Los estrógenos y la acción de la insulina

Los estudios clínicos han revelado un rol protector del 17β-estradiol (E2), el principal estrógeno circulante,  contra el síndrome metabólico y la diabetes.  En un estudio prospectivo, el riesgo de diabetes  se redujo 62% en mujeres con terapia de reemplazo hormonal  con respecto a individuos que nunca usaron dicha terapia. La terapia de reemplazo hormonal también mejora el control de la glucosa en mujeres con diabetes pre-existente y el E2 en dosis moderadas (0,625 mg) incrementa la sensibilidad a la insulina, pero dosis mayores (1,25 mg) de E2 o el co-tratamiento con progestinas atenúan  este beneficio.  

El E2 lleva a cabo sus efectos  a través de tres receptores: ERα, ERβ y un receptor acoplado a proteína G (GPER), recientemente descrito. Las variaciones en la acción del E2 dependen de la distribución relativa y la abundancia de ER en los diferentes tejidos  y de sus localizaciones intracelulares.  El ERα es el receptor  primario del E2 en la mayoría de los tejidos reproductivos  y en los tejidos sensibles a la insulina. Los ER tienen similitudes estructurales con los demás miembros  de la familia de receptores nucleares. El dominio A/B en el extremo N-terminal contiene una activación funcional (AF1), la cual es independiente de ligando y tiene actividad promotor –y célula- especifica. El dominio de unión al ADN  reside en el dominio C mientras que la señal de localización nuclear está en el dominio D. El dominio E en el extremo C-terminal  es el sitio para la unión del ligando y contiene  una AF2 dependiente de ligando. Hasta el presente, La función del dominio F es desconocida. Aunque ERα y ERβ tiene homología en los dominios de unión al ADN y al ligando, difieren especialmente en las secuencias N-terminal y C-terminal. Hay evidencia que el ERβ puede tener menos actividad transcripcional nuclear que el ERα.

En la ruta clásica de señalización intracelular del E2, dos ER se dimerizan  cuando son estimulados por  la unión del E2 y posteriormente se translocan al núcleo, en donde desencadenan  una respuesta transcripcional.  Estos efectos genómicos son mediados por el complejo E2-ER a través de la unión directa  con los elementos de respuesta a los estrógenos (ERE) y coactivadores para formar un complejo transcripcional  o mediante la unión a coactivadores transcripcionales para inducir indirectamente la transcripción  de genes.  La ruta de señalización no clásica opera de manera independiente de la unión ER-ERE e involucra interacciones proteína-proteína que desencadenan efectos genómicos y no genómicos. Los efectos no genómicos  involucran la interacción del ER localizado en la membrana con proteínas adaptadoras como la c-Src y una señalización rápida vía proteína quinasa activada por mitogeno (MAPK), proteínas G, proteína quinasa B (PKB)/PI3K y proteína quinasa C (PKC).  El E2 también activa señales no genómicas vía GPER. Esta señal es rápida y dispara la liberación  de Ca²⁺ intracelular, la producción de AMPc o la activación de la proteína c-Src con la subsiguiente activación de la MAPK o de quinasas dependiente de calcio-calmodulina. La evidencia acumula sugiere que la señal ERα no clásica media la mayoría de los efectos  del E2 sobre el balance energético.  La actividad del E2 también depende  de su biodisponibilidad, la cual es determinada primariamente  por la globulina de unión a hormonas sexuales (SHBG). La SHBG transporta  y regula la actividad de andrógenos y estrógenos a través de la regulación de su distribución en el plasma  y el acceso de estas hormonas a sus tejidos blancos. Los ER también pueden localizarse en la mitocondria  y potencialmente inducir acciones genómicas y no genómicas.

El E2 influye en la homeostasis de la glucosa  a través de múltiples sistemas con efectos específicos en cada órgano primariamente  vía ERα. El E2 puede regular  la acción de la insulina directamente  a través de sus acciones sobre los tejidos sensibles a la insulina o indirectamente regulando factores como el estrés oxidativo, el cual contribuye a la resistencia a la insulina.  En el músculo esquelético, el ERα tiene un efecto positivo sobre la señal de insulina  y la expresión de GLUT4 mientras los ERβ pueden ser prodiabetogénicos  y  causar una disminución de la expresión de GLUT4. El rol  del ERα en el hígado ha sido estudiado en ratones que carecen de este receptor en el hígado y alimentados con dieta rica en grasas. En estos ratones, la insulina falla en suprimir la producción hepática de glucosa, un dato que es indicativo de resistencia a la insulina en el hígado. El E2 también puede  llevar a cabo  sus efectos reguladores sobre la acción de la insulina  a través de la reducción de la inflamación. La inflamación en la obesidad  induce la expresión de aromatasa en el tejido adiposo, lo cual incrementa la producción de E2 para suprimir la inflamación de una manera paracrina. El E2 también regula la función de las células β del páncreas a través del ERα. Los efectos protectores del E2  sobre las células β son primariamente no genómicos. Por otra parte, los efectos del E2 en el metabolismo también son controlados centralmente a nivel del hipotálamo regulando el apetito.

Una teoría en desarrollo  de resistencia a la insulina  establece que el estrés oxidativo crónico activa quinasas como JNK e IIKβ, las cuales inhiben la activación de intermediarios de la ruta de señalización de la insulina. El E2 suprime el estrés oxidativo, a través de acciones genómicas y no genómicas, activando rutas que previenen  la generación de especies reactivas de oxigeno (ROS) e incrementando la eficiencia del atrapamiento  de ROS.

