Control neuroendocrino de la secreción de GnRH por las kisspeptinas

El gen KISS1 codifica un producto precursor de 145 aminoácidos que posteriormente es clivado en un péptido  de 54 aminoácidos, llamado originalmente metastina por su capacidad de reducir el potencial metastásico del melanoma, y actualmente conocido con el nombre de  kisspeptina 54 (Kp54). El clivaje adicional de la Kp54 da lugar a la producción de péptidos más cortos, llamados Kp16, Kp14, Kp13 y Kp10 según la cantidad de aminoácidos. Todos estos péptidos han sido detectados en el cerebro y son considerados neuropéptidos endógenos. Inicialmente se consideraba que los productos del gen KISS1 no eran secretados y por consiguiente sólo actuaban intracelularmente. Sin embargo, estudios posteriores revelaron una secuencia secretoria y plantearon la posibilidad de la interacción con un receptor de membrana. Este receptor fue identificado en el año 2001 y es conocido como KISS1R (también conocido como GPR54, AXOR12 o HH8). El KISS1R es miembro  de la familia  de receptores acoplados a proteína G (GPCR) y ha sido incluido en la clase A, subfamilia A5,  de los GPCR.

En los mamíferos se han identificado dos poblaciones principales de neuronas hipotalámicas que expresan Kp. La población más prominente está localizada en  el núcleo arcuato, donde la Kp es coexpresada con dinorfina y neurokinina B. La segunda población de neuronas Kp tiene una distribución neuroanatómica más variable dependiendo de la especie.  En los roedores está localizada en la región periventricular rostral (incluye al núcleo anteroventral periventricular, AVPV) del hipotálamo y es sexualmente dimórfica, con mayor cantidad de neuronas en las hembras que en los machos.  Por el contrario, en los primates está población de neuronas está localizada principalmente en el área preóptica.  Ambas poblaciones hacen contactos sinápticos  directos con las neuronas GnRH y/o sus terminales en la eminencia media.  La acción de la Kp sobre las neuronas GnRH favorece la secreción de la GnRH, la cual provoca en la hipófisis un marcado incremento de la liberación de hormona luteinizante (LH) y, en menor extensión, de hormona estimulante del folículo (FSH).

El primer efecto observado con la Kp fue una reducción de la invasividad celular. Este efecto fue asociado con una reducción de la actividad  de la metaloproteinasa de matriz (MMP) 9. Las MMP son enzimas expresadas en varios tumores humanos que participan  en la invasividad del tumor a través  de la degradación de la matriz extracelular. La acción Kp sobre las MMP tiene lugar a través de un mecanismo que involucra la inhibición de la translocación del NFκB  al núcleo. Estudios posteriores sugieren que la Kp podría a su vez  ser un sustrato para las MMP las cuales  cortarían el enlace Gli⁷-Leu⁸ en la región C-terminal de la Kp10.  Experimentos con animales demostraron que la aplicación de Kp54 o sus derivados más cortos, especialmente Kp10, a células transfectadas con el KISS1R induce la movilización de  Ca²⁺ lo que indica que el KISS1R podría estar acoplado  a una proteína G_q/11. Este acoplamiento fue confirmado con la observación de que la estimulación del KISS1R  induce la formación de IP₃ a través de un mecanismo dependiente de la fosfolipasa C (PLC). Estudios adicionales demostraron que, además de la movilización de Ca²⁺, hay otros eventos intracelulares asociados con la activación del KISS1R. En particular, la fosforilación de MAPK y la activación de β-arrestinas. La estimulación de la ruta MAPK puede ocurrir por diferentes vías: estimulación ERK1/2, estimulación de la kinasa de adhesión focal, fosforilación de la kinasa p38 y activación PI₃K/Akt.  Por otra parte, los datos de estudios in vivo sugieren que la respuesta Kp  disminuye después de la estimulación continua. Esta disminución de la respuesta Kp implica algún grado  de desensibilización y/o internalización del receptor.  En este sentido, las β-arrestinas son conocidas por su papel en la desensibilización de los GPCRs y hay evidencia de que la Kp10 induce el reclutamiento de β-arrestinas hacia la membrana. El KISS1R y las β-arrestinas se colocalizan en vesículas internalizadas lo que sugiere que las β-arrestinas participan en la internalización del KISS1R.

Estudios electrofisiológicos en roedores demostraron que la Kp tiene una acción directa sobre las neuronas GnRH caracterizada por una potente despolarización. Un componente involucrado en la despolarización inducida por la Kp es el cierre de los canales de la corriente hacia dentro rectificante de K⁺ (K_ir). La inhibición de esta corriente  de K⁺ resulta en una acción despolarizante. La naturaleza precisa de los canales de K⁺ involucrados en la generación de esta corriente es desconocida. Otra potencial acción Kp para modular la conductancia de K⁺ es a través del control de la actividad del receptor GABA_B. Los receptores GABA_B son GPCRs y su activación produce hiperpolarización neuronal a través del incremento de la conductancia de K⁺ en la membrana. La Kp inhibe la corriente hacia fuera de K⁺ y la hiperpolarización de la membrana asociada a través de la combinación de incremento de Ca²⁺ intracelular e hidrólisis  de PIP₂. Estos dos eventos están íntimamente relacionados  porque la estimulación de la Gq induce la activación de la PLC, provocando la hidrólisis de PIP₂ y la generación de DAG  e IP₃. El IP₃ a su vez dispara la liberación de Ca²⁺ de los depósitos intracelulares y con ello aumenta la concentración intracelular de Ca²⁺.  Un segundo componente involucrado en la despolarización de las neuronas GnRH por la Kp  es la apertura de canales de cationes no selectivos. Esta apertura es concomitante con la inhibición de los canales de K⁺ y podría contribuir a la despolarización de la membrana incrementando la concentración intracelular de Ca²⁺.  La naturaleza de estos canales no selectivos ha sido investigada y los datos indican que múltiples miembros de la familia de canales TRPC (transient receptor potential channel) están involucrados en la respuesta a la acción de la Kp. El cierre de la corriente K_ir y la apertura de los canales TRPC inducen la despolarización suficiente para abrir los canales de Ca²⁺ activados por voltaje en la membrana y estimular la liberación de Ca²⁺ de los depósitos intracelulares a través de la activación de los receptores de rianodina localizados en el retículo endoplasmático.  En suma: el incremento de la concentración intracelular de Ca²⁺ es un componente esencial en la respuesta de las neuronas GnRH a la estimulación Kp.

Recientemente se ha demostrado que la Kp también actúa como un  agonista sobre  otros dos receptores, concretamente, el GPR147 (también llamado NPFF1) y el GPR74 (también llamado NPFF2), los cuales actúan como receptores  de miembros de la familia de péptidos RFamida. Es particularmente de interés el GPR147, un GPCR cuya estimulación provoca una disminución de AMPc con un efecto inhibitorio general sobre la actividad celular. KISS1R y GPR147 coexisten en al menos una subpoblación  de neuronas GnRH.

En las ratas hembras,  el pico preovulatorio GnRH/LH es un fenómeno interactivo entre los altos niveles circulantes de estradiol y una señal neural. El reloj circadiano localizado en el núcleo supraquiamático del hipotálamo recibe señales fóticas y coordina temporalmente la liberación de arginina vasopresina (AVP)  en las neuronas Kp localizadas en el AVPV. En el AVPV, la estimulación combinada de AVP y estradiol libera Kp que actúa sobre las neuronas GnRH que a su vez dispara el pico preovulatorio de liberación de LH en la hipófisis. Por otra parte, aunque existen diferencias significativas entre las especies con respecto a su rol exacto, el neuropéptido RFRP3, producido por neuronas localizadas en el hipotálamo dorsomedial y el hipotálamo ventromedial, podría ser un modulador negativo del eje gonadotrópico y potencialmente contrabalancear el efecto estimulador de la Kp. El RFRP3, un neuropéptido RFamida,  es capaz de reducir la activación de las neuronas GnRH durante el pico preovulatorio de GnRH en ratas. Sin embargo, estudios recientes indican que en algunas especies el número relativo y la actividad de las neuronas que expresan RFRP3 es menor en el momento del pico de GnRH. Estos hallazgos sugieren que la coordinación temporal entre el incremento de impulsos Kp estimuladores y la disminución concomitante de impulsos RFRP3 inhibidores podría tener un papel en el pico preovulatorio de GnRH. 

La mayoría de las especies exhiben ciclos anuales recurrentes que son primariamente manejados por el fotoperíodo. Esto permite que algunas especies como hamsters y ovejas exhiban tiempos precisos de reproducción y que el nacimiento de las crías ocurra cuando las condiciones ambientales son más favorables para su  supervivencia. Los mecanismos neuroendocrinos que median el control estacional de la  secreción hipofisiaria de gonadotropinas   requieren de la hormona melatonina producida por la glándula pineal y, debido a un control directo por el núcleo supraquiasmático, la duración de la secreción de melatonina es proporcional a la duración de la noche. Dado que el secretagogo endógeno de GnRH más potente es la Kp, es plausible pensar que la Kp podría estar implicada en la reproducción estacional. La evidencia acumulada indica que los niveles de Kp en el núcleo arcuato de hamsters machos son: (i) mayores en los animales –sexualmente activos- con fotoperíodo largo que en los animales con fotoperíodo corto pero (ii) similares en los animales con fotoperíodos largo y corto refractarios, lo cual demuestra una reactivación espontánea del eje reproductivo  en los casos de exposición a fotoperíodos cortos, (iii) la pinealectomía previene la disminución de los niveles de Kp inducida por fotoparíodos cortos y (iv) la infusión de Kp en los animales con fotoperíodo corto es suficiente para reactivar el eje gonadal. Estudios recientes revelan que los niveles de Kp en el núcleo arcuato disminuyen  en los fotoperíodos cortos en ambos sexos.

Ahora bien, ¿cómo conectamos los cambios en la secreción de melatonina con los cambios en la expresión de Kp en el núcleo arcuato? El núcleo arcuato en sí no es blanco  de la melatonina pues no expresa el receptor de melatonina MT1 de alta afinidad, que es crucial para la respuesta estacional. La única estructura con alta expresión del receptor MT1 en los mamíferos estudiados es la pars tubularis de la hipófisis. La melatonina actúa sobre la pars tubularis para “resetear” un oscilador circadiano, responsable del control estacional de la liberación de tirotropina (TSH). La duración de la señal melatonina es descodificada a través de un mecanismo presente en las células tirotrópicas de la pars tubularis. Un fotoperíodo largo activa la producción de TSH, la cual actúa a través de receptores localizados en el hipotálamo medio basal, particularmente  en los tanicitos, para inducir la transcripción del gen DIO2. El producto de este gen, la enzima desyodasa tipo 2, convierte la T4 (o tiroxina) en T3 y por tanto activa la señal de las hormonas tiroideas en el hipotálamo medio basal en los días largos. El control fotoperiódico opuesto (días cortos) es ejercido sobre la D3, una desyodasa responsable de la inactivación de T3. Dado que la población neuronal Kp en el núcleo arcuato exhibe un control de su expresión dependiente del fotoperíodo, el incremento de T3 del hipotálamo medio basal en los días largos eventualmente podría influir en los niveles Kp del núcleo arcuato que manejan la liberación de GnRH y la reproducción estacional.

Fuente: Beltramo M et al (2014). Cellular mechanisms and integrative timing of neuroendocrine control of GnRH secretion by kisspeptin.  Molecular and Cellular Endocrinology 382: 387-399.