomal, involucrada en la   unión a la zona pelúcida y en la exocitosis acrosomal, y un núcleo que contiene una versión haploide del material genético.  El flagelo, que produce energía e impulsa al espermatozoide a través del tracto reproductor femenino, estructuralmente está segmentado en la pieza media mitocondrial, la pieza principal y la pieza terminal. En las condiciones fisiológicas normales, el flagelo tiene un papel clave en el control de la exocitosis acrosomal y la motilidad. El flagelo posee características de un cilio sensorial, lo que le permite “sensar” las alteraciones del medio externo (pH y cambios iónicos) y potencialmente detectar y responder a factores quimiotácticos y quimiocinéticos que podrían influir en la dirección y la velocidad del movimiento. Un mecanismo sensor intracelular podría también  ser usado  para dirigir la señal  del  flagelo a la cabeza  y estimular la exocitosis acrosomal.

Los espermatozoides emergen de los testículos  en una forma  funcionalmente inactiva y  pasan sucesivamente a través de la rete testis, los conductos deferentes, el “caput” del epidídimo, el cuerpo del epidídimo y, finalmente, la cola del epidídimo donde son almacenados hasta la eyaculación.  Durante su transito por el epidídimo los espermatozoides  adquieren el primer estadio de la competencia celular mediante modificaciones bioquímicas y fisiológicas, las cuales les permitirán  a los espermatozoides, cuando se encuentren en un ambiente permisivo como el tracto reproductor femenino, adquirir progresivamente la capacitación requerida para la fertilización. A nivel bioquímico, la oxidación de  grupos sulfidrilos de las proteínas del espermatozoide  se correlaciona con la estabilización de estructuras de la cola  y la promoción  de la fosforilación de residuos tirosina  de  proteínas involucradas en rutas de señalización. Trabajos recientes indican que los espermatozoides del epidídimo poseen la capacidad para la motilidad  pero la capacidad para nadar es suprimida por la actividad del receptor de canabinoide CB1; cuando  se une a su ligando, el endocanabinoide 2-araquidonoilglicerol (2-AG), el CB1 suprime la capacidad de nadar del espermatozoide, especialmente en el “caput” del epidídimo, donde los niveles de 2-AG son altos. A medida que progresan a través del epidídimo, los espermatozoides experimentan cambios en el ambiente externo. La acidificación de los contenidos luminales del epidídimo mantiene al espermatozoide en un estado de inmovilidad que es regulado por  las células claras del epidídimo, las cuales contrarrestan la elevación del pH luminal a través de un aumento de AMPc, dependiente de la actividad de la adenil ciclasa soluble, lo que permite la acumulación de una ATPasa secretora de protones en la membrana apical.

Como todas las células, el espermatozoide requiere de la energía del ATP para llevar a cabo funciones como la motilidad celular, la exocitosis acrosomal y la actividad de bombas y canales iónicos. Dada la ausencia de glucógeno y la pobre capacidad para almacenar combustibles, el espermatozoide  debe hacer su propio ATP a partir de los sustratos disponibles. Durante la espermatogénesis, varias enzimas glucolíticas tradicionales  son reemplazadas por enzimas específicas de las células germinales masculinas,  las cuales se encuentran mayoritariamente en asociación con la vaina fibrosa de la pieza principal del flagelo. De esta manera, las mitocondrias en la pieza media se encargan de la fosforilación oxidativa mientras que la glucólisis está restringida  a la vaina fibrosa. La adquisición de la motilidad  se debe, en parte, a una disminución de la actividad de la enzima glucógeno sintetasa quinasa-3 (GSK-3), por la fosforilación de sus residuos tirosina cuando el espermatozoide atraviesa el epidídimo. La actividad  GSK-3 de los espermatozoides en el “caput” del epidídimo es seis veces mayor que la de los espermatozoides en la cola del epidídimo.  El efecto inhibitorio de la fosforilación de tirosinas sobre la actividad enzimática de la  GSK-3 está acoplado  con el aumento de esta modificación por el AMPc a través de la activación de la PKA.  La evidencia acumulada indica que la PKA facilita la adquisición  de motilidad hacia delante en los espermatozoides de la cola del epidídimo. La adenil ciclasa soluble, aunque está presente en tejidos somáticos, es más abundante en los testículos y el AMPc, tanto en células germinales en desarrollo como en espermatozoides maduros, es generado casi en su totalidad por está ciclasa. En los espermatozoides de la cola del epidídimo, la adenil ciclasa soluble  está localizada principalmente  en la pieza media  del flagelo.