El E2 claramente ejerce una regulación positiva  sobre la acción de la insulina. Sin embargo, esta relación  no se presenta con   niveles altos de E2 como ocurre en mujeres con ovarios poliquisticos, obesidad o embarazo, que se caracterizan por resistencia a la insulina. Las mujeres postmenopáusicas obesas tienen mayores niveles circulantes  de E2 que las mujeres postmenopáusicas delgadas. Por otra parte, dosis suprafisiológicas de E2 suprimen la oxidación de la glucosa estimulada por insulina mientras que las concentraciones  bajas  de E2 incrementan la captación de glucosa. Las mujeres tienden a acumular grasa en las regiones subcutáneas mientras los hombres tienden a tener adiposidad visceral, lo cual se correlaciona positivamente con mayor riesgo  de enfermedades cardiovasculares y síndrome metabólico. Después de la menopausia, la adiposidad  es mayor en el área visceral y por consiguiente la incidencia de enfermedades cardiovasculares y síndrome metabólico incrementa en las mujeres. Dos mecanismos han sido propuestos para explicar el cambio en la distribución de grasas con la menopausia. (1) La influencia del E2 sobre los receptores adrenérgicos  altera las características del almacenamiento de  lípidos en  los depósitos de grasas. El E2 puede alterar el balance entre los receptores β_1-2 lipolíticos  y los receptores α₂ anti-lipolíticos  en los depósitos subcutáneos y los viscerales. (2) La distribución alterada de ERα y ERβ en los depósitos de grasas permite al E2  modular la distribución de grasa entre los depósitos. Los hombres tienen menos ERα en sus depósitos viscerales y por tanto tiende a almacenar más grasa visceral. Una mayor relación ERα/ERβ en los depósitos viscerales pueden limitar la acumulación de grasa en las mujeres premenopáusicas. Después de la menopausia, el tejido adiposo se convierte en la principal fuente de E2 y la conversión  de precursores de E2 en E2 por acción de la aromatasa ocurre principalmente en el depósito visceral. Este depósito puede incrementar su tamaño  en un esfuerzo por atenuar la deficiencia de E2 en la menopausia.

La mujer menopáusica  a menudo sufre de bajos niveles  de energía, debilidad muscular, disminuida capacidad para el ejercicio y susceptibilidad a la ganancia de peso. Estos síntomas pueden  resultar por una  depleción de energía debido a disfunción mitocondrial.  Estudios recientes demuestran que el E2 juega un rol regulador de la función mitocondrial.  El E2 modula  varios aspectos  de la función mitocondrial, incluyendo la producción de ATP, la generación del potencial de membrana mitocondrial, la biogénesis mitocondrial y la regulación de las concentraciones de calcio. Los ER pueden regular la función mitocondrial a través de mecanismos genómicos y no genómicos. La evidencia reciente sugiere que los ER se localizan  en la mitocondria y pueden disparar directamente sus efectos. El ERα es esencial para el incremento mediado por E2 de proteínas de la cadena respiratoria  y proteínas antioxidantes  involucradas en la defensa contra el estrés oxidativo. El ERβ, sin embargo,  puede regular negativamente la expresión del ARNm  de las subunidades codificadas en el núcleo de los complejos de la cadena respiratoria.  El E2 también puede influir en la función mitocondrial  alterando la formación de ROS  e inducir  repuestas antioxidantes. El mecanismo para la acción genómica  del E2 sobre la función mitocondrial puede ocurrir vía   transcripción  por la translocación  del complejo E2/ER o a través  de la activación transcripcional de genes mitocondriales  por los ER localizados en las mitocondrias. Los ER mitocondriales pueden inducir la transcripción mediante la unión de elementos similares a los ERE en el genoma mitocondrial.  Los GPER pueden regula la función mitocondrial previniendo la apertura de los poros de permeabilidad   a través de la activación de la ruta Erk.

En conclusión,  el efecto del E2 sobre la acción de la insulina es una combinación de muchos factores: (1)  efectos directos sobre la señal insulina en los tejidos sensibles a la insulina, (2) efectos sobre la liberación de insulina por las células β del páncreas, (3) rol en el metabolismo del tejido adiposo  y el gasto de energía, (4) efectos sobre la producción hepática de glucosa y, (5) efectos en el hipotálamo para regular la ingesta de alimentos. Los efectos metabólicos del E2 son mediados primariamente por el ERα. El ERα dispara los efectos metabólicos del E2  a través de mecanismos genómicos, no genómicos y mitocondriales.

Fuente: Gupte AA et al (2015). Estrogen: an emerging regulator of insulin action and mitochondrial function.  Journal of Diabetes Research, Article ID 916585. 

Diversidad funcional de los FGF en la formación de hueso

El hueso es un tejido conectivo con una matriz extracelular mineralizada que proporciona soporte al cuerpo y afecta al metabolismo  calcio/fosfato. Los osteoblastos están involucrados en la formación de hueso a través de la secreción de la matriz orgánica “osteoide” y la facilitación de la formación de cristales de hidroxiapatita. Los osteoclastos juegan un rol activo en la resorción ósea. La formación de hueso y la resorción ósea son reguladas  por factores locales y sistémicos. Los primeros incluyen  factores de crecimiento y el ligando  del receptor del activador  del factor nuclear κ-β (RANKL) y su receptor RANK. Los factores de crecimiento fibroblástico (FGF)  están involucrados  en la regulación positiva y negativa  de  la formación de hueso. Los factores sistémicos  incluyen la hormona paratiroidea (PTH), la 1α,25-dihidroxivitamina D₃ (1,25 (OH)₂D₃) y la calcitonina.

