Rol del PACAP en la función neuroendocrina de la hipófisis anterior

El PACAP (pituitary adenilate cyclase-activating polypeptide) fue aislado de extractos de hipotálamo como un neuropéptido con capacidad para estimular la producción  de AMPc en células de la hipófisis anterior.  El PACAP  es el miembro más conservado de la superfamilia péptido intestinal vasoactivo-secretina-glucagón y está presente  en dos formas amidadas, PACAP27 y PACAP38, que derivan de una misma proteína  precursora codificada  por el gen Adcyap1.  La estructura primaria  del PACAP ha sido determinada en varias especies de mamíferos y en algunos vertebrados no mamíferos como aves y peces. EL PACAP  se une a tres subtipos de receptores: el receptor PACAP tipo 1 (PAC1R), y los receptores de polipéptido intestinal vasoactivo tipo 1(VPAC1R) y tipo 2 (VPAC2R). Estos receptores pertenecen a la familia de receptores acoplados a proteína G y son expresados en el sistema nervioso central  y en órganos periféricos. El principal receptor para las acciones del PACAP es el PCAC1R que se acopla predominantemente con la proteína Gs e induce la producción rápida de AMPc, el cual activa la proteína quinasa A (PKA). El PACAP también tiene la capacidad para estimular la producción de inositol fosfato a través del acoplamiento del receptor con la proteína Gq, lo cual resulta en el incremento de la concentración intracelular de Ca²⁺.  La amplia distribución del PACAP y su receptor  sugiere que se  trata de un péptido multifuncional.  En efecto, el PACAP ejerce sus funciones en los sistemas inmune, óseo, cardiaco, gastrointestinal, respiratorio, endocrino  y  nervioso central y periférico. El PACAP y su receptor también son expresados  en las gónadas, estimula la secreción de testosterona en las células de Leydig y modula la espermatogénesis en testículo y la esteroidogénesis en las células granulosas de ovario.

En el hipotálamo, la expresión de PACAP ha sido localizada en los cuerpos celulares de neuronas de los núcleos paraventricular, supraóptico y arcuato  y los axones de estas neuronas se dirigen hacia los capilares de la circulación porta-hipofisiaria a través de los cuales  establecen  relación con la hipófisis anterior.  El PACAP  está presente en la sangre portal en mayor concentración que la circulación general. El patrón de liberación de PACAP (continuo o pulsátil) no ha sido bien caracterizado.  La evidencia sugiere que el PACAP estimula la liberación  de hormona de crecimiento, ACTH, LH, FSH, prolactina y TSH en las células de la hipófisis anterior.  La liberación de  hormona estimulante de α-melanóforos por las células melanotropas del lóbulo intermedio de la hipófisis también es estimulada por el PACAP. Aunque inicialmente se consideraba al PACAP  como un neuropéptido hipotalámico-hipofisiotrópico, su distribución en la hipófisis anterior sugiere que puede actuar como un clásico factor hipotalámico de liberación y como un factor autocrino-paracrino.  En la rata, la expresión de PACAP en las células de la hipófisis anterior  cambia marcadamente  dependiendo del género, la hora del día y el estado del ciclo estral.  Durante el diestro hay relativamente pocas células secretoras de PACAP, pero su número incrementa sustancialmente en el pro-estro, lo que sugiere que el PACAP juega un rol en la secreción de gonadotropinas  durante el periodo periovultorio.

Si bien la síntesis y secreción de gonadotropinas (LH y FSH)  por las células gonadotropas de la hipófisis anterior es regulada predominantemente por la hormona liberadora de gonadotropinas  (GnRH) del hipotálamo, esas células también son reguladas por el PACAP, solo o en sinergia con la GnRH.  Sin embargo, la capacidad del PACAP para  inducir la liberación  de las subunidades de las gonadotropinas  es modesta comparada con la de la GnRH.  Adicionalmente, el PACAP regula la expresión de los genes que codifican las subunidades de las gonadotropinas. Por otra parte, el PACAP incrementa la expresión de su recptor PAC1R en las células gonadotropas.  Un estudio reciente reporta que tanto la GnRH como el PACAP incrementan la expresión de folistatina, la cual regula negativamente la expresión del gen de la subunidad β de la FSH  a través de la inhibición del efecto de la activina en las células gonadotropas.  GnRH y PACAP interactúan en las células gonadotropas, la GnRH incrementa la expresión de PACAP y PAC1R, mientras el PACAP incrementa la expresión del receptor de GnRH. El PACAP ejerce sus efectos activando principalmente la ruta AMPc/PKA. Por el contrario, el receptor de GnRH se acopla principalmente con la proteína Gq, lo cual activa  la fosfolipasa C y  produce elevación de la concentración intracelular de Ca²⁺ y activación de la proteína quinasa C (PKC). La PKC a su vez activa la cascada de la proteína quinasa activada por mitogenos (MAPK). Aunque GnRH y PACAP  incrementan los niveles de AMPc de manera independiente, la GnRH previene  la acumulación de AMPc estimulada por el PACAP en las células gonadotropas.  Sin embargo, GnRH y PACAP cooperan para incrementar la producción de inositol fosfato.  

La GnRH es liberada por el hipotálamo  de una manera pulsátil, pero el patrón de pulsos varía fisiológicamente en función del estatus hormonal y el estadio del ciclo reproductivo.  Más aún, la frecuencia de los pulsos de GnRH juega un rol crítico en la tasa de liberación de gonadotropinas por la hipófisis anterior.  Una frecuencia alta de pulsos de GnRH incrementa los pulsos de secreción de LH, mientras una frecuencia baja  disminuye la secreción de LH pero incrementa la de FSH.  En la rata, la subunidad α,  común en ambas  gonadotropinas, es transcripta preferencialmente  con frecuencias altas de pulsos de GnRH (un pulso cada 8-30 minutos), la transcripción del gen de la subunidad LHβ se ve favorecida por frecuencias intermedias (un pulso cada 30-60 minutos) y la transcripción del gen de la subunidad FSHβ es favorecida por frecuencias bajas (1 pulso cada 120-240 minutos).   La activación  de la quinasa regulada por señal extracelular  (ERK) es requerida para la expresión de los genes de las subunidad de gonadotropinas inducida por GnRH.

GnRH y PACAP  modulan  sus funciones en las células gonadotropas cambiando los niveles de sus receptores. La expresión del gen del PACAP aumenta predominantemente con pulsos de GnRH de baja frecuencia. Similarmente, la expresión de PAC1R es más pronunciada cuando las células son estimuladas con pulsos de GnRH de baja frecuencia.  Las concentraciones elevadas  de PAC1R potencian la acción de la GnRH  sobre la expresión de genes de las subunidades de gonadotropinas.  Estos datos sugieren que las células gonadotropas  funcionalmente alteradas por pulsos de GnRH de baja frecuencia, para producir más PACAP y expresar más PAC1R, tienen mayor capacidad para producir gonadotropinas. Asimismo, apoyan la hipótesis que establece que el PACAP  media la producción de gonadotropinas dependiente de la frecuencia  de pulsos de GnRH, como factor autocrino/paracrino.  La GnRH también afecta la expresión de su receptor, el número de receptores de GnRH  aumenta  con pulsos de GnRH de alta frecuencia.

No está claro si el PACAP es liberado por el hipotálamo de manera pulsátil como la GnRH. Sin embargo, cuando las células gonadotropas son estimuladas con PACAP de una manera pulsátil se observa que la expresión de las subunidades específicas de las gondotropinas ocurre  de manera dependiente de la frecuencia de pulsos de PACAP.  Similar a la estimulación pulsátil de GnRH, las frecuencias relativamente elevadas de pulsos de  PACAP incrementan la expresión de la subunidad LHβ y las frecuencias bajas de pulsos de PACAP  incrementan la expresión de la subunidad FSHβ.

El PACAP puede modular las funciones reproductivas actuando sobre las neuronas GnRH, aunque los resultados reportados son contradictorios. La inyección intraventricular, o en el hipotálamo medial,  de PACAP suprime la pulsatilidad de GnRH en animales ovariectomizados. Por el contrario, en ratas machos, la inyección icv de PACAP incrementa los niveles de GnRH. Más aún, la administración de PACAP en ratas recién nacidas retarda la pubertad. Aunque es difícil interpretar los resultados experimentales con relación a un efecto directo del PACAP sobre las neuronas GnRH del hipotálamo, estas observaciones  sugieren que el PACAP  afecta la actividad de esas neuronas. En apoyo  de un efecto directo  sobre las neuronas GnRH, un estudio reciente reporta que en situación de sobre expresión de PAC1R,  el PACAP estimula las rutas ERK y AMPc/PKA. Adicionalmente, se ha demostrado que el PACAP potencia el efecto de las kisspeptinas, neuropéptidos  que juegan un rol esencial en la regulación   de las neuronas GnRH.

En conclusión,  el PACAP  fue identificado originalmente  como un activador hipotalámico de la producción de AMPc en las células de la hipófisis anterior. El PACAP y su  receptor PAC1R son expresados en el sistema nervioso central y en órganos periféricos. En la hipófisis anterior, el PACAP estimula la síntesis y la secreción de las hormonas hipofisiarias actuando como factor hipotalámico de liberación y como factor autocrino-paracrino. De acuerdo con  la evidencia acumulada con relación al rol  del PACAP en el control central de las funciones reproductivas, especialmente a nivel de hipófisis e hipotálamo, el PACAP tiene la capacidad  para estimular la expresión de los genes de las subunidades  de las gonadotropinas, y sensibilizar las células gonadotropas de la hipófisis anterior  a la acción de la GnRH, un componente crucial de la secreción de gondotropinas,  a través del incremento del número de receptores de GnRH.  A su vez, la GnRH estimula la expresión de PACAP y PAC1R en las células gonadotropas. Adicionalmente, la presencia de PAC1R potencia la acción  de la GnRH sobre la expresión  de las subunidades de las gonadotropinas en las células gonadotropas.  PACAP y PAC1R también están involucrados  en la regulación específica de la expresión de genes de subunidades de gonadotropinas inducida por estimulación pulsátil de GnRH. Es posible que la actividad de las neuronas GnRH del hipotálamo sea modulada por el PACAP, los estudios in vivo apoyan este rol del PACAP.

Fuente: Kanasaki H et al (2015). Role of pituitary adenylate cyclase-activating polypeptide in modulating hypothalamus-pituitary neuroendocrine functions in mouse cell models.  Journal of Neuroendocrinology 27: 1-7.