En el tracto reproductor femenino, los espermatozoides exhiben motilidad hiperactivada que se caracteriza por latidos flagelares asimétricos  con amplitud aumentada. La hiperactividad requiere la alcalinización del espermatozoide y es dependiente de Ca²⁺. En el espermatozoide, el Ca²⁺ puede ser movilizado del medio externo a través de canales en la membrana plasmática o liberado internamente de los depósitos intracelulares localizados en la base del flagelo y en el acrosoma. Varios canales de Ca²⁺ han sido identificados  en el espermatozoide, regulados por voltaje o por otros mecanismos. Los miembros de la familia CATSPER (cation channel, sperm associated) de canales de Ca²⁺, localizados en la pieza principal, son sensibles a la alcalinización intracelular y son esenciales para la capacitación de los espermatozoides. Recientemente, el canal CATSPER ha sido identificado como  el mediador de la entrada de Ca²⁺ inducida por progesterona en el espermatozoide humano. La alcalinización intracelular durante la capacitación también afecta al potencial de membrana, produciendo una rápida hiperpolarización de la célula. La hiperpolarización  es mediada primariamente por  una débil corriente hacia fuera de K⁺ originada en la pieza principal  del flagelo. La alcalinización activa la I_k sensible a pH, creando un potencial de membrana negativo donde la entrada  de Ca²⁺ vía  I_CATSPER es maximizada. Otro canal potencialmente involucrado en la hiperpolarización es el canal K_ATP. Por otro lado, el intercambiador Na⁺/H⁺ sensible a HCO₃^- localizado en la pieza principal es un antiporter  catión-protón que puede participar en la alcalinización  del espermatozoide. La entrada de Cl^-  dependiente de AMPc  regula los canales de Na⁺ durante la capacitación  y también contribuye  a la hiperpolarización de la membrana.

Una manera como la capacitación prepara al espermatozoide para la fertilización es promoviendo la exocitosis acrosomal, un evento que es estimulado por proteínas de la zona pelúcida  o por la progesterona del líquido extracelular del cúmulus del oocito.  La exocitosis acrosomal, un prerrequisito absoluto para la fertilización, difiere de la exocitosis convencional en varios aspectos: (1) cada espermatozoide tiene solamente una vesícula secretoria, el acrosoma; (2) múltiples puntos de fusión se forman entre la membrana acrosomal externa y la membrana plasmática; (3) las membranas acrosomal externa y plasmática  forman vesículas híbridas y partículas que son desprendidas  durante la exocitosis;  (4) no hay reciclaje de membrana, la exocitosis acrosomal es irreversible.  La actina del citoesqueleto juega un rol importante  en la regulación  de la exocitosis acrosomal. Durante la capacitación, la actina globular (G) es polimerizada  a actina filamentosa (F) que estabiliza la maquinaria exocitótica para restringir la fusión de los gránulos secretorios con la membrana plasmática. Cuando los espermatozoides capacitados son estimulados  para la exocitosis acrosomal, rápidamente ocurre la despolimerización de la actina F. Un aumento del Ca²⁺ intracelular parece ser el evento clave para la despolimerización de la actina F que da paso a la exocitosis acrosomal. 

El Ca²⁺ es obligatorio para que ocurra la exocitosis acrosomal. Diversos estudios han demostrado que el aumento de Ca²⁺ inducido por la exposición a proteínas de la  zona pelúcida o a la progesterona del líquido extracelular del cúmulus del oocito comienza en la cola del espermatozoide y luego la onda de Ca²⁺ se propaga hacia la cabeza en dirección anterógrada, progresando de la base  hacia la parte apical de la cabeza, para estimular la exocitosis acrosomal. La secuencia de eventos sería la siguiente: (1) un ligando extracelular (proteínas de la zona pelúcida, progesterona, etc.) se une y activa un receptor en la pieza principal del flagelo del espermatozoide, (2) como resultado de la activación del receptor, se activa una bomba de protones y se alcaliniza el citoplasma, (3) en respuesta al incremento del pH intracelular, se activan canales de K⁺ provocando la hiperpolarización de la membrana, se abren los canales CATSPER y el Ca²⁺ extracelular entra a la célula, (4) el Ca²⁺ interno aumenta a través de la pieza principal, causando una onda de Ca²⁺ que progresa en dirección anterógrada hacia la cabeza del espermatozoide, (5)  en la medida que la onda de Ca²⁺ progresa, la señal es amplificada por la liberación  de Ca²⁺ de los depósitos internos cerca de la unión cabeza-cola,  (6) en respuesta a la onda de Ca²⁺, la exocitosis acrosomal progresa en dirección anterógrada.

Fuente: Buffone MG et al (2012). Heads or tails? Structural events and molecular mechanisms that promote mammalian sperm acrosomal exocytosis and motility.  Molecular Reproduction &Development 79: 4-18.