Los FGF regulan la proliferación, la migración y la diferenciación  de las células en muchos órganos, incluyendo al hueso. En los mamíferos, los FGF  integran una familia  de 22 miembros (FGF1-23, el FGF 15 de ratón es ortólogo del FGF19 humano) y se clasifican  en tres subfamilias: canónica, similares a hormonas e intracelulares.  Las primeras dos subfamilias activan su ruta de señalización intracelular a través de los receptores de FGF (FGFR). Los FGF canónicos como el FGF2 actúan en el hueso y juegan roles significativos en la formación de hueso. Los miembros de la subfamilia  de FGF similares a hormona son los de más reciente identificación y su descubrimiento, especialmente los estudios clínicos y experimentales del FGF23, ha permitido explorar  roles adicionales de los FGF en el hueso. Los FGF intracelulares (FGF11-14)  han sido estudiados en neuronas pero no en el hueso.

Los FGF canónicos, incluyendo al FGF2, integran  la más común  subfamilia que transduce sus señales  a través  de  FGFR tirosina quinasa. La mayoría de FGF conservan un dominio  de unión a heparina y el heparán sulfato (HS) es un componente integral para la afinidad de los FGF por el FGFR.  Estos polipéptidos pueden ser retenidos  en la matriz extracelular  en la vecindad  de su célula secretora y, por lo tanto, actúan como factores autocrinos y/o paracrinos.  Los miembros de la subfamilia  de FGF similares a hormonas (FGF15/19, FGF21 y FGF23) tienen   características estructurales especiales  en el extremo C-terminal  y requieren de las proteínas de membrana αkloto/βkloto  –mas que HS-  como cofactores para unirse al FGFR. Esta diferencia puede ser  determinante  para las propiedades dinámicas de las dos subfamilias de FGF. Los FGF canónicos y similares a hormonas  llevan a cabo su actividad biológica  a través de cuatro FGFR  con diferentes afinidades de unión. Varios estudios han encontrado que la fosforilación de tirosina en el dominio intracelular  de los FGFR  activa  rutas de la proteína quinasa activada por mitogenos (MAPK), incluyendo la quinasa regulada por señal extracelular (ERK) ½, la p38 y la quinasa terminal c-jun N(JNK); la ruta fosfatidilinositol  3-quinasa (PI3K) Akt  y la ruta  fosfolipasa C (PLC)γ-proteína quinasa C(PKC). La dinámica espacio temporal  de FGF y FGFR puede determinar  cómo los FGF ejercen su actividad  en células y tejidos.

Los estudios en varios modelos animales sobre los roles primarios  de los FGF canónicos en la formación de hueso han demostrado que el FGF2, en los estadios tempranos de desarrollo,  inhibe la actividad de la fosfatasa alcalina, la síntesis de colágeno y la mineralización de la matriz al tiempo que incrementa la proliferación celular. Las acciones anabólicas del FGF2 han sido ampliamente demostradas; por ejemplo, la inyección local de FGF2 incrementa la formación de  hueso en ratones. El FGF2 también tiene la capacidad para prevenir  la pérdida  de hueso trabecular en ratas ovarectomizadas posiblemente    a través del incremento  de la proliferación  de células osteoadipogénicas.  En comparación con el FGF2, los demás FGF canónicos no han sido muy estudiados. Sin embargo, hay evidencia que el FGF1 puede actuar directa y/o  indirectamente  sobre el hueso.  El FGF4 es más específico de células mesenquimales, pero su inyección subcutánea incrementa la densidad mineral del hueso trabecular en ratones.  Mucho menos se conoce de los roles en el hueso de FGF6, FGF7, FGF8 y FGF9. El FGF6  tiene efectos catabólicos  sobre los osteoblastos y la evidencia histológica sugiere que el FGF9  convierte la osificación intramembranosa en osificación endocondral. Los efectos del FGF18 sobre la formación de hueso son similares  a los de FGF2, incrementa  la proliferación celular y disminuye la mineralización de la matriz.

La dinámica de los FGFR también es un determinante importante   de la formación de hueso mediada por FGF. Las mutaciones  en FGFR1 y FGFR2 provocan síndromes de craniosinostosis y condrodisplasia en humanos. Estos hallazgos sugieren que  ambos FGFR son  importantes para la formación de hueso endocondral  e intramembranoso.  Estudios  in vitro demuestran  que el FGFR2  induce las rutas de señalización ERK1/2 y PKC causando  diferenciación de osteoblastos. La señal FGFR3 afecta más a los condrocitos que a los osteoblastos. El FGF9, un ligando del FGFR3, regula positivamente la osteopontina  en los condrocitos.  El FGFR4 es expresado en preosteoblastos y osteoblastos  de ratones neonatos, lo que sugiere  que podría estar involucrado en la osteogénesis, pero su rol en el hueso  aun no está  claro.

