Bases moleculares de la condrogénesis

En los mamíferos, la mayoría de los huesos del esqueleto son formados por osificación endocondral, la cual consiste en la condensación mesenquimal de células indiferenciadas, seguida de  proliferación de condrocitos,  diferenciación de condrocitos hipertróficos y  mineralización. La proliferación de condrocitos  forma columnas paralelas en la placa de crecimiento del hueso que se caracterizan por la expresión de colágeno (tipos II, IX, XI) y proteglucanos como el agrecan.  Con la diferenciación, los condrocitos se vuelven hipertróficos y comienzan a producir fosfatasa alcalina y colágeno  tipo X. Eventualmente, los condrocitos completamente diferenciados  entrarán en apoptosis y la matriz cartilaginosa será mineralizada y reemplazada por hueso.  Los condrocitos maduros expresan factor de crecimiento endotelial vascular (VEGF) y metaloproteinasas de matriz (MMPs).  El VEGF induce la invasión de vasos sanguíneos en el cartílago y las MMPs ayudan en la degradación de la matriz cartilaginosa. La evidencia acumulada  a partir de enfermedades humanas ha identificado diversos factores involucrados en la regulación  de la proliferación y la diferenciación de los condrocitos. Entre ellos están factores de transcripción, factores de crecimiento solubles, matrices extracelulares (ECMs)  y factores epigenéticos.

Una compleja red transcripcional gobierna  la condrogénesis hasta alcanzar la diferenciación terminal de los condrocitos. De los factores de transcripción involucrados en la condrogénesis, el SOX9 es el más estudiado. La evidencia derivada de modelos de roedores ha revelado que el SOX9  es indispensable para la condrogénesis, El SOX9 comienza a ser expresado en el estadio osteocondroprogenitor mesenquimal y transactiva varios genes específicos para la proliferación de los condrocitos como Col2α1 que codifica al colágeno tipo II. Los factores SOX5 y SOX6  cooperan con el SOX9 en la activación de genes. Los miembros de las familias de factores de transcripción ATF/CREB (activating transcription factor/cyclic AMP response element binding protein) y AP1 son requeridos para mantener la capacidad proliferativa de los condrocitos tempranos.  La maduración hipertrófica de los condrocitos requiere  de los factores de transcripción Runx2 y Runx3 así como también de la disminución  en la expresión y/o actividad  de las proteínas SOX. El Runx2 transactiva directamente los genes Ihh (Indian hedgehog), Col10α1 que codifica al colágeno X, y MMP13. La proteína SOX9  suprime la expresión de Runx2 y la señal β-catenina, lo cual inhibe el cambio hipertrófico de los condrocitos.  Por otra parte, el factor de transcripción  Twist-1  funciona como represor de Runx2 en el pericondrio. Otros factores de transcripción como Mef2c y Mef2d (myocyte enhancer factor 2c y2d), Msx2,  los miembros  de la familia de factores de transcripción AP1, Fra2 y Fox2, y los miembros de la familia de factores de transcripción FoxA, también facilitan la hipertrofia de los condrocitos. El factor de transcripción inducible por hipoxia-1α (HIF-1α),  uno de los principales reguladores  de la respuesta hipóxica en los mamíferos,  tiene un rol en la supervivencia  de los condrocitos y en la regulación del gen del VEGF.

Los factores de crecimiento de fibroblastos (FGFs) tienen roles críticos en la condrogénesis activando  la señal mediada por receptores FGF (FGFRs). Entre  los FGFRs, el FGFR3 es expresado  en células bajo condensación mesenquimal y condrocitos proliferantes. Por otra parte, el FGFR1 es expresado en condrocitos prehipertróficos e hipertróficos. La señal mediada por el FGFR3 regula negativamente la proliferación y diferenciación de los condrocitos. Aunque varios FGFs son expresados en el cartílago, se ha sugerido que en los condrocitos el FGF18 funciona como ligando fisiológico para el FGFR3.  El Ihh es una molécula de señalización expresada en los condrocitos prehipertróficos que incrementa la expresión de la proteína relacionada con la hormona paratiroidea (PTHrP) en las células pericondriales y en los condrocitos de los extremos de los huesos largos, lo cual retarda la hipertrofia  de los condrocitos a través de los receptores PTH/PTHrP expresados en los condrocitos proliferantes. Ihh y PTHrP funcionan en un asa de retroalimentación negativa  local para regular el inicio de la diferenciación hipertrófica. Adicionalmente, el Ihh estimula la proliferación  y la maduración de los condrocitos de  una manera independiente de la PTHrP  en la que están involucradas la  Wnt y la proteína morfogenética del hueso (BMP). El péptido natriurético tipo C (CNP) es otro factor soluble regulador de la condrogénesis. La señal del CNP es mediada por el receptor NPR2, también llamado guanilil ciclasa B. La ruta de señalización CNP/NPR2 juega un rol importante en el desarrollo del cartílago de la placa de crecimiento. El CNP promueve el crecimiento óseo endocondral  a través de varios mecanismos, incluyendo la estimulación de la proliferación e hipertrofia de los condrocitos  y el incremento en la producción de ECMs.  La señal evocada por el CNP también inhibe la activación  de la ruta ERK inducida por FGFs. Las rutas p38MAPK y PI3K/Akt también están involucradas en la  acción reguladora del CNP sobre el desarrollo de los condrocitos.