El rol de los estrógenos en la espermatogénesis

En los testículos, como ocurre en otros tejidos, la aromatasa es la enzima que transforma irreversiblemente los andrógenos (esteroides de 19C) en estrógenos (esteroides de 18C). Es bien conocido que en el testículo adulto la aromatasa está localizada en las células de Leydig. Sin embargo,  la evidencia acumulada en los últimos años en diversas especies animales adultas indica que en los túbulos seminíferos las células germinales también participan en la producción de estrógenos. En efecto, en la rata inmadura, las células de Sertoli son la principal fuente de estrógenos, mientras que en el animal adulto son  las células germinales y las células de Leydig, lo que sugiere un  desvío relacionado con la edad en la expresión de la aromatasa. Por otro lado, la actividad aromatasa es más importante  en las células germinales haploides que en las células más jóvenes aunque la cantidad  de transcripto de aromatasa es mayor en los espermatocitos que en las espermatides. Por lo tanto, todas las células testiculares, excepto las células miodeas peritubulares, expresan aomatasa.

La espermatogénesis tiene lugar en los túbulos seminíferos y puede ser dividida en tres etapas. (1) La primera etapa corresponde  a la fase de proliferación por mitosis de las espermatogonias, (2) la última división permite la formación de espermatocitos preleptotene los cuales dan origen  a las espermátides redondas vía meiosis, (3) finalmente, la espermiogénesis permite la maduración  de las espermátides  en espermatozoides maduros. Esta etapa es un largo período que puede ser dividido  en varias etapas (6 en el humano, 19 en la rata). Durante esta etapa, las espermátides  experimentan algunas modificaciones morfológicas como el establecimiento del flagelo, la formación del acrosoma y la elongación del núcleo. Una gran parte del citoplasma es eliminada y progresivamente la cromatina se va condensando con los cambios de histonas por proteínas de transición y luego por protaminas.  La espermatogénesis es  un proceso altamente regulado por factores endocrinos, paracrinos o autocrinos. Además de las gonadotropinas y los andrógenos, los estrógenos son reconocidos  como reguladores de la espermatogénesis en numerosas especies, incluyendo los humanos. 

Los estrógenos, para ejercer un efecto biológico, deben interactuar con receptores de estrógenos de alta afinidad (REα y REβ) los cuales a su vez modulan la transcripción de genes (efecto genómico) y/o activan diferentes rutas de señalización a través de receptores GPR30 transmembrana  acoplados a proteína G (efecto no genómico). En contraste con el receptor de andrógenos localizado principalmente en células somáticas, los receptores de estrógenos han sido descritos en todas las células testiculares de la rata. Los estrógenos se unen  a receptores de membrana  y se activan  diferentes rutas de señalización: Ca²⁺, AMPc, óxido nítrico y la activación de receptores tirosina quinasa (EGFR, IGF-IR), quinasa proteína/lípidos (PI3K, Akt) o quinasas Src, PKA, PKC. Datos recientes han demostrado que los GPR30 están involucrados  en los efectos proliferativos de los estrógenos en las células testiculares. Los estrógenos a través de receptores GPR30 y de efectos genómicos son capaces de activar cascadas de señalización, que a su vez disparan una ruta apoptótica mitocondrial (a través de un incremento en la expresión de Bax, un marcador apoptótico) y una disminución concomitante  de la expresión de los genes de las ciclinas A1 y B1 en espermatocitos, así como también de controlar la apoptosis y la maduración/diferenciación de las espermátides redondas.  

En los humanos, la presencia de una aromatasa biológicamente activa y de receptores de estrógenos (REα y REβ) ha sido reportada en las células de Leydig, en las células germinales inmaduras y en los espermatozoides eyaculados.  Los espermatozoides humanos también expresan el receptor GPR30. Si bien el rol de los estrógenos en la espermatogénesis es aún materia de debate, las observaciones  de disminución en el número y la motilidad de los  espermatozoides en hombres genéticamente  deficientes en aromatasa y los datos reportados en la literatura sugieren un rol para los estrógenos no sólo durante el desarrollo y mantenimiento de la espermatogénesis sino también en la maduración final  de los espermatozoides.  

En conclusión, el rol de los estrógenos (intracrino, paracrino o autocrino) en la espermatogénesis (proliferación, apoptosis, supervivencia y maduración) es ahora obvio tomando en cuenta la presencia simultánea  de una aromataa biológicamente activa y la amplia distribución  de los receptores de estrógenos,  especialmente durante la espermiogénesis.

Fuente: Carreau S et al. (2012). Estrogen, a female hormone involved in spermatogenesis. Advances in Medical Sciences 57: 31-36.