El FGF23 es el último miembro  de la familia FGF y sus roles en el metabolismo del fosfato y la vitamina D son bien conocidos. Originalmente, el FGF23  fue descubierto  como  responsable del raquitismo hipofosfatémico y como un factor fosfatúrico producido por tumores mesenquimatosos. EL FGF23 es expresado predominantemente  en osteoblastos/osteocitos y la proteína  transmembrana αkloto actúa como correceptor del FGF23 para convertir los FGFR canónicos (FGFR1c, FGFR3c y FGFR4) en un receptor específico para el FGF23.  Por lo tanto, los órganos que expresan αkloto como el riñón, las glándulas paratiroides y el plexo coroideo son blancos del FGF23. El FGF23  disminuye la expresión renal de los cotransportadores sodio/fosfato tipo II y de la 1α-hidroxilasa, provocando la disminución de los niveles circulantes de Pi y 1,25(OH)₂D₃, respectivamente. El FGF23 también disminuye la expresión de PTH, aunque este efecto no es regulado por el eje FGF23-αkloto.  La carencia de FGF23 o de αklotocausa metabolismo aberrante de Ca/P y vitamina D, lo cual provoca anomalías esqueléticas y calcificación ectópica. El Pi, la activación simpática y la αkloto circulante podrían estar involucrados  en la expresión/producción  de FGF23. Por otra parte, el FGF23 puede actuar  de manera independiente de la proteína de membrana αkloto. Por ejemplo, la sobre expresión de FGF23, vía activación de FGFR1, altera la diferenciación  de osteoblastos y la formación de la matriz mineralizada. Una posible explicación  es que  la forma soluble (αkloto circulante) puede actuar como un cofactor  para el FGF23. En el ratón, el FGF23  en presencia de la αkloto circulante  activa  al FGFR2α y la ruta ERK1/2, causando una disminución de la proliferación de los condrocitos. En algunas células, la acción del FGF23 no requiere de ninguna de las proteínas αkloto. Por ejemplo, el FGF23 puede inducir la hipertrofia de cardiomiocitos ventriculares de ratas neonatales sin la participación de αkloto.  Los roles de los otros dos miembros de la subfamilia de FGF similares a hormonas, FGF19 y FGF21, en la formación de hueso no están completamente dilucidados. Los transcriptos FGF19 son expresados predominantemente en el ileum, mientras el ARNm de FGF21  es expresado en hígado, páncreas y tejido adiposo blanco. En condiciones normales, el FGF19, pero no el FGF21,  es detectable  en el cartílago de la placa de crecimiento  fetal de humanos. En ratones, la pérdida y la ganancia de la función de FGF21,  incrementa y disminuye la masa ósea respectivamente, lo que sugiere que el sistema FGF21/βkloto  puede actuar como un inhibidor de la formación de hueso.

El FGF2 humano tieneisoformas de bajo y alto peso molecular (FGF2, 22kDa, 22,5kDa, 24kDa y 32kDa)  mediante  un inicio alternativo  de la translación  en codones CUG  a partir  de un gen FGF2 simple.  El FGF2 (o FGF2 de bajo peso molecular) de bajo peso molecular  es predominantemente expresado en los precursores de los osteoblastos y activa la señalización intracelular vía FGFR de una manera autocrina/paracrina. La isoforma FGF2 de bajo peso molecular  extracelular puede ser translocada al núcleo después de su internalización, pero hay muy poca evidencia  de este proceso en el hueso. Las isoformas FGF2 de alto peso molecular no son liberadas de las células y se localizan en el núcleo en donde regulan la expresión de genes para ejercer sus efectos específicos.

Aunque el tejido óseo no expresa FGF21 en condiciones normales, el FGF21 circulante suprime la osteoblastogénesis e induce la adipogénesis. El FGF23 es considerado el  predictor  más común  en pacientes con enfermedad renal crónica. Los niveles sanguíneos de FGF23  se correlacionan positivamente  con la calcificación  de la arteria aorta  en paciente con hemodiálisis. Estudios recientes en pacientes con diálisis demuestran que el FGF23 exacerba la hipertrofia del ventrículo izquierdo, un tejido que no expresa la αkloto,  y que los niveles elevados de FGF23 están asociados con bajo índice de masa corporal y dislipidemia.

En conclusión,  la homeostasis ósea y mineral está rigurosamente controlada por múltiples mecanismos, incluyendo la señalización FGF/FGFR. Los FGF canónicos y similares a hormonas regulan la formación de hueso en diferentes estadios del desarrollo y de diferentes maneras. Los FGF expresados en el hueso están involucrados en la formación dehueso directa e indirectamente, lo cual indica que los FGF son mediadores de las interrelaciones  entre el hueso y otros órganos  bajo condicionesnormales y/o situaciones clínicas. Los FGF pueden compensarse unos con otros en el hueso y/o tejidos extraesqueléticos.

Fuente: Takei Y et al (2015). Functional diversity of fibroblast growth factors in bone formation.International Journal of Endocrinology, Article ID 729352.

Ritmo circadiano, estrés y tejido adiposo

Los relojes circadianos influyen en casi todos los procesos biológicos incluyendo el ciclo sueño-vigilia, la ingesta de alimentos, el metabolismo energético, la temperatura corporal, la función inmune, la función cardiovascular y la proliferación celular. La sincronización del reloj circadiano al ambiente externo ocurre a través de estímulos como la luz y la ingesta de alimentos.  Actualmente, se acepta  que la regulación circadiana ocurre de  manera jerárquica  con un reloj master que reside en los núcleos supraquiasmáticos (NSQ) del hipotálamo anterior, el cual recibe el impulso luminoso a través del tracto retinohipotalámico  y coordina los relojes localizados en  tejidos centrales y periféricos. En los mamíferos,  se considera que la mayoría de tejidos y células  contienen relojes funcionales similares al del NSQ y que la glándula suprarrenal juega un rol clave en la organización jerárquica, pues los ritmos de los glucocorticoides sincronizan los relojes de varios tejidos periféricos y centrales. De acuerdo con el modelo actual, un reloj circadiano  consiste  en asas interconectadas de retroalimentación transcripción-translación, con el brazo positivo compuesto por los factores de transcripción “circadian locomotor output cycles kaput”  (CLOCK),  “neuronal Pas domain-containing protein 2” (NPAS2) y “brain and muscle aryl hidrocarbon receptor nuclear translocator-like 1” (BMAL1, también llamado ARNTL o MOP3).  Estos factores forman heterodímeros vía dominios PAS para activar la transcripción de genes que contienen factores de transcripción circadianos unidos a los elementos E-box como “Period” (per 1-3) y “Cryptochrome (Cry1/2) que son expresados durante el día subjetivo y forman el brazo negativo del asa. Los complejos PER/CRY se trasladan al núcleo en donde se acumulan con el tiempo e inhiben la actividad CLOCK-αBMAL1 O NPAS2-BMAL1. De esta manera, la transcripción de Per y Cry es suprimida durante la noche subjetiva y el ciclo se completa hacia la mañana cuando  los complejos Per/Cry son degradados  y es liberada la inhibición de CLOCK/NPAS-BMAL1. La estabilización del asa incluye los receptores nucleares REV-ERBα, REV-ERBβ y RORα, los cuales regulan la expresión de Bmal1,  y los factores de transcripción DEC1 y DEC2.

Los glucocorticoides son componentes clave del eje hipotálamo-hipófisis-adrenales (HHA) y actúan como efectores finales de este eje sobre otros sistemas. El eje HHA es regulado en un asa de retroalimentación negativa. La producción de los neuropéptidos hormona liberadora de corticotropina (CRH) y arginina vasopresina (AVP) ocurre en el núcleo paraventricular (NPV) del hipotálamo bajo la influencia circadiana del NSQ y las señales inducidas por el estrés en el tallo cerebral y el sistema límbico. Ambos péptidos alcanzan la hipófisis  a través del sistema de vasos sanguíneos porta hipofisiario y estimulan la secreción de hormona adrenocorticotropa  (ACTH)  en la circulación.  La ACTH  a su vez estimula  la producción de glucocorticoides en la corteza suprarrenal, los cuales intervienen en la   retroalimentación negativa que inhibe la producción de CRH en el NPV y de ACTH en la hipófisis. La esteroidogénesis en la corteza suprarrenal ocurre  cuando la ACTH se une  al receptor melanocortina 2 (MC2R) y se activa la ruta de señalización AMPc-PKA  que resulta en la transcripción  de genes esteroidogénicos como la enzima para el clivaje de la cadena  lateral del colesterol (CYP11A1) y la proteína reguladora de la esteroidogénesis aguda (StAR). La etapa limitante de la producción de glucocorticoides ocurre con el transporte  de colesterol en las células adrenocorticales  a través del receptor clase B miembro 1 (SR-B1) y el receptor de lipoproteína de baja densidad,  y en las mitocondrias por la StAR.

La liberación rítmica de glucocorticoides  en la circulación en condiciones de no estrés ocurre de  manera circadiana. El pico de la secreción circadiana de glucocorticoides ocurre en la etapa tardía de luminosidad,  antes del inicio  de la fase activa, en las especies nocturnas, y en la fase tardía de oscuridad  en las especies diurnas, incluyendo humanos.  Al patrón circadiano se superpone un ritmo ultradiano de pulsos  de secreción cada 80-110 minutos en humanos  y 50-60 minutos en ratas.  El ritmo ultradiano es independiente del NSQ  y de cualquier conexión entre el hipotálamo y la hipófisis, y es controlado  por un asa  de  retroalimentación negativa donde la señal glucocorticoide a través de receptores  glucocorticoides (GR)  suprime la secreción de ACTH. El GR (también llamado NR3C1) es expresado ampliamente en el cuerpo pero está ausente en el NSQ y es el mediador de los efectos agudos de los glucocorticoides, los cuales se unen  al GR solamente  durante el pico de los pulsos ultradianos y rápidamente se disocia de este  receptor.  Los glucocorticoides también se unen con gran afinidad al receptor mineralocorticoide (MR), el cual tiene  una distribución más tejido-específica que el GR  y  exhibe una activación permisiva o de larga duración  durante el pico de secreción circadiana de glucocorticoides. Hay evidencia de la participación del MR en la función del tejido adiposo, los glucocorticoides a través de  este receptor  modulan la adipogénesis.

La regulación circadiana  de glucocorticoides no es controlada solamente por el eje HHA, otros factores también influyen. El NSQ, además de su influencia en el eje HHA,  también ejerce sus efectos sobre las glándulas suprarrenales a través del sistema nervioso autónomo. Por otra parte, la glándula suprarrenal  posee su propio reloj circadiano.  En el eje HHA, existen ritmos circadianos de la concentración circulante de ACTH y  de la expresión de CRH en el NPV, pero estos ritmos  no sincronizan bien con la regulación rítmica de la concentración de glucocorticoides.  Más aún, los ritmos de glucocorticoides persisten  en ausencia de los ritmos de ACTH o CRH. El NSQ  ejerce control autonómico sobre  los ritmos de glucocorticoides  a través de las neuronas  del NPV que se proyectan  a las neuronas preganglionares simpáticas de la medula espinal y la inervación esplácnica  de la glándula suprarrenal. La importancia de la influencia autonómica  sobre los ritmos de los glucocorticoides ha sido demostrada en ratas hipofisectomizadas y en ratas con transección del nervio esplácnico. La expresión rítmica de los genes reloj ha sido demostrada en la corteza adrenal de roedores y primates.  Aproximadamente 10% de los transcriptomas adrenales murinos exhiben variación circadiana, incluyendo genes involucrados en el transporte del colesterol, la esteroidogénesis y la señal ACTH. El reloj adrenal tiene un importante rol en  la regulación de la sensibilidad  adrenal a la ACTH.

El eje HHA, a través de los glucocorticoides, ejerce influencia sobre muchos procesos biológicos y se ha propuesto que los glucocorticoides  tienen un rol importante en la sincronización  de los ritmos circadianos periféricos. Los glucocorticoides influyen en la expresión de genes  a través de los receptores GR. Los GR citoplasmáticos, cuando son activados  sufren un cambio conformacional y, después de su dimerización, son translocados al núcleo en donde activan la transcripción de genes mediante la unión a los elementos de respuesta de glucocorticoides (GRE).  Estos GRE regulan la expresión de varios  genes incluyendo algunos genes reloj como Per1, Per2, Npas2 y Rev-erbβ. Por otra parte, estudios in vitro indican que CLOCK/BMAL1 es capaz de interactuar físicamente  con el GR e inhibir la unión a los sitios GRE para suprimir la expresión de genes estimulada por glucocorticoides.

La asincronía entre el reloj central del NSQ y los osciladores periféricos puede ocurrir por un inapropiado horario de ingesta de alimentos.  El horario  de la ingesta de alimentos puede ser influenciado por   factores ambientales o sociales como el horario de trabajo o viajes que atraviesan varios husos horarios. Hay evidencia que la disrupción de los ritmos diurnos de alimentación puede ser inducida por dietas ricas en grasas. Esta alteración de la dieta  es acompañada con alteraciones en los ritmos de la expresión de los genes reloj en hígado y tejido adiposo así como  también alteraciones de los ritmos de varios factores metabólicos circulantes incluyendo glucocorticoides y leptina.   Estos hallazgos indican que el horario de ingesta de alimentos  es importante para el mantenimiento de la sincronía entre el reloj central y los osciladores periféricos.  Por otra parte, estudios recientes reportan una correlación entre la distribución de la grasa abdominal, el elevado contenido de lípidos en la dieta (particularmente ácidos grasos saturados) y disturbios del eje HHA. En roedores, las alteraciones genéticas en el reloj circadiano provocan  disrupción del ritmo de alimentación y alto riesgo  de enfermedades  metabólicas. Por ejemplo, los ratones con mutaciones en el gen Clock exhiben pérdida de la expresión rítmica de varios genes importantes para la regulación  del apetito en el hipotálamo.

Cuantitativamente, la mayor parte del tejido adiposo blanco (TAB) es de origen subcutáneo o visceral en los humanos.  Mientras el tejido adiposo  subcutáneo funciona  principalmente como depósito de energía, el tejido adiposo visceral tiene gran actividad endocrina.  Los adipocitos blancos acumulan energía en la forma de triglicéridos, los cuales son absorbidos directamente de la circulación o generados por lipogénesis de novo.  A través de la lipólisis, los adipocitos blancos degradan los triglicéridos y liberan el glicerol y los ácidos grasos resultantes a la circulación  para apoyar a otros órganos  durante una  situación  de demanda energética  o  de estrés agudo. Muchos genes que codifican enzimas claves de la lipogénesis y la lipólisis son blancos directos  del reloj circadiano. El sistema de tiempo circadiano regula la tasa de almacenamiento y movilización  de lípidos en el curso del día para asegurar un aporte óptimo de energía. La acción del tejido adiposo es dictada por las fases de actividad y reposo del ciclo diario. En los humanos, esto significa que la lipogénesis y el almacenamiento de lípidos ocurren durante el día cuando la ingesta de alimentos cubre la demanda de energía y, recíprocamente, la liberación de glicerol y ácidos grasos libres ocurre predominantemente en la noche.

Las adipoquinas,  hormonas producidas y secretadas por los adipocitos adultos, regulan diversos procesos biológicos y subyacen al rol clave del tejido adiposo en la regulación de la homeostasis de energía. Estas hormonas están involucradas en aspectos importantes del control del metabolismo de lípidos, y la disposición de glucosa. La secreción de varias adipoquinas, particularmente leptina y adiponectina, está bajo control circadiano.  La ritmicidad de la  secreción de adipoquinas se debe a osciladores circadianos intrínsecos, un control combinado  a través del marcapaso “master” en el NSQ y de control local a nivel de los relojes de los adipocitos. Gran parte de la actividad metabólica del tejido adiposo depende de las interacciones entre leptina, adiponectina e insulina. La leptina puede actuar directamente en el hipotálamo para incrementar el recambio de energía  e inhibir el apetito. Independientemente de la diurnalidad o nocturnalidad  de la especie, los picos de la concentración de leptina se presentan durante la noche. En los humanos esto tiene lugar durante la fase de reposo normal, cuando el hambre es suprimida y el recambio metabólico en el tejido adiposo sostiene la demanda energética. La adiponectina es importante para la modulación de la captación celular de glucosa y la sensibilidad del adipocito a la insulina. Mientras en los sujetos delgados, los niveles circulantes de adiponectina y leptina oscilan inversamente, en los sujetos obesos, la concentración de adiponectina disminuye y la de leptina aumenta. Por otra parte, la expresión de GR en el TAB también oscila con un ritmo diurno. En condiciones de no estrés, la expresión del ARNm de GR en el BAT de la rata alcanza un pico en la transición entre el período de luz/inactividad y el período de oscuridad/actividad.

El reloj intrínseco del adipocito es sincronizado por el NSQ vía neuronal y rutas  endocrinas. Estas rutas del NSQ interactúan con la del eje HHA y las disrupciones del eje HHA están asociadas con obesidad. En humanos, la obesidad se correlaciona con un incremento en la producción y degradación de glucocorticoides que resulta en una mayor tasa de recambio de cortisol. Por otro lado, el estrés crónico se correlaciona con una disrupción de la ritmicidad de la función del tejido adiposo, lo cual puede incrementar la propensión a  ganancia de peso y adiposidad promoviendo el desarrollo de trastornos metabólicos. Por el contrario, la respuesta al estrés está aumentada en los diferentes estados metabólicos, particularmente en condiciones de obesidad. Los glucocorticoides aumentan la secreción de leptina por los adipocitos en humanos y roedores. En este contexto, se postula que el efecto estimulador central  de los glucocorticoides sobre la ingesta de alimentos podría ser contrarregulado por los niveles elevados de leptina y que las acciones centrales de la leptina podrían ser inhibidas bajo influencia de los glucocorticoides. Es de hacer notar, sin embargo, que el impacto de los glucocorticoides sobre las diferentes clases de tejido adiposo varía enormemente.

Estudios recientes sugieren un asa de retroalimentación adipo-adrenal con la leptina en el brazo supresor y el eje HHA, específicamente los glucocorticoides, en el brazo positivo. El mecanismo de acción para la supresión de la concentración de glucocorticoides por la leptina podría estar localizado en el hipotálamo, pues la secreción de CRH por las neuronas hipotalámicas  es inhibida por la leptina. La leptina también es capaz  de actuar directamente  con receptores funcionales presentes en la corteza adrenal y, en menor extensión, en la médula adrenal.  Estos hallazgos sugieren un rol regulador  de la leptina sobre el eje HHA  a través de la modulación del ritmo de glucocorticoides. Esto es de mucho interés  en el contexto de las enfermedades metabólicas, pues las alteraciones de los perfiles de leptina (resistencia a la leptina, insuficiente producción o señalización  de leptina) acompañadas con obesidad  pueden interactuar con el eje HHA para contribuir a los desordenes metabólicos. También se han descrito interacciones entre el eje HHA y la adiponectina. Los glucocorticoides y la ACTH suprimen la secreción de adiponectina por el TAB en humanos y roedores. Sin embargo, los efectos de la adiponectina sobre la secreción de glucocorticoides son contradictorios. Por otra parte, varias citoquinas inflamatorias (IL-6, TNF-α y quemerina) producidas y secretadas por el tejido adiposo  fluctúan rítmicamente durante el día y alcanzan un pico durante la fase de reposo. Los glucocorticoides, en línea con su función inmunosupresora, contrarrestan esta liberación de citoquinas.

En conclusión, los ritmos circadianos son gobernados por una red endógena de relojes celulares y sirven  como adaptación  a los cambios diarios en el ambiente del organismo. Los relojes circadianos han sido descritos  en varios tejidos del eje HHA y en el tejido adiposo en donde regulan la liberación rítmica y estimulada de hormonas del estrés y adipoquinas.  A través de la liberación de factores endocrinos (glucocorticoides y adipoquinas), los sistemas HHA y adiposo  se comunican uno con otro y regulan la respuesta al estrés y el metabolismo energético. En el estrés agudo, la acción de los glucocorticoides a nivel del hipotálamo inicia el retorno a las condiciones homeostáticas  y al mismo tiempo moviliza energía de los depósitos del cuerpo. Sin embargo, ciclos sueño/vigilia irregulares, el jetlag  o los cambios de horario laboral pueden llevar a una disrupción constante de procesos circadianos  semejante a los efectos  de la exposición al estrés crónico. La activación persistente del eje HHA resulta en elevación de la glucemia, hiperinsulinemia y resistencia a la leptina.

Fuente: Kolbe I et al (2015). Circadian clocks and the interaction between stress axis and adipose function. International Journal of Endocrinology Article  ID 693204.

Señal neural del estradiol en el hipotálamo

El 17β-estradiol (E2) modula la excitabilidad neuronal hipotalámica que regula la reproducción, el balance energético, la temperatura, los ritmos circadianos y el estrés. El E2 también está involucrado en la plasticidad neuronal sináptica en  hipocampo, cuerpo estriado y cerebelo. En las hembras, la señal E2 en el hipotálamo es la base de la retroalimentación positiva -y negativa- en el eje hipotálamo-hipófisis-ovario.  El estatus endocrino de las gónadas es comunicado al cerebro por el E2 circulante que activa los circuitos hipotalámicos que regulan la ovulación.  El E2 inhibe –y estimula- la liberación de GnRH,  LH y FSH y también estimula la conducta sexual. El E2 se une -y activa- a los receptores clásicos ERα y ERβ, y a receptores metabotrópicos  acoplados a proteína G.  Los ER clásicos fueron definidos por su capacidad para unirse a estrógenos y desencadenar una respuesta específica. Ellos  son  receptores citoplasmáticos que experimentan un cambio conformacional cuando se unen al E2 y son translocados al núcleo donde interactúan con el ADN para regular la expresión de genes.  Aunque son codificados por genes diferentes, los ER clásicos tiene similar estructura modular  para la unión al E2 y  una secuencia homóloga, especialmente  en los dominios de unión al ligando y al ADN.  ERα y ERβ también interactúan con otros factores de transcripción como Fos y Jun, los cuales se unen al ADN en el sitio proteína activador-1 (AP-1) para regular transcripción independiente de los elementos de respuesta de estrógenos (ERE). El E2 también está implicado en acciones no genómicas, rápidas, en  numerosas células neuronales y no neuronales. En este contexto, los  ER también han sido localizados en la membrana plasmática y la señal de membrana del E2 se ha visto que  incrementa rápidamente los niveles de AMPc  y la liberación de neuropéptidos.  Por otra parte, se han identificado  ER de membrana (mER) que no derivan de los transcriptos ERα y ERβ, incluyendo receptores acoplados a proteína G (GPR30/GPER1). La cascada de señalización no genómica se inicia en la membrana y resulta en un efecto rápido sobre la actividad de canales iónicos, o en la regulación  de la transcripción de genes  similar a la señal membrana-núcleo  descrita para muchos neurotransmisores.

En el hipotálamo, el ERα es ampliamente expresado  en regiones como el área preóptica (POA), el núcleo paraventricular (PVN), la parte ventrolateral del núcleo ventromedial y el núcleo arcuato. El ERα también ha sido identificado el núcleo del lecho de la estría terminal y la amígdala. El ERβ es más ampliamente expresado en el núcleo del lecho de la estría terminal, el POA, el PVN y los núcleos supraópticos. ERα y ERβ también se encuentran en otras regiones cerebrales como corteza cerebral, hipocampo, cerebro medio y cuerpo estriado. En las neuronas hipotalámicas, el ERα se co-localiza con GABA, neurotensina, somatostatina, galanina, dopamina, noradrenalina, neuropéptido Y (NPY), proopiomelanocortina (POMC) y kisspeptina (kiss1). EL ERβ es expresado en poblaciones de neuronas que contienen GnRH, vasopresina, oxitocina y nociceptina/orfanina FQ, así como también en neuronas serotoninérgicas del cerebro medio. ERα y ERβ se co-localizan en neuronas que expresan hormona liberadora de corticotropina (CRH) e IGF-I.

La señal nuclear iniciada por el E2 vía ERα y ERβ en los tejidos ejerce diversos efectos  que involucran la estimulación o la represión de genes. En general, la ruta de señalización clásica del E2 involucra la formación de homo -o  hetero- dímeros de ER en el núcleo y la posterior unión de este complejo con una secuencia única de ADN conocida como elementos de respuesta del E2 (ERE) en los promotores de genes. Sin embargo, muchos genes que responden al E2 en el cerebro no contienen secuencias ERE.  Hay evidencia que ERα y ERβ pueden regular la transcripción de algunos genes interactuando con otros factores de transcripción unidos al ADN más que uniéndose  directamente al ADN. Adicionalmente, el ARNm kiss1 es regulado diferencialmente por el E2 en el área preópticaanteroventralperiventricular (AVPV) y en el núcleo arcuato. Aunque la regulación positiva del E2 de la expresión del ARNm  de kiss1 en el AVPV es dependiente  de un sitio de unión a ERE,  en el núcleo arcuato, la regulación  negativa de la expresión de ARNm de kiss1 ocurre a través de  un  mecanismo independiente de ERE. Por lo tanto, hay múltiples mecanismos para la regulación diferencial de la expresión de genes a través de la señal nuclear de E2.

Los estudios electrofisiológicos han demostrado que el E2  tiene acciones  agudas, rápidas,  cuya ruta señalización se inicia en la membrana  celular en muchas estructuras del sistema nervioso central, incluyendo al hipotálamo. Actualmente, es conocido que  ERα y ERβ pueden asociarse con  complejos de señalización  en la membrana plasmática y muchos de los efectos rápidos  del E2 pueden ser inducidos  por ligandos selectivos de esos receptores. Por otra parte, es también evidente  que el E2 puede activar receptores acoplados a proteína G como el GPR30. Con respecto a la función hipotalámica, varios estudios han demostrado que el GPR30 está involucrado en las acciones rápidas  del E2  en las neuronas GnRH de monos y ratones.  Por lo tanto, el puede alterar rápidamente la excitabilidad neuronal a través de ERα, ERβ y/o receptores acoplados a proteína G.

La inhibición relativamente rápida  (15 minutos aproximadamente) de la secreción de GnRH y LH por la administración sistémica  de E2 en  hembras ovariectomizadas es compatible con un mecanismo de señalización que se inicia en la membrana plasmática.  En efecto, se ha encontrado que las neuronas GnRHde cobayoson hiperpolarizadas rápidamente por el E2 a través de la activación una conductancia rectificante de K⁺.  Esto podría implicar  que la señal iniciada en la membrana por el E2 esta involucrada en la regulación por retroalimentación negativa de las neuronas GnRH.  En las neuronas GnRH de ratón, el E2 actúa  postsinápticamente vía ERβ, o presinápticamente vía ERα, para alterar rápidamente la excitabilidad de las neuronas GnRH,  Postsinápticamente, concentraciones fisiológicas altas (picomolar o nanomolar) de E2 aumentan la tasa de potenciales de acción. Adicionalmente, el E2 potencia rápidamente  corrientes de Ca²⁺ activadas por voltaje (canales de Ca²⁺ tipo L y R) vía ERβ y GPR30, lo que sugiere que la señal de Ca²⁺  es también un blanco para las acciones del E2 en las neuronas GnRH. Por el contrario,  concentraciones fisiológicas bajas (10pM) de E2 reducen la tasa de potenciales de acción en las neuronas GnRH  a través de la atenuación de la corriente excitadora GABAergica. Estos hallazgos indican que las acciones rápidas  del E2 sobre las neuronas GnRH involucran varios receptores asociadas a la membrana plasmática que juegan un rol crítico en la excitabilidad de las neuronas GnRH. 

La receptividad sexual femenina  en las ratas es controlada por el E2 a través de un circuito hipotalámico que comprende al núcleo preóptico medial (MPN), al núcleo arcuato y al núcleo ventromedial. Una de las rutas más prominentes involucra la activación de ERα, el cual a su vez activa receptores metabotrópicos  tipo 1a de glutamato (mGluR1a) en el núcleo arcuato. Los mGluR1a a través de una cascada de señalización mediada por Gαq   excitan neuronas NPY/péptido relacionado con el agouti (AgRP), las cuales  indirectamente  excitan neuronas POMC. Las proyecciones de las neuronas POMC hacia el MPN liberan β-endorfina que activa los receptores μ de opiodes, los cuales son internalizados en las neuronas del MPN. Esta activación/internalización transitoria de los receptores μ parece ser necesaria para la expresión completa de la receptividad sexual.

Las neuronas POMC y NPY/AgRP residen en el núcleo arcuato del hipotálamo y forman parte  de un circuito para la regulación  de la homeostasis energética.  La estimulación de las neuronas NPY/AgRP incrementa la ingesta de alimentos, las neuronas POMC tienen acciones exactamente opuestas en la homeostasis energética. Las dos poblaciones de neuronas  regulan la ingesta de alimentos cuando son activadas por los niveles circulantes de hormonas metabólicas  y alteran la frecuencia de disparo y la liberación de péptidos y/o neurotransmisores  en neuronas del núcleo paraventricular  y de otros núcleos del hipotálamo.  Las neuronas POMC y NPY/AgