Regulación endocrina del crecimiento muscular en el feto

El músculo esquelético lleva a cabo  funciones metabólicas importantes: (i) el gasto de energía en reposo varía considerablemente de acuerdo con  la cantidad de masa magra que posee el individuo; (ii) 80% de la captación de glucosa estimulada por la insulina en el organismo tiene lugar en el músculo; (iii) varios músculos secretan productos (mioquinas) que mejoran la sensibilidad a la insulina  y estimulan el consumo de energía en el tejido adiposo. Entonces, la disminución de la  masa muscular  afecta la salud y tiene importantes implicaciones para la calidad de vida porque provoca ganancia excesiva de peso y riesgo de desarrollar resistencia a la insulina y diabetes tipo2.  El crecimiento disminuido de los músculos esqueléticos  en la vida fetal no es compensado completamente  después del nacimiento y los niños que nacen con bajo peso  tienen menor masa muscular en la adultez. En los casos de baja nutrición materna o de insuficiencia placentaria, el crecimiento de los músculos esqueléticos es preferencialmente sacrificado y la masa muscular al momento del nacimiento está reducida. En estas condiciones, el crecimiento postnatal compensatorio favorecerá los depósitos de grasa  y no al desarrollo muscular.  En los humanos, la asociación entre bajo peso al nacer  y masa muscular disminuida  favorece el desarrollo en la vida postnatal de síndrome metabólico y diabetes tipo 2 e incrementa el riesgo de enfermedades cardiovasculares.

Los mioblastos son células mononucleares que tienen la capacidad de proliferar y diferenciarse  en miofibras esqueléticas. En el desarrollo del embrión humano,  adipocitos, fibroblatos y mioblastos se diferencian a partir de una “stem cell” mesenquimal multipotencial. Una vez diferenciados, los mioblastos se clasifican en embrionarios, fetales o adultos. Los mioblastos embrionarios se fusionan para formar las miofibras primarias. Los mioblastos fetales proliferan y se diferencian  en miofibras secundarias que son la mayoría y responden a los nutrientes. La miogénesis secundaria involucra la proliferación  de los mioblstos fetales seguida de la expresión   de factores reguladores de manera secuencial durante el proceso de diferenciación. Los blancos de los factores reguladores son proteínas que  intervienen en el paso de proliferación a diferenciación. Al final de la gestación la miogénesis es casi completa. El crecimiento postnatal del músculo ocurre  principalmente por hipertrofia  de las miofibras. Las células satélites (o mioblastos adultos)  residen entre la lámina basal  y la membrana de la miofibra. Durante la vida fetal tardía y la vida postnatal temprana, el crecimiento de las miofibras está acompañado por la proliferación y fusión  de las células satélites con las miofibras existentes. En respuesta a una carga mecánica extrema, una lesión, inflamación y/o estimulación con hormonas anabólicas, las células satélites pueden proliferar y diferenciarse para crear nuevo músculo. Esto es posible porque las células satélites retienen la plasticidad y la capacidad regenerativa durante la vida postnatal. Sin embargo, esta población de células es vulnerable a la mala nutrición fetal. En ratones, las crías de  madres con restricción nutricional durante el embarazo tienen masa muscular reducida, disminución de 33%  de células precursoras y capacidad regenerativa disminuida en respuesta a la lesión muscular.

La hipertrofia de las miofibras -o el incremento en el diámetro y la longitud- con o sin fusión de las células satélites, ocurre como un incremento neto en el balance entre síntesis y degradación de proteínas. Cuando la síntesis de proteínas  excede a la degradación, el resultado final es la acumulación de proteínas y la hipertrofia de las miofibras. Los nutrientes y los factores de crecimiento son los reguladores primarios  del balance de proteínas y la hipertrofia  de las miofibras. Sin embargo, el estiramiento y la carga del músculo también pueden regular la masa muscular y la síntesis de proteínas, aún durante la vida fetal.   Los nutrientes y los factores de crecimiento coordinan la acumulación de proteínas en el músculo esquelético  a través del blanco de rapamicina de los mamíferos (mTOR), el cual tiene dos complejos: mTORC1 y mTORC2. El complejo mTORC1  funciona como sensor  de factores de crecimiento, aminoácidos, el estatus energético y la disponibilidad de oxígeno para estimular o inhibir el crecimiento celular. En condiciones de suficiencia de nutrientes, los factores de crecimiento como la insulina y el IGF 1 se unen a sus respectivos receptores para estimular al mTORC1. Los aminoácidos  como la leucina pueden estimular al mTORC1 de manera independiente  de la insulina o el IGF1. El mTORC1 activa dos proteínas ribosomales, S6 kinasa y proteína de unión al 4E al tiempo que fosforila al represor del inicio de la traslación con lo cual se libera el factor de iniciación 4E para formar el complejo de inicio de la traslación. En condiciones  de restricción de nutrientes y energía, la tasa de síntesis de proteínas disminuye por la activación del complejo de esclerosis tuberosa y la supresión de la actividad del mTORC1.   En los estados catabólicos como  ayuno,  cáncer o  quemaduras, las rutas proteolíticas son activadas con el propósito de suplir aminoácidos a órganos como el corazón, el hígado y el cerebro.

El crecimiento del músculo esquelético es regulado  por varios factores de crecimiento, incluyendo al IGF1, la insulina, el factor de crecimiento básico (bFGF) y el factor de crecimiento transformante β (TGFβ). Varios estudios en humanos han demostrado que el IGF1  regula la proliferación de los mioblastos y la hipertrofia de las miofibras. En los miotubos diferenciados, el IGF1 promueve la síntesis de proteínas. Las mutaciones en los genes IGF1 e IGF1R causan restricción del crecimiento postnatal. Por otra parte, el exceso de IGF1 resulta en incremento de la masa muscular e hipertrofia en la vida postnatal. La insulina también funciona  como un potente factor de crecimiento del músculo esquelético fetal. La carencia de insulina es la causa de la restricción del crecimiento en los casos de agenesia pancreática en humanos. La insulina estimula la síntesis de proteínas específicas del músculo al tiempo que suprime su degradación. Los otros factores de crecimiento, bFGF y TGFβ, incrementan los niveles de ciclina D1 en los mioblastos, lo cual  estimula su proliferación  y la miogénesis. La miostatina, un miembro  de la familia TGFβ, es un potente inhibidor de la miogénesis. Los ratones que carecen de miostatina tienen mayor masa muscular que los ratones normales. Estos animales exhiben menos resistencia a la insulina y depósitos de grasa, lo que demuestra el importante papel del músculo en la regulación del tejido adiposo y la sensibilidad a la insulina.  La folistatina es un inhibidor de la miostatina y trabaja  a través  de la activación del IGF1R. Los ratones que sobre expresan folistatina tiene el diámetro de las miofibras tres veces mayor que los ratones que sobre expresan folistatina pero con IGF1R no funcional. Los aminoácidos son esenciales para la síntesis  de proteínas musculares. Adicionalmente, los aminoácidos tienen importantes efectos reguladores sobre la activación del mTORC1. Los aminoácidos incrementan la síntesis de proteínas del músculo  en adultos normales, tanto en condiciones postprandiales como durante estados catabólicos como trauma y sepsis. Los estudios sobre los efectos de los aminoácidos sobre el músculo esquelético durante la vida fetal son escasos. En un estudio reciente se demuestra que la infusión de una mezcla de aminoácidos activa al mTORC1 en músculo esquelético de feto de carnero pero solamente con una elevada concentración de insulina concurrente. 

Los estudios en ratones han demostrado que el número de miofibras es estable alrededor del nacimiento. Patrones de crecimiento similares han sido observados en los humanos, el contenido de ADN en el gastronemio incrementa exponencialmente entre las semanas 15 y 25 de gestación y alcanza un “plateau” al término del embarazo. Entonces, las condiciones que privan al feto de nutrientes y factores de crecimiento durante la formación de las miofibras pueden tener un gran impacto sobre el número de éstas. Los estudios  de la restricción de nutrientes durante el embarazo en una variedad de modelos de animales han demostrado efectos dramáticos sobre el número de miofibras en el feto, siendo las miofibras secundarias más vulnerables  a la restricción de nutrientes que las miofibras primarias. Los mecanismos para la disminución del número de fibras musculares en la desnutrición fetal son desconocidos, aunque hay evidencia de una supresión del ciclo celular en los mioblastos fetales. Los estudios  de los efectos de la restricción dietética en la madre sobre la hipertrofia  de las miofibras fetales son más limitado. Unos pocos estudios indican disminución de proteínas e hipertrofia de las miofibras  como resultado de la desnutrición fetal pero con una incompleta capacidad para compensar el crecimiento muscular durante la vida postnatal. Por otra parte, la insuficiencia placentaria es una condición que restringe el aporte de nutrientes al feto, si la insuficiencia placentaria comienza tempranamente en el embarazo, el crecimiento del músculo esquelético fetal  es particularmente vulnerable porque la sangre, el oxígeno y los nutrientes son desviados preferencialmente hacia los órganos vitales.

En suma: en  condiciones de desnutrición fetal ya sea por restricción dietética de la madre o por insuficiencia placentaria, tanto el aporte de nutrientes (aminoácidos, glucosa y oxígeno) como  de   factores de crecimiento (insulina e IGF1) circulantes estarán  restringidos para el feto.  La combinación de disminución en el aporte de nutrientes y de factores de crecimiento  producirá disminuciones en las tasas de proliferación de  mioblastos y de la  hipertrofia de  miofibras, las cuales llevarán a una reducción en la masa de músculo esquelético fetal. La cantidad de masa muscular tiene un gran impacto sobre los depósitos de grasa, la sensibilidad a la insulina, la fuerza y la locomoción. Diversos estudios han demostrado las interacciones entre masa muscular, masa grasa y distribución de la grasa (visceral vs subcutánea) y apoyan el concepto de que una reducida capacidad del músculo para crecer favorece y acelera los depósitos de grasa y la obesidad. Estos hallazgos implican a las deficiencias estructurales y funcionales en el músculo como factores que contribuyen a un mayor riesgo de desarrollo de enfermedades metabólicas y cardiovasculares en la vida postnatal.

Fuente: Brown LD (2014). Endocrine regulation of fetal skeletal muscle growth: impact on future metabolic health. Journal of Endocrinology 221: R13-R29. 

Acción de la hormona de crecimiento sobre la función del músculo esquelético

Los músculos esqueléticos son tejidos contráctiles especializados, con un importante papel en el metabolismo energético y además controlan la postura y la actividad  física. Su función depende de la composición  y la fuerza  de las fibras musculares, las cuales requieren energía para manejar y sostener el trabajo contráctil. La función del músculo  es regulada por muchos factores incluyendo genes, nutrición, estilo de vida y hormonas. Entre las hormonas con efectos importantes en el crecimiento y la función  del músculo esquelético están la hormona de crecimiento (HC), las hormonas tiroideas, la testosterona y los glucocorticoides. La función del músculo generalmente  es abordada como fuerza y potencia. La fuerza depende  del tamaño del músculo, y de los tipos y la calidad de las proteínas contráctiles. La potencia del músculo es una medida del trabajo desarrollado por unidad de tiempo y es expresada en joules por segundo o watts. La energía requerida para el trabajo muscular proviene de depósitos preformados o puede ser generada a partir del metabolismo, anaeróbico o aeróbico, de sustratos. La potencia del músculo  depende de la disponibilidad –o tipo- de energía.

La HC regula el anabolismo proteico a través de mecanismos endocrinos y paracrinos. De acuerdo con la hipótesis somatomedina, la acción anabólica de la HC es mediada por el factor de crecimiento insulinosimil1 (IGF1) circulante, el cual deriva principalmente del hígado. Sin embargo, se reconoce que  el IGF1  producido localmente bajo estimulación de la HC en los tejidos también interviene en algunas de las acciones de la HC promotoras del crecimiento. La magnitud de la contribución  del IGF1, circulante y local,  en el crecimiento tisular  es aun un tema controversial. Los estudios en humanos con IGF1 recombinante  señalan   que el IGF1 circulante tiene acciones   anabólicas. El IGF1  aumenta el anabolismo proteico  reduciendo la tasa de proteólisis, una acción similar a la de la insulina.  Cuando el IGF1 es infundido en ratas  se produce una reducción  en la degradación –sin cambios en la síntesis- de proteínas. Entonces, los efectos anabólicos del IGF1 sistémico son similares a los de la insulina y diferentes a los de la HC, la cual regula el metabolismo de aminoácidos a partir  de rutas de síntesis. Estas observaciones indican que los efectos  de la HC sobre los flujos de aminoácidos son mediados por mecanismos adicionales a los del IGF1.

El músculo esquelético está compuesto por fibras que contienen proteínas con distintas propiedades. La actina y la miosina son proteínas funcionales responsables de la función contráctil  del músculo, mientras que la  tropomiosina y la troponina  son proteínas estructurales que mantienen  a las proteínas contráctiles alineadas y proporcionan a las fibras musculares elasticidad y extensibilidad. La miosina tiene dos cadenas pesadas  y cuatro cadenas ligeras.  Las fibras musculares se clasifican según las isoformas  de la cadena pesada de miosina en dos tipos: las fibras tipo I, también conocidas como fibras de sacudida lenta y las fibras tipo II, también conocidas como fibras de sacudida rápida. Las fibras tipo I contienen  abundantes mitocondrias,  utilizan rutas aeróbicas u oxidativas para la producción de energía y determinan la capacidad de  resistencia del músculo. Por el contrario, las fibras tipo II, debido a su bajo contenido de mitocondrias, generan energía  a partir de rutas anaeróbicas o glucolíticas, desarrollan  una alta fuerza contráctil pero se fatigan fácilmente.  Varios factores determinan la distribución de los tipos de fibras en el musculo esquelético. Estos factores  incluyen la edad, el ejercicio, el uso funcional, la inervación y las hormonas. Por ejemplo, el envejecimiento está asociado con una reducción de fibras tipo II mientras que el exceso de hormonas tiroideas produce una reducción de fibras tipo I.

La función contráctil del músculo esquelético requiere de un aporte constante  de energía química.  Durante la contracción  muscular, la energía química  es convertida en energía mecánica para permitir el movimiento. En los humanos, la energía química está disponible en forma de ATP, el cual es generado  por dos sistemas de energía: anaeróbico y aeróbico.  En el sistema anaeróbico el ATP es producido  en la glucolisis o preformado como fosfocreatina. El sistema aeróbico genera ATP  a partir de la oxidación  de combustibles metabólicos  como carbohidratos, lípidos y proteínas. En el citoplasma de la célula muscular, la glucolisis genera piruvato, el cual en ausencia de oxigeno  es reducido a lactato que pasa a la circulación y es convertido  en glucosa en el hígado.   En los tejidos con un adecuado aporte de oxigeno, el piruvato y los ácidos grasos son convertidos  en acetil CoA en las mitocondrias. La acetil CoA, vía ciclo de Krebs y cadena respiratoria, produce ATP. La cantidad de ATP preformado presente en las células musculares es suficiente para sostener la actividad física solamente  durante 5-10 segundos; la glucolisis anaeróbica proporciona energía para otros 30-40 segundos y el metabolismo aeróbico proporciona la energía para sostener la actividad prolongada. La síntesis de energía a partir de la utilización de sustratos  durante el ejercicio  es regulada por factores nutricionales, genéticos, hormonales y también por el entrenamiento físico. La HC puede aumentar la función del músculo a través del incremento en la disponibilidad de ácidos grasos y piruvato como combustibles metabólicos para la producción de energía. La HC estimula la lipolisis durante la condición de reposo y en el ejercicio, lo cual produce un incremento  en los niveles plasmáticos de ácidos grasos. La HC también incrementa la concentración plasmática de glucosa por varios mecanismos incluyendo el aumento de la glucogenolisis.

Es bien conocido que la HC estimula la oxidación de los lípidos y reduce la utilización de carbohidratos en el organismo. Dado que el tejido  muscular comprende casi el 50% de la masa corporal magra, tradicionalmente se asume que un incremento en la oxidación de los lípidos en el cuerpo entero  es un reflejo  de la acción de la HC sobre el músculo esquelético. Sin embargo, estudios en roedores  y humanos sugieren que la acción de la HC es bastante tejido-específica. Estudios recientes reportan que la HC inhibe la expresión de los genes involucrados en la oxidación de lípidos en el músculo esquelético de la rata. Estos hallazgos sugieren que la HC inhibe el metabolismo oxidativo de sustratos y puede favorecer rutas no oxidativas (anaeróbicas) para la síntesis de ATP en el músculo esquelético. Esto es apoyado por un estudio en ciclistas entrenados, en el cual el uso de HC, en comparación con placebo,   incrementó  los niveles plasmáticos de lactato durante el ejercicio moderado o intenso. En suma: los efectos de la HC sobre el metabolismo de sustratos son tejido-específicos. La evidencia reciente sugiere que la HC promueve el metabolismo no oxidativo o anaeróbico para la síntesis de ATP en el músculo esquelético, hallazgos contrarios a sus efectos sobre el metabolismo a nivel de cuerpo entero.

La potencia muscular es descrita en términos  de potencia aeróbica  y potencia anaeróbica, dependiendo de la fuente de energía predominantemente utilizada para hacer el trabajo. Por lo tanto, la potencia muscular puede ser medida como la capacidad de ejercicio aeróbica o anaeróbica. La capacidad aeróbica es una medida de resistencia, es decir, de la capacidad del musculo para sostener el trabajo durante períodos prolongados con energía proporcionada principalmente  por la oxidación de carbohidratos o lípidos en las mitocondrias. En el mundo atlético, determina el rendimiento en deportes como maratón, futbol, tenis, etc, mientras que en la vida diaria se refiere a actividades como el caminar. Los estudios en sujetos con deficiencia de HC han proporcionado evidencia que la HC es un regulador positivo  de la capacidad aeróbica de ejercicio. Los mecanismos responsables del mejoramiento del rendimiento aeróbico durante el reemplazo de HC son multifactoriales. El aporte de oxígeno para los músculos en ejercicio depende de la función cardiaca, la capacidad pulmonar y la capacidad de transportar oxigeno de la sangre. En adultos con deficiencia de HC, la terapia de reemplazo incrementa (i) el gasto cardiaco a través del aumento de la frecuencia cardiaca y del volumen latido; (ii) la capacidad pulmonar mediante el incremento de la fuerza de los músculos respiratorios y los volúmenes pulmonares; y (iii) la masa de eritrocitos que determina la capacidad de la sangre para transportar oxígeno. Estos estudios también demostraron que la HC no aumenta la capacidad aeróbica de ejercicio en adultos sanos. En resumen, la HC aumenta  la capacidad aeróbica de ejercicio en sujetos con deficiencia de HC, pero no en sujetos sanos. Este aumento puede ser explicado por efectos de la HC sobre la masa muscular, la función cardiorespiratoria y los parámetros hematológicos.

La capacidad anaeróbica de ejercicio es definida como la cantidad total de trabajo durante un ejercicio  extenuante de corta duración. Este trabajo es ejecutado por fibras musculares tipo II y la principal fuente de energía es el ATP anaeróbico.  Las actividades deportivas que involucran actividad física de alta intensidad y de corta duración incluyen la gimnasia, el baseball y el “sprinting”. El sistema de energía anaeróbico proporciona la energía para el inicio  de todas las actividades biológicas, incluyendo actividades de la vida diaria. La HC estimula la producción de ATP en la glucólisis, lo cual incrementa la capacidad anaeróbica de ejercicio en el músculo esquelético. Por lo tanto, el hallazgo de que la HC puede regular el sistema anaeróbico  de energía tiene potenciales implicaciones terapéuticas no solo  en la población deficiente de HC sino también para acelerar la rehabilitación física.

La fuerza de un músculo es determinada por fibras tipo II y requiere ATP preformado para energía. Es significativamente reducida en adultos con deficiencia de HC por disminución de la masa muscular más que por disminución de la función contráctil. Los estudios sobre los efectos del reemplazo de HC sobre la fuerza muscular han proporcionado resultados contradictorios.  Algunos estudios reportan que la fuerza muscular no cambia significativamente después de cuatro meses de tratamiento. Otros estudios reportan  mejoría significativa  después de 12 meses de tratamiento. Los estudios que reportan incremento de la fuerza muscular también reportan incremento en la masa muscular después de un tratamiento de larga duración. En resumen, la evidencia acumulada indica que la HC incrementa la fuerza muscular  a través del incremento de la masa muscular.

En los estudios de la HC y la fuerza muscular está implícito  el rol mediador del IGF1, el cual estimula la proliferación y la diferenciación  de las células satélites en mioblatos y la formación de nuevas miofibras. Los ratones con deficiencia de IGF1 exhiben  hipoplasia muscular, mientras que la sobre expresión de IGF1 produce hipertrofia muscular y aceleración de la regeneración después de la atrofia por desuso. Estos estudios indican que las acciones de la HC sobre el crecimiento y la fuerza del músculo son mediadas vía IGF1.

En conclusión, la HC es una hormona anabólica que regula positivamente la función del músculo. La función contráctil del músculo esquelético depende del tamaño muscular, los tipos de fibras y la disponibilidad de energía. Los músculos utilizan diferentes formas de energía para llevar a cabo una función específica. La HC regula la bioenergética del músculo que aumenta el rendimiento anaeróbico. La HC incrementa la fuerza muscular  en adultos con deficiencia de HC  a través del aumento de la masa muscular, un efecto que es mediado por el IGF1. Esta acción de la HC no afecta la fuerza contráctil ni la composición de fibras del  músculo.  La terapia con HC de corta duración  no aumenta la fuerza muscular en adultos sanos.  Al presente, no hay evidencia que apoye un rol de la HC en el aumento de la función contráctil del músculo esquelético.

Fuente: Chilcani V y Ho K (2014). Action of GH on skeletal muscle function: molecular and metabolic mechanisms. Journal of Molecular Endocrinology 52: R107-R121. 

El INSL3 y el eje hipotálamo-hipófisis-gónada

El factor  similar a insulina 3 (INSL3)  es  miembro de una familia de hormonas peptídicas  que  incluye también a la insulina, al IGF1, al IGF2, a  la relaxina y a un pequeño número  de péptido poco conocidos. El INSL3 tiene un estructura  muy similar a la de la insulina o a la de la relaxina, deriva de una prepro-hormona, la cual después de un plegamiento  intracelular es procesada post-translacionalmente para dar lugar  a un péptido heterodimérico A-B, como la insulina, o B-C-A, análogo a los IGFs. Ambas formas han sido identificadas  en la circulación de mamíferos machos  y son igualmente bioactivas.  En los mamíferos machos, el principal sitio de síntesis   de INSL3 son las células de Leydig del testículo fetal y adulto que lo secretan en grandes cantidades  dando origen  a concentraciones circulantes de aproximadamente  1ng/ml  en el hombre adulto. Algunos tejidos periféricos llevan a cabo la síntesis  de INSL3 pero en cantidades tan pequeñas que no contribuyen  a los niveles circulantes de la hormona y podría ser únicamente para efectos autocrinos o paracrinos.

La producción de INSL3 por las células de Leydig comienza después de la determinación sexual  y la expresión del factor de transcripción  SF-1 (steroidogenic factor-1), esto es, semana 11-12 de gestación en los humanos. En el testículo fetal así como en el testículo adulto de los humanos, la producción de INSL3 requiere de la diferenciación maduracional de las células de Leydig. En la vida fetal esta diferenciación depende de la gonadotropina coriónica.

La principal función del INSL3 en el feto masculino es inducir la fase transabdominl  del descenso testicular. El INSL3 actúa sobre su receptor RXFP2 (relaxin family peptide rceptor 2), el cual es un receptor  acoplado a proteína G  que activa a la adenil ciclasa y es expresado por las células del gubernáculo en el feto masculino. El gubernáculo  es el ligamento  que conecta la parte ventral del testículo en desarrollo con la región inguinal. La activación del RXFP2  causa el engrosamiento del gubernáculo, el cual pierde elasticidad y retiene al testículo perirenal  en la región inguinal en una etapa del desarrollo en la que el riñón y los órganos vecinos crecen en dirección antero-dorsal. Los andrógenos actúan sinérgicamente con el INSL3 para activar esta importante etapa del desarrollo. Aparentemente, los andrógenos son requeridos para inducir al receptor RXFP2.  El INSL3 no es requerido para la segunda fase del descenso testicular, la migración inguino-escrotal, la cual requiere solamente andrógenos, o por lo menos, un eje hipotálamo-hipófisis-gónada (HHG) activo.

Después del nacimiento, la mayoría de células de Leydig involucionan. En los humanos, aparte de la etapa conocida como “minipubertad” (aproximadamente a los tres meses de vida postnatal) cuando las células de Leydig se activan transitoriamente, los testículos permanecen esteroidogénicamente quiescentes hasta el inicio de la pubertad.  La población de células de Leydig del testículo adulto representa un linaje de células completamente separado  de la población fetal. Las células de Leydig tipo adulto  se diferencian durante la pubertad de una manera dependiente  de la LH, tanto de la producción como de la frecuencia de pulsos de la LH hipofisiaria, así como también de la expresión  de receptores para LH funcionales en las células de Leydig inmaduras.

Durante la pubertad, el eje HHG se vuelve hiperactivo con pulsos de LH más frecuentes y más grandes que causan en el testículo la síntesis y secreción de grandes cantidades de testosterona, la cual a su vez lleva a cabo retroalimentación sobre la hipófisis y el hipotálamo para regular la pulsatilidad de la LH. La producción de INSL3 sigue la diferenciación anatómica de las células de Leydig y la pulsatilidad masiva  de LH en la pubertad. In vivo, el INSL3 es un biomarcador de la diferenciación tardía de las células de Leydig. La diferencia entre la producción de testosterona dependiente de LH y la producción de INSL3 dependiente de LH está en que el INSL3  alcanza un nivel pico sin regulación por retroalimentación, mientras que la testosterona  es regulada agudamente  a nivel de actividad enzimática. La retroalimentación de la testosterona estabiliza progresivamente el eje HHG a un  nivel moderado de LH y consecuentemente disminuye el metabolismo de las células de Leydig. En estas condiciones,  los niveles circulantes  de INSL3 se reducen  reflejando la capacidad funcional estable de las células de Leydig. En los humanos  varones, la testosterona circulante  disminuye aproximadamente 6% por década después de los 40 años. Sin embargo, esto es continuamente compensado por incrementos de LH que reflejan la continuación de la regulación por retroalimentación  a través del eje HHG. En cambio, con el INSL3 producido por las mismas células de Leydig, la reducción es mucho mayor (12% por década) porque no ocurre la compensación por retroalimentación.

Además de las  funciones endocrinas conocidas, el INSL ejerce funciones autocrinas/paracrinas en el testículo. El receptor RXFP2 ha sido identificado en  las células  de Leydig y también en las células germinales presentes en los túbulos seminíferos. En circunstancias normales, el líquido intersticial  del testículo adulto contiene altas concentraciones de INSL3 capaces de saturar y desensibilizar los receptores RXFP2 presentes en cualquier superficie. Por lo tanto, cualquier rol del INSL3 en este compartimento sólo será relevante en la pubertad temprana, antes de la completa diferenciación de las células de Leydig,  o  durante el período embrionario temprano para la población fetal de células de Leydig.   Aparentemente, el INSL3 forma parte de un mecanismo que incrementa la producción de esteroides dependiente de  LH, el cual  puede tener mucho impacto durante la primera onda de espermatogénesis  antes de la completa diferenciación de las células de Leydig.  En las células germinales, el RXFP2 es expresado modestamente  por los espermatocitos y en mayores cantidades por las células germinales post-meiosis. La evidencia acumulada apoya un rol del INSL3 como factor de supervivencia/anti-apoptosis  con respecto a las células germinales. En suma: el INSL3 actúa como un sistema autocrino/paracrino intratesticular  reduciendo fluctuaciones innecesarias inducidas por influencias externas (como el estrés),  a través  de la modulación de las acciones de la LH.  

El análisis de la acción del INSL3 tanto  nivel endocrino como paracrino/autocrino indica que esta hormona tiene acciones sinérgicas, directas o indirectas, con los andrógenos en el crecimiento óseo, la maduración de los genitales masculinos en el embrión  y en la supervivencia de las células germinales  en los túbulos seminíferos. También en la hembra, donde el INSL3 no alcanza altos niveles circulantes, actúa sinérgicamente con las gonadotropinas (LH y FSH) y la androstenediona para promover el crecimiento folicular y la producción de esteroides. Por lo tanto, la pérdida completa de la función  del INSL3 o de su receptor en los humanos  está asociada con osteopenia/osteoporosis y criptorquidia. Mientras que en las hembras, la pérdida de INSL3 en el ovario está asociada  con un reducción  en el crecimiento  y maduración del folículo antral.. Los detalles moleculares precisos de esta sinergia aún no son conocidos, aunque hay evidencia experimental que   señala que la activación del receptor de andrógenos  es requerida para la expresión del RXFP2 y que, al menos en la acción del INSL3 sobre el gubernaculo, la ruta de señalización intracelular  es inducida  de manera muy similar  a la inducida por la acción de los andrógenos.  

Fuente: Ivell R et al (2014) Insulin-like factor 3 and the HPG axis in the male. Frontiers in Endocrinology 5, Article 6.

Acciones de la prolactina en la glándula mamaria

El conocimiento sobre tres aspectos de la acción de la prolactina (PRL) en la glándula mamaria ha avanzado notablemente en los últimos años. Los descubrimientos recientes sobre (1) los mecanismos responsables de la proliferación  del epitelio mamario inducida por la PRL, (2) el rol  de la expresión local de PRL en la glándula mamaria  y (3) el control de la movilización de calcio asociada con la lactancia han contribuido  a un mejor entendimiento de las acciones de la PRL  en la glándula mamaria, tanto a nivel celular como a nivel  organizacional. Previamente, el descubrimiento de la ruta de señalización intracelular de la PRL  a través de su receptor (PRL-R) y la tirosina kinasa  Jak 2 que conduce a la activación del factor de transcripción  Stat5, había sido un gran avance en el entendimiento de las acciones de la PRL.

La primera evidencia directa  del mecanismo de señalización intracelular  de la PRL, actualmente conocido como la ruta Jak-Stat, fue el descubrimiento en 1994 de la fosforilación de tirosinas inducida por la PRL y la actividad ligadora de ADN  de proteínas bioquímicamente relacionadas con componentes de la señalización  de interferones e interleuquinas.  Ese mismo año  se demostró que la PRL activa la tirosina kinasa Jak2. Con  estos hallazgos quedó claramente establecido que la PRL activa la ruta de señalización intracelular usada por una variedad de citoquinas y factores de crecimiento. La posterior identificación  del “factor de la glándula mamaria” como un nuevo miembro  de la familia “Stat” confirmó la ruta de la señal de transducción  de la PRL, la cual fue validada en experimentos  con ratones “knockout”.  Aparentemente, ninguna acción fisiológica de la PRL es independiente de la activación Jak-Stat.

Un mejor entendimiento  de cómo la PRL maneja la proliferación del epitelio mamario ha permitido conocer  mejor las acciones de la PRL en la glándula mamaria. La glándula mamaria  se desarrolla bajo el control  de las hormonas reproductiva que manejan el crecimiento  del árbol ductal primario por acción  de los estrógenos, las ramificaciones laterales secundarias por acción de la progesterona y la diferenciación de los sacos alveolares que sintetizan la leche  por medio de la PRL. En este contexto, quizá lo más importante  de los hallazgos recientes es que la proliferación del epitelio mamario inducida por la PRL es completamente  mediada por mecanismos indirectos.  El principal mecanismo por el cual la PRL  maneja la proliferación del epitelio mamario  es a través de la inducción  de RANKL  en una relación sinérgica con la progesterona. La inducción de RANKL por la progesterona y la PRL es una auténtica sinergia, pues ninguna de las dos hormonas es efectiva por sí misma. El IGF2 que también es inducido por la PRL, acelera el crecimiento alveolar, pero no es estrictamente indispensable. El RANKL, su receptor RANK  y el receptor señuelo  osteoprotegerina (OPG) son miembros  de las familias del factor de necrosis tumoral (TNF) y el receptor  de TNF, respectivamente.  La unión del RANKL al RANK  inicia una cascada de señalización  intracelular que activa al NF-κB, la MAPK y la proteína kinasa  B/AKT. La proteína Stat5A  media preferencialmente la inducción de RANKL por la PRL, en tanto que la Stat5B aparentemente no está involucrada. 

La inducción sinérgica  de RANKL por la progesterona y la PRL  es limitada por las células “sensoras de hormona”, las cuales expresan  receptores para estrógenos, progesterona (especialmente PR-B) y PRL.  Estas células son distribuidas  a través del epitelio alveolar y las células vecinas a ellas expresan RANKL. EL RANKL actúa como un mitogeno yuxtacrino a través de la inducción  de ciclina D1 en las células adyacentes. El RANKL induce la proliferación de células progenitoras que eventualmente se diferenciarán  en las células luminales productoras de leche y posiblemente también en nuevas células “sensoras de hormonas”. Estos hallazgos sugieren  que la PRL induce la proliferación  del epitelio mamario vía unión yuxtacrina  de RANKL y RANK.

Dos factores adicionales, Elf5 y Wip1, son importantes para la respuesta  de las células epiteliales sensibles a la PRL.  El Elf5 (un factor de transcripción de la familia Ets) es importante en la determinación del fenotipo secretor alveolar y es expresado en las células productoras de leche, pero no en las células “sensoras de hormonas”. El Elf5 es inducido por la PRL y forma un asa de retroalimentación positiva con la proteína Stat5 en la cual cada factor induce la expresión del otro. La relación entre Elf5 y Stat5 puede ser concebida  como un mecanismo que da soporte  al crecimiento explosivo y la diferenciación del epitelio mamario antes de la lactancia. Se especula que la interrupción de esta asa de retroalimentación positiva  después del destete podría estar involucrada en el colapso y  -la remodelación-  del tejido glandular.  Las células “sensoras de hormonas” requieren Wip1, una proteína fosfatasa Ser/Thr de la familia PP2C. La deficiencia de Wip1 resulta en un pobre crecimiento alveolar debido a la deficiente inducción  de RANKL e IGF2 por la PRL en las células “sensoras de hormonas”. El Wip1 incrementa  la sensibilidad  a la PRL en las células “sensoras de hormonas”.

El sistema PRL extrahipofisiario está bastante bien desarrollado en los primates. La PRL de origen extrahipofisiario también  ha sido identificada en varios tejidos de roedores, incluyendo la glándula mamaria.  La PRL expresada localmente es fisiológicamente importante en la glándula mamaria de ratón durante la actividad secretora postparto. Un estudio reciente ha demostrado que  la expresión de PRL  en las células epiteliales mamarias  es inducida por  la ruta Pten-Akt durante las postrimerías del embarazo  y el inicio de la lactancia.  La activación de  la proteína Akt , o la supresión de la proteína Pten, causa la diferenciación precoz  del epitelio mamario. En ausencia de Akt no se lleva a cabo la inducción  de la expresión local de PRL. Estos resultados indican que aún   en los roedores, cuyo sistema  PRL extrahipofisiario es rudimentario en comparación con  los primates, la PRL local constituye un mecanismo para aumentar la respuesta a la PRL en tiempos críticos en órganos específicos como la glándula mamaria.  En humanos, bajo el control de elementos reguladores, una amplia variedad de tejidos expresan PRL.

El péptido relacionado con la hormona paratiroidea (PTHrP) es secretado en grandes cantidades por la glándula mamaria durante la lactancia, la PRL está implicada en su regulación  pero los mecanismos  que inducen la secreción de PTHrP hasta hace poco tiempo eran desconocidos. El PTHrP lleva a cabo la resorción ósea y otros efectos fisiológicos.  La movilización del calcio  óseo es esencial durante la lactancia para proporcionar la gran cantidad de calcio  que es exportada con la leche. Estudios reciente han demostrado que la serotonina  (5-HT) controla la expresión  y secreción de PTHrP en la glándula mamaria. La síntesis de 5-HT en las células epiteliales  mamarias es estimulada  por la dilatación  de los alveolos de la glándula mamaria en respuesta  a la secreción láctea inducida por PRL. Por lo tanto, durante el embarazo  y la lactancia, la síntesis de 5-HT es elevada y aumenta aún más cuando la leche no es removida. La inducción de PTHrP por la 5-HT es mediada por receptores 5-HT2B acoplados a proteína G (Gq/11). Es importante enfatizar que en el caso de la 5-HT y el PTHrP, la dependencia de la PTH es una relación indirecta  mediada por la dilatación de los alveolos mamarios.

En los años 80 fue descubierto un fragmento proteolítico  del polipéptido PRL (23kDa)  llamado PRL 16K. La generación  de la PRL 16K involucra múltiples sitios de clivaje sensibles a la catepsina D en el asa que conecta la tercera con la cuarta α.hélice de la molécula PRL.  Estos fragmentos no se unen  al PRL-R convencional  y ninguno  de los efectos fisiológicos conocidos  de la PRL ha sido tribuido a la PRL 16K. Aparentemente, la PRL 16K no es requerida para las acciones fisiológicas de la PRL. La PRL 16K es un potente  péptido anti-angiogénico. Estudios recientes han involucrado a la PRL 16K  en la cardiomiopatía periparto de la mujer, una rara patología  que tiene múltiples etiologías. La aumentada actividad de la catepsina D en el miocardio incrementa la producción  de PRL 16K durante el periparto cuando los niveles de PRL son altos. En consecuencia, la red capilar  cardiaca es dañada, lo cual favorece el desarrollo de la cardiomiopatía. La relación  entre PRL 16K y cardiomiopatía presenta un ejemplo muy interesante de fisiopatología, en el cual los altos niveles de PRL durante el periparto, interactúan con una elevada actividad proteolítica, posiblemente relacionada con el estrés oxidativo.  Esta combinación de eventos convierte a la PRL  en una molécula que puede dañar los tejidos. El periparto puede ser  una condición    que expone los tejidos  a niveles de PRL y actividad proteolítica  suficientes  para generar PRL 16K en cantidades que pueden causar ese efecto. Sin embargo, un alto nivel de PRL por sí mismo no parece ser suficiente para producir niveles patológicos de PRL 16K. Esto se ha podido comprobar con la hiperprolactinemia provocada por los prolactinomas.

En conclusión, la genética molecular y otras técnicas contemporáneas  han contribuido  a entender mejor la biología celular y la señalización molecular  por las cuales la PRL  controla la proliferación  y diferenciación del epitelio mamario. Los efectos combinados de la progesterona y la PRL  producen  la señal RANKL yuxtacrina  que induce el crecimiento alveolar. El factor de transcripción Elf5 juega un papel clave  en la diferenciación   del epitelio secretor y facilita su proliferación. Por otra parte, estudios recientes han demostrado que la PRL expresada localmente en la glándula mamaria es fisiológicamente importante así como también que la PRL está involucrada en la regulación de la secreción del PTHrP durante la lactancia. Un área de particular relevancia  clínica es la aparente implicación del fragmento proteolítico  PRL 16 en la etiología de la cardiomiopatía periparto.

Fuente: Horseman ND y Gregerson KA (2014). Prolactin actions. Journal of Molecular Endocrinology 52: R95-R106.