Las interacciones célula-matriz adquieren mucha importancia cuando la interacción célula-célula, vía moléculas de adhesión (N-caderina y N-CAM), está involucrada en la condensación celular y la condrogénesis. Los condrocitos maduros producen abundantes proteínas EMC como colágenos y proteoglucanos. La ECM es reconocida y unida  por integrinas y receptores transmembrana de la superficie celular.  Las integrinas son expresadas como dímeros  formados por una subunidad α  y una subunidad β y la unión del  ligando a la integrina produce la transducción  de la señal de la EMC a los efectores intracelulares. La kinasa unida a la integrina  es uno de los componentes del complejo cuya formación es disparada por la activación  de la señal mediada por la integrina.  El gen SLC26A2 codifica a un transportador  responsable de la captación  de sulfato por los condrocitos. Las mutaciones en este gen  han sido identificadas en una forma de condrodisplasia llamada displasia diastrófica que se caracteriza por la baja sulfatación  de los proteoglucanos cartilaginosos como la condroitina.  Otra función de la ECM cartilaginosa es  la  regulación de la condrogénesis a través  de la unión, almacenamiento y liberación de factores solubles. Por ejemplo, la mayoría de los FGFs se unen a proteoglucanos heparan sulfato  para disparar la señal de transducción.  La vinculina es un componente del complejo de adhesión focal que funciona en la adhesión y/o señal entre el microambiente extracelular y la célula vía integrinas y caderinas. La vinculina regula la expresión de genes específicos de los condrocitos organizando la señal de ECMs y factores solubles como el factor insulinosimil- I (IGF-I).

Estudios recientes han revelado los roles de los mecanismos epigéneticos en la condrogénesis. La desacetilasa de histonas-4 (HDAC4) previene la prematura hipertrofia de los condrocitos al inhibir la actividad de los factores de transcripción Runx2/3 y Mef2c/d. Las HDAC1 y HDAC2  actúan como mediadoras  de la represión de algunos genes específicos  del cartílago incluyendo al Col2a1. Estos hallazgos sugieren  que la modificación de histonas influye en los procesos de formación ósea endocondral. La metilación de ADN también está involucrada en la regulación de genes específicos del cartílago. Por ejemplo, en los humanos, la desmetilación de los sitios 2CpG  del promotor COL10A1 se correlaciona con la inducción del gen COL10A1 durante  la diferenciación condrogénica de las “stem cell” mesenquiomales. 

Los micro ARNs (miARNs) son una clase de nucleótidos del ARN no codificantes que regulan la expresión  de otros genes en el nivel post-transcripcional. Estudios recientes han identificado numerosos  miARNs  con roles en la diferenciación de los condrocitos.  Por ejemplo, el miR-140 regula  el desarrollo y la homeostasis del cartílago, el miR-145 regula la diferenciación condrogénica de las “stem cells” mesenquimales y el miR-199 responde a la BMP y regula la condrogénesis  a través de la Smad 1. Estos hallazgos resaltan la importancia de los miARNs en la regulación de la cxondrogénesis.

En conclusión, varios factores –factores de transcripción, mediadores solubles, matrices extracelulares y las interacciones célula-célula y célula-matriz- regulan el complejo proceso secuencial de la condrogénesis.  Adicionalmente, estudios recientes  han revelado  que  mecanismos epigéneticos y mecanismos mediados  por microARNs  también son importantes en la condrógenesis.

Fuente: Michigami T (2014). Current understanding on the molecular basis of chondrogenesis.  Clinical Pediatric Endocrinology 23: 1-8.

Las orexinas y la transición sueño-vigilia

Las orexinas, también conocidas como hipocretinas (Hcrt),  son péptidos esenciales para la estabilidad del despertar.  Poco tiempo después de su descubrimiento en 1998 se describió la asociación entre la deficiencia de orexina y la narcolepsia, los pacientes que sufren  de narcolepsia mas cataplejía tienen niveles muy bajos de orexina-A en el líquido cerebro espinal. Esta deficiencia es causada por una degeneración selectiva de las neuronas orexina. El sistema orexina también ha sido involucrado en una diversidad de procesos patológicos incluyendo  enfermedad de Parkinson,  enfermedad de Alzheimer, trastornos de ansiedad y depresión.  Las neuronas orexina se activan espontáneamente y responden a múltiples estímulos. Estudios con microdiálisis  revelaron una modulación circadiana de la concentración de orexinas en el cerebro. Por otra parte, estudios recientes reportan que la actividad orexina es principalmente fásica y precede a  la transición sueño-vigilia por 10-20 segundos. La pregunta que surge es sí esta actividad fásica de las neuronas orexina es permisiva o instructiva para el despertar.  En estudios con animales se encontró que la activación de las neuronas orexina, inducida por fotoestimulación, incrementa la probabilidad de las transiciones del sueño a la vigilia. Esta inducción es dependiente de la  frecuencia pues solamente las frecuencias mayores de 5Hz incrementaron la probabilidad de despertar. Estos hallazgos fueron validados en estudios con técnicas fármaco-genéticas que permiten la modulación  de la actividad neural  con resolución temporal de varias horas. .Sobre la base de estos resultados se ha propuesto que el sistema orexina  actúa como un regulador de los estados de conducta modulando el umbral del despertar, de manera que el organismo pueda mantener un alerta apropiado y adecuado para responder a las fluctuaciones   ambientales  externas e internas.

Los dos tipos de receptores de orexina, Hcrt-R1 y Hcrt-R2, son esenciales en el proceso de estabilización  del ciclo sueño/vigilia, con una mayor contribución del Hcrt-R2. Un estudio reciente revela que los dos receptores están asociados con la supresión del sueño  con movimientos oculares rápidos (REM). Sin embargo, otro estudio  con resonancia magnética funcional  reveló que los antagonistas de Hcrt-R2, pero no los de Hcrt-R1, incrementan el tiempo de sueño REM, sueño no Rem y sueño total, lo que sugiere que los dos receptores tiene roles diferentes. Adicionalmente, el desarrollo reciente de antagonistas selectivos de receptores Hcrt demostró que el bloqueo del Hcrt-R1 atenúa el antagonismo del Hcrt-R2 y reveló interacciones complejas entre ambos receptores.

La evidencia anatómica y electrofisiológica acumulada en los últimos años indica que por lo menos 10 hormonas y/o neurotransmisores  son “sensados” por las neuronas orexina. Las neuronas orexina reciben información relacionada  con la excitabilidad general y la vigilia (glutamato, GABA, noradrenalina, acetilcolina y serotonina) y la alimentación y el estado metabólico (neuropéptido Y, ghrelina, leptina y colecistoquinina). El estudio de las aferentes anatómicas  ha revelado que varias áreas claves del cerebro envían axones  a las neuronas orexina incluyendo al núcleo del lecho de la estría terminal, la amígdala y el septum medial, lo cual sugiere  un papel del sistema límbico en la regulación de la repuesta orexina.

 En el cerebro, las monoaminas estimulan neuronas de la  neocorteza  e inhiben los centros del sueño para promover la vigilia. Estas neuronas histaminérgicas (núcleo tuberomamilar), noradrenérgicas (locus coeruleus), serotoninérgicas (núcleos del rafe dorsal) y dopaminérgicas (sustancia gris periacueductal ventral)  reciben proyecciones  de las neuronas orexina de acuerdo con la distribución de los receptores Hcrt-Rs.  Las neuronas del locus coeruleus expresan principalmente Hcrt-R1, las neuronas del núcleo tuberomamilar expresan mayoritariamente Hcrt-R2 en tanto que las neuronas de los núcleos del rafe dorsal expresan ambos tipos de receptores. Más aún, las neuronas orexina exhiben patrones de descarga paralelos con las neuronas monoaminérgicas, esto es, descarga tónica durante la vigilia (especialmente durante la vigilia activa), descarga débil durante el sueño de ondas lentas y son silentes durante el sueño  REM (excepto por su intensa descarga en la transición hacia el despertar). Estos datos son consistentes con la oscilación de la concentración extracelular de orexinas que alcanzan un pico durante el estado de vigilia y cae aproximadamente a la mitad del nivel máximo durante el sueño.  Por  otra parte, las neuronas orexina reciben inervación inhibitoria de parte de las neuronas noradrenérgicas, serotoninérgicas y dopaminérgicas, en tanto que  las neuronas histaminérgicas tienen poco  o ningún efecto sobre las neuronas orexina.  Sin embargo, el rol de la inervación noradrenérgica sobre las neuronas orexina es controversial pues algunos reportes señalan  efectos excitatorios  en ratas y otros reportes demuestran  una acción inhibitoria.  Las neuronas colinérgicas del núcleo tegmental pedunculopontino/núcleo tegmental laterodorsal disparan rápidamente  durante la vigilia y el sueño REM pero disparan lentamente  durante el sueño no REM, lo que sugiere que ellas ayudan  a mantener la activación cortical durante  los estados de vigilia y  sueño REM. La aplicación de orexina en el núcleo tegmental laterodorsal  produce un incremento significativo de la cantidad más que de la duración del sueño REM. Adicionalmente, estudios in vitro han demostrado que el carbacol, un agonista colinérgico, excita las neuronas orexina. En resumen, el despertar inducido por orexina no sólo es modulado por neuronas monoaminérgicas sino que también necesita  de la participación de neuronas colinérgicas.  

El sistema orexina  puede ser modulado por el reloj circadiano  y los estados homeostáticos. Aunque no hay  evidencia de una conexión sináptica directa entre el núcleo supraquiasmático  y las neuronas orexina, el reloj circadiano maneja al sistema orexina a través de los circuitos eferentes del núcleo supraquiasmático. La maquinaria molecular  del reloj interno de las neuronas orexina también puede influir en la excitabilidad neuronal durante el ciclo luz/oscuridad.  Adicionalmente, las neuronas orexina juegan un rol central en la integhración de la información  de los estados metabólicos. La modulación local  de las neuronas orexina por la hormona concentradora de melanina (MCH) o la leptina puede también ser importante en la estabilización circadiana del ciclo sueño/vigilia. Si las variables fisiológicas son favorables para  el sueño (ej: tiempo circadiano apropiado, bajas demandas de energía), las neuronas orexina son silentes y esto podría ser interpretado por los circuitos corticales como una señal de mantenimiento del sueño.   Los mecanismos intrínsecos de plasticidad  pueden regular la tasa  de disparo de las neuronas orexina durante el día y la noche. Durante el período de vigilia, la excitación tónica de las neuronas orexina puede aumentar cuando el organismo está sometido a ciertos estresores  como la estimulación emocional.  Los mecanismos de plasticidad en las neuronas orexina tienen un papel  crítico en la conexión entre el  alerta, el metabolismo y la función cerebral de recompensa. En este contexto, se ha propuesto que las orexinas ejercen diferentes funciones en diferentes escalas de tiempo: actividad fásica (1-10 segundos) que podría ser responsable  de los estados de transición  y una oscilación regulada por el reloj circadiano  que podría codificar información acerca del metabolismo y el estado circadiano. 

Las neuronas orexina envían información a una red  de sistemas con diferentes roles en la dinámica de un despertar. Sin embargo, muy pocas proyecciones de las neuronas orexina han sido estudiadas en detalle. El locus coeruleus recibe una densa red  de terminales axónicos de las neuronas orexina  y la conectividad con las neuronas del locus coeruleus es monosináptica. La liberación de orexinas  –sináptica o extrasináptica- incrementa la excitabilidad de las neuronas del locus coeruleus. Un corto período (≥10 segundos) de actividad fásica de las neuronas orexina  aumenta la excitabilidad  de las neuronas postsinápticas del locus coeruleus a través de conductancias que elevan la concentración intracelular de Ca²⁺ con el consiguiente aumento de la probabilidad de alcanzar el umbral de un despertar. Además del locus coeruleus, las rutas serotoninérgicas, histaminérgicas, colinérgicas y dopaminérgicas también pueden aumentar la probabilidad de despertar. La información  estas rutas alternas  conforma  sistemas que tienen roles diferentes en la dinámica  de las transiciones del sueño a la vigilia.  Por ejemplo, un alto tono serotoninérgico inhibe el sueño REM. Las neuronas histaminérgicas del núcleo tuberomamilar disparan durante la vigilia y regulan la duración de los períodos de sueño  y vigilia. Las neuronas colinérgicas en el cerebro anterior basal y las neuronas dopaminérgicas proporcionan inervación directa a la neocorteza. Las neuronas colinérgicas proporcionan excitabilidad significativa y ritmo gamma a las neuronas corticales y un incremento en el tono dopaminérgico aumenta la actividad teta, lo cual, dependiendo de otras condiciones,  puede ser suficiente par inducir un despertar.  Por otra parte, las neuronas  noradrenérgicas del locus coeruleus proporcionan inervación excitatoria difusa a la neocorteza y promueven eficientemente el despertar.  Como se mencionó anteriormente las neuronas orexina son silentes durante el sueño REM, lo que sugiere que la activación de esas neuronas no es indispensable para la desincronización cortical y la excitación colinérgica. El hecho que la estimulación  orexina suprima el sueño REM sugiere varios mecanismos posibles: (i) excitación directa  de las neuronas serotoninérgicas en el rafe; (ii) modulación  de la actividad colinérgica,  y (iii) excitación/inhibición reciproca de las neuronas MCH, recientemente demostrada  en el mantenimiento del sueño REM.

 En conclusión, la acción combinada  de los componentes de una red de neuromoduladores (incremento del tono colinérgico, disminución de la actividad serotonina, etc.) puede predisponer a la neocorteza en un estado de transición. Las neuronas  orexina integran señales metabólicas, circadianas y límbicas y dirigen esta información a la red de neuromoduladores, cada uno de los cuales tiene un rol diferente en la dinámica de las transiciones del sueño a la vigilia.

Fuente: Lecea L y Huerta R (2014). Hypocretin (orexin) regulation of sleep-to-wake transitions. Frontiers in Pharmacology 5, Article 16.

Acciones reproductivas de la prolactina

La prolactina (PRL) es una hormona polipeptídica  perteneciente a la familia prolactina/hormona de crecimiento/lactógeno placentario  (PRL/GH/PL), que incluye proteínas similares a la PRL y proteínas relacionadas con la PRL. En los humanos, la PRL es codificada por un gen localizado en el cromosoma 6. La proteína madura contiene 197-199 aminoácidos dependiendo de la especie, con una masa molecular de aproximadamente 23 kDa. Es sintetizada y secretada principalmente por las células lactotropas  del lóbulo anterior de la hipófisis y liberada en la circulación, ejerce sus efectos sobre diferentes tejidos blancos donde se une a un receptor membrana  y actúa como un modulador endocrino clásico. Adicionalmente,  varios tejidos extra-hipofisiarios producen PRL, en los cuales ejerce acciones autocrinas/paracrinas. Estos sitios incluyen la decidua, la glándula mamaria, la próstata, el cerebro, la piel, el tejido adiposo y las células del sistema inmune.  Se han identificado dos patrones de secreción de PRL en la hipófisis, tónico y pulsátil. La hipófisis exhibe  secreción tónica e PRL bajo el control de factores inhibidores hipotalámicos, con la dopamina como modulador principal. Por otro lado,  la PRL afecta su propia secreción  a través de las neuronas dopaminérgicas vía asa corta de retroalimentación negativa. La secreción pulsátil de PRL presenta un ritmo circadiano con niveles más altos durante el sueño y los niveles más bajos en la mañana  aproximadamente 2-3 horas después de despertar.

El receptor de prolactina (PRLR) es un  miembro de la familia de receptores citoquina clase 1, carece de actividad tirosina quinasa intrínseca y es codificado por un gen localizado en el cromosoma 5.  Este receptor de membrana está compuesto por un dominio extracelular, un dominio transmembrana y dominio intracelular responsable de la transducción de la señal hormonal. El “splicing” alternativo o el clivaje post-transcripcional   del transcripto primario pueden generar múltiples variantes  del receptor. Estas isoformas  exhiben dominios extracelular y transmembrana comunes, pero difieren en el tamaño y la composición del dominio citoplasmático y por tanto son designadas como la forma larga (PRL-RL) y la forma corta (PRL-RS) del receptor de prolactina. La PRLRL es considerada la principal isoforma a través de la cual la PRL transmite su señal mitogénica y de diferenciación. Una  forma intermedia del PRLR ha sido reportada en humanos. El PRLR es expresado de una manera espacio-temporal en los tejidos reproductivos. La expresión de PRL-RL y PRL-RS  ha sido demostrada en células granulosas, intersticiales y luteales del ovario de varias especies. La expresión de las dos isoformas aumenta durante la luteinización, especialmente la PRL-RS. La decidua es otro blanco   de la PRL durante el embarazo y la expresión de PRLR ha sido demostrada en muchas especies incluyendo humanos. Tanto la forma larga como la corta pueden actuar como una señal negativa para prevenir la excesiva señal  de una de las  isoformas.

La activación del PRLR ocurre cuando la PRL se une a dos  homodímeros del PRLR formando un complejo un ligando/dos receptores. Una vez formado, el complejo heterotrimérico es inducido un cambio conformacional en el dominio intracelular del PRLR que permite la unión de la tirosina proteína kinasa JAK2  en la región rica en prolina de cada molécula de PRLR. Esta región es conocida como Box 1 y es conservada en todas las isoformas del receptor. La JAK2  se auto-transfosforila  e induce la fosforilación  de numerosa proteínas  incluyendo al mismo receptor, lo cual produce la activación  de distintas cascadas de señalización intracelular.  Los blancos mejor conocidos de la JAK2 activada son los transductores y activadores  de transcripción (STAT). Las proteínas STAT 5a y STAT 5b son los principales mediadores  de la señal PRL en ovario y glándula mamaria. La PRL también puede activar a otras kinasas como PI3K, la SrcK  la MAPK y la Nek3K.  Con relación a la activación de la ruta JAK2/STAT por el PRL-RS existen reportes contradictorios. Algunos estudios señalan que el PRL-RS no puede activar la señal JAK2/STAT porque carece de la región distal del dominio intracelular requerida para esa activación. Sin embargo, otros estudios han demostrado que si ocurre dicha activación. También existe controversia en cuanto a la función fisiológica del PRL-RS.

Los efectos inducidos por la PRL  han sido reportados en diversos procesos  como  balance de electrolitos, conducta, respuesta al estrés,  crecimiento y diferenciación celular, inhibición de la apoptosis,   y  tumorigénesis.  Sin embargo, los procesos reproductivos  representan el grupo más grande de funciones atribuidos a la PRL. La PRL fue primero identificada  como un factor clave  para el desarrollo y la diferenciación de la glándula mamaria. En roedores, la PRL también juega un rol crítico en el mantenimiento del cuerpo lúteo del ovario,  la producción de progesterona y la maduración del oocito. Adicionalmente, la expresión de PRLR ha sido observada en  las trompas de Falopio donde puede jugar un rol  en el desarrollo de la pre-implantación del embrión. La PRL decidual actúa localmente  e inhibe factores deletéreos  como la IL-6 durante la gestación. Mientras estas acciones en roedores están bien establecidas, en los humanos no está muy claro que la PRL tenga un rol similar en la reproducción femenina. Esto se debe en gran parte al traslape  de funciones de la PRl con el lactógeno placentario y la hormona de crecimiento los cuales  pueden unirse  -y activar-  al PRLR.

En el cuerpo lúteo, la acción de la PRL involucra dos compartimentos celulares, propiamente las células endoteliales y las células luteales esteroidogénicas. Las acciones coordinadas  de los receptores de PRL  son requeridas para la supervivencia y el mantenimiento  del cuerpo lúteo en el embarazo.  La PRL a través del PRL-RS estimula la actividad de factores de transcripción como el HIF-1  e induce genes angiogénicos como el VEGF. En conjunción con otros factores  de crecimiento, el VEGF actúa sobre las células endoteliales para inducir la vascularización, lo cual es crítico para la supervivencia del cuerpo lúteo. Como el PRL-RS es expresado en células endoteliales y luteales, este receptor puede mediar la acción de la PRL en ambos tipos de células. El PRL-RS físicamente está relacionado  con una proteína asociada al receptor de prolactina, la enzima HSD17β-7. Esta asociación estabiliza y aumenta la expresión de la HSD17β-7, la cual  convierte la estrona en estradiol y, por tanto, contribuye a la síntesis local de estradiol. El estradiol producido localmente  actúa sobre las células luteales para  inducir  su hipertrofia y la expresión de VEGF. Por otra parte, la activación del PRL-RL en las células luteales es crítica para la inducción de los genes luteales  involucrados en la producción de progesterona y la inhibición de la enzima 20αHSD. La activación de la ruta JAK2/STAT es crucial para estas funciones de la PRL.  Sin embargo, otras rutas de señalización pueden también estar involucradas.

En conclusión, la PRL impacta varias funciones ováricas incluyendo el desarrollo folicular y el mantenimiento del cuerpo lúteo. PRL-RL y PRL-RS son expresados en diferentes concentraciones  en diversos tipos de células durante el ciclo menstrual y el embarazo. El PRL-RL es el receptor predominante  con una señal activa y positiva mientras el rol fisiológico y la señal del PRL-RS  son controversiales. Sin embargo, evidencias recientes  sugieren que  el PRL-RS puede interactuar con moléculas de señalización, activar rutas específicas y cooperar –o inhibir-  la señal del PRL-RL. Las acciones cooperativas de ambos  receptores son requeridas para la supervivencia del cuerpo lúteo en el embarazo.

Fuente: Sangeeta Devi Y y Halperin J (2014). Reproductive actions of prolactin mediated through short and long receptor isoforms. Molecular and Cellular Endocrinology 382: 400-410.

Estrógenos: reguladores metabólicos en el cerebro y el cuerpo de la mujer

Los estrógenos son hormonas esteroides conocidos principalmente por su papel en la promoción de las características sexuales y la capacidad reproductiva  de la mujer. Hay tres formas de estrógenos  en el cuerpo  de la mujer: estrona (E₁), estradiol (E₂) y estriol (E₃).  Durante los años reproductivos, la principal forma circulante  es el estradiol que, además, es la forma más potente  de los estrógenos. En las mujeres, los estrógenos son producidos principalmente por los ovarios y las glándulas suprarrenales y tienen efectos en la mayoría de órganos incluyendo cerebro, glándula mamaria, corazón, vasos sanguíneos, vejiga, piel, hueso, ovario, útero y órganos del sistema inmune. Además de su rol en la reproducción, el   estrógeno constituye una molécula  de  señalización crítica en el cerebro, puede cruzar la barrera hemato-encefálica y, adicionalmente, el cerebro puede producir estrógeno a partir del colesterol. Los receptores de estrógenos (ER) están ampliamente distribuidos en el cerebro  y son expresados en neuronas y glias. Los ER comprenden dos clases generales: ER nucleares  y ER asociados a la  membrana (mER), ambas formas están presentes en el cerebro. Hay dos isoformas  de los ER nucleares: ERα (o ESR1) y ERβ (o ESR2), funcionalmente distintos y distribuidos de manera diferente  en el cerebro. Las regiones que codifican para ambos  ER se encuentran en el cromosoma 6. Los ER nucleares existen inicialmente como monómeros y se dimerizan antes de la translocación al núcleo, donde regulan la transcripción. A diferencia de los ER nucleares, los mER son monómeros de ERα y ERβ. Adicionalmente, por “splicing” alternativo, los ERα pueden generar tres variantes y los ERβ pueden generar once variantes. En el cerebro, estas variantes han sido asociadas con cambios en la respuesta de los estrógenos. Por otra parte,  múltiples laboratorios han establecido la presencia de ER en las mitocondrias, lo cual enfatiza el rol que los estrógenos juegan en la regulación de la bioenergética celular. La señal clásica de los estrógenos ocurre como resultado de la translocación  de los ER al núcleo, donde se unen a los elementos de respuesta para regular la expresión de genes.

Los ERα se distribuyen  en hipotálamo, cerebro anterior, hipocampo y amígdala; los ERβ se concentran principalmente en hipocampo y corteza cerebral. En el hipocampo, ambas formas se localizan en las espinas dendríticas que son los sitios de formación de sinapsis  y que muestran un alto grado de plasticidad. Los ERα y lo ERβ son mediadores de las tareas de aprendizaje dependientes del hipocampo. En las diferentes áreas del hipocampo, la relación ERα/ERβ cambia con la edad. En jóvenes, la forma ERβ es dominante en el hipocampo y la forma ERα está presente en bajas cantidades. Con el envejecimiento, la localización nuclear de ERα aumenta en el girus dentado y en CA3, pero disminuye en CA1. La disminución de los niveles y de respuesta de los ERα ha sido asociada con alteraciones cognitivas y demencia durante el envejecimiento, los ERβ aunque conservan la respuesta a E₂ no son capaces de compensar la pérdida de ERα. Con el envejecimiento, hay también un incremento en la expresión  de las variantes de ERα en el hipocampo que tratan de compensar la disminución de los ERα.

Los mER inician rápidamente las rutas de señalización intracelular cuando se unen a los estrógenos. Estos receptores activan las rutas Src/PI3K y Ras/Raf/MEKK/ERK,  que producen la activación de CREB y son requeridos para la neuroprotección inducida por E₂. También han sido identificados en el cerebro receptores de estrógenos acoplados a proteína G como el GPER1 (también llamado GPR30). EL GPER1 tiene alta afinidad por el E₂ y activa las rutas AMPc/PKA y PI3K/Akt. El E₂ también activa cascadas de señalización  asociadas con la supervivencia y la función  de las neuronas, incluyendo MAPK, PI3K y PKC. La activación de las rutas MAPK y PI3K permite la fosforilación  de CREB, el cual regula la transcripción  de genes  de supervivencia neuronal, incluyendo la proteína anti-apoptosis Bcl2. La activación de la ruta PI3K tiene el potencial  de activar simultáneamente las rutas MAPK, PKC y Akt y esta activación simultánea  es mediadora del efecto neuroprotector  de E₂. Los mER también activan rutas  que regulan la entrada de calcio  a través de canales tipo L, lo que a su vez activa la cascada PI3K/Src/ERK/CREB.  El incremento de la expresión de Bcl2 inducido por el E₂ potencia la captación de Ca²⁺ en las mitocondrias, lo cual  protege a  la neurona contra las consecuencias adversas del exceso de calcio citoplasmático.

Los estrógenos ejercen efectos beneficiosos en el sistema bioenergético del cerebro a nivel del transporte de glucosa, la glucolisis, el ciclo de Krebs, la fosforilación oxidativa y la producción de ATP. Los transportadores de glucosa (GLUT)  actúan como mediadores del transporte de glucosa en el cerebro. El GLUT-1 es un transportador de baja afinidad, pero altamente sensible a los cambios en los niveles de glucosa y se  expresa en dos isoformas glucosiladas: una isoforma  de 55KD que regula el transporte  de glucosa de los vasos sanguíneos al cerebro y una isoforma de 45 KD que regula el transporte de glucosa del cerebro a las glias. Los niveles de expresión son regulados por la disponibilidad y la demanda de glucosa; en particular, la hipoglucemia aumenta la expresión de GLUT-1 en la barrera hemato-encefálica. El GLUT-3 es un transportador de alta afinidad que es expresado en la membrana neuronal y permite el transporte de glucosa en la neurona. El GLUT-4  también es expresado en la membrana neuronal y su translocación del compartimento citoplasmático a la membrana celular es regulada por la insulina. La regulación de los GLUT-4 por los estrógenos  es particularmente interesante, requiere de un incremento simultáneo de  los niveles de E2/ER y de insulina/receptor de insulina.  En el cerebro de roedores, el acoplamiento entre estrógeno e insulina involucra al factor de crecimiento similar a insulina-1 (IGF-1) y su receptor (IGF-1R). El IGF-1R y el ERα pueden formar un complejo macromolecular capaz de activar la ruta de señalización PI3K que produce la fosforilación y activación de Akt. La forma fosforilada  (activa)  de Akt se colocaliza con GLUT-4  en las neuronas que expresan IGF-1 y aumenta el transporte de glucosa  a través de la regulación de los GLUT-4. Además de facilitar el transporte de glucosa, el estrógeno también promueve la glucólisis en las neuronas. El E₂ incrementa la actividad de las enzimas glucolíticas: hexoquinasa (soluble y unida a la membrana), fosfofructoquinasa y piruvato quinasa. Las hexoquinasas   se unen al canal aniónico dependiente de voltaje (VDAC) en la membrana externa mitocondrial para acoplar el metabolismo de la glucosa con la síntesis de ATP en la mitocondria. Este acoplamiento es regulado por la Akt que se asocia con la hexoquinasa II. La actividad de la hexoquinasa II es también requerida para los efectos anti-apoptosis de la Akt. El E₂ actúa sobre este sistema  activando la Akt e incrementando la actividad de la hexoquinasa II. Por tanto, es plausible pensar que el estrógeno puede tener un rol en la promoción de la asociación de la hexoquinasa II y el VDAC en las neuronas.

La regulación del transporte de glucosa y la glucólisis mediada por estrógenos se complementa con la potenciación de la bioenergética mitocondrial. El estrógeno produce una respuesta coordinada  de las enzimas mitocondriales, lo cual incrementa la producción de ATP en el cerebro. Particularmente, el E₂ regula la actividad y los niveles  de expresión de varias enzimas metabólicas incluyendo a la piruvato deshidrogenasa, la aconitasa y la sintetasa de ATP.  El E₂ también incrementa la actividad y expresión de los complejos I, IV y V. La acción del estrógeno  en la mitocondria se extiende a la protección contra el estrés oxidativo. Debido a que las mitocondrias son la principal fuente  de producción de especies reactivas del oxígeno (ROS), ellas también sufren los efectos del estrés oxidativo cuando las ROS son producidas en exceso. El estrógeno incrementa la expresión de varias enzimas antioxidantes (peroxirredoxina 5, glutarredoxina y MnSOD) y también protege contra el daño de ADN inducido por peróxido de hidrógeno.

El estrógeno, además del cerebro, activa rutas  de señalización intracelular  en casi todos los tejidos del cuerpo. Los ERs están presentes en el adipocito y pueden mediar de  manera diferente los efectos del estrógeno en el tejido adiposo. El ERα regula positivamente la homeostasis y el metabolismo del tejido adiposo vía crecimiento y proliferación de los adipocitos y el ERβ regula la distribución del tejido adiposo  de una manera sexo-específica. El dimorfismo sexual  en la distribución  de ERα y ERβ en el tejido adiposo ha sido reportado por varios estudios. En el adipocito maduro humano, la expresión de ERα es idéntica entre los dos sexos, pero los niveles de ERβ son mayores en la mujer. Por otra parte, el hombre está más predispuesto a la regulación dominada por ERα, mientras la mujer antes de la menopausia tiene una regulación más balanceada  entre ERα y ERβ, lo cual podría explicar los patrones de  distribución de tejido adiposo  sexo-específicos. Después de la menopausia, sin embargo, ocurre un cambio en la relación ERα/ERβ hacia un predominio ERβ   que podría mediar el incremento de peso postmenopáusico de la mejer.

La leptina es una adipoquina secretada por el tejido adiposo que tiene un fuerte efecto sobre la ingesta y el gasto de  energía. En el hipotálamo, la leptina produce una inhibición aguda  del apetito. Las mujeres pre y postmenopaúsicas tienen mayores niveles  de leptina  que los hombres, lo cual puede obedecer a los niveles endógenos  de estrógeno o a la distribución del  tejido adiposo. En las mujeres premenopaúsicas, los niveles de leptina se correlacionan con los niveles plasmáticos de estrógeno, esta correlación  desaparece después de la menopausia cuando es alterada por un aumento de  obesidad.  Tanto los receptores de leptina como los ERs son expresados en el hipotálamo, aunque la expresión de ERα es mayor que la ERβ. La evidencia acumulada sugiere que los niveles de estrógeno regulan la expresión del receptor de leptina.  El resultado de esta regulación es que  la sensibilidad a la leptina es mayor cuando lo niveles de estrógeno son altos.

La adiponectina, la principal adipoquina en la regulación del metabolismo corporal, es producida por el tejido adiposo  y regula los niveles periféricos de glucosa e insulina. Los niveles plasmáticos de adiponectina se correlacionan inversamente con los niveles de glucosa e insulina y son mayores en mujeres que en hombres pero incrementan con la edad en ambos sexos. El ERα es un regulador positivo de los niveles de adiponectina en el tejido adiposo. Por otra parte, la señal ERβ  produce la inhibición  del receptor  activado por el proliferador de peroxisoma-γ (PPAR-γ), el cual regula la secreción de adiponectina

La ghrelina, producida principalmente por el estómago, es la contraparte de la leptina y por tanto actúa estimulando el apetito. Hombres y mujeres muestran una diminución en los niveles plasmáticos de ghrelina  relacionada con la edad. La ghrelina disminuye la resistencia a la insulina y también disminuye la fosforilación  tau  a través de la activación  de GSK3β. Adicionalmente, la ghrelina puede proteger contra la pérdida sináptica y la degeneración neuronal en el hipocampo. En el hipocampo, la ghrelina también incrementa la densidad de espinas dendríticas y promueve la potenciación de larga duración. La ghrelina se colocaliza con el ERα en el estómago y estudios recientes  sugieren que el estrógeno es un regulador negativo de la síntesis de ghrelina y por consiguiente los niveles de  ghrelina podrían aumentar después de la menopausia.

La regulación por estrógeno  de la homeostasis de insulina y glucosa  es mediada a través de ERs, los cuales son expresados, además del tejido adiposo, en el hígado, las células β del páncreas y el músculo esquelético. Esto permite coordinar las señales que regulan la homeostasis metabólica  en respuesta al medio hormonal. En las células β del páncreas, el ERα regula la producción de inulina y tiene un efecto antidiabético.  Sin embargo, la relación entre niveles de estrógeno y diabetes después de la menopausia es complicada. Un asunto sin  respuesta convincente  es si la terapia de reemplazo  tiene un efecto directo sobre el riesgo de diabetes a través de la regulación  de la señal ERα en el páncreas  o un efecto indirecto  a través de la disminución de la obesidad. Los niveles de insulina  y glucosa en ayunas aumentan en la medida que los niveles de estrógenos disminuyen durante la transición menopaúsica, pero esto ha sido considerado como una respuesta secundaria al cambio en la distribución de grasa en el cuerpo y no debido a un efecto directo  de la disminución de estrógeno. Varios estudios han sugerido  que la mujer postmenopaúsica tiene una menor producción de insulina pero con una eliminación más lenta.

En conclusión: el E2 es un regulador fundamental del sistema metabólico de la mujer  a nivel cerebral y corporal. En el cerebro, regula el transporte de glucosa la glucólisis y la función mitocondrial y, en el cuerpo,  protege contra la adiposidad, la resistencia a la insulina y la diabetes tipo II. El E2 coordina el metabolismo cerebral y corporal de tal manera  que el estado metabólico periférico puede indicar el estatus bioenergético del cerebro.

Fuente: Rettberg JR et al (2014). Estrogen: A master regulator of bioenergetic systems in the brain and body.  Frontiers in Neuroendocrinology 35:8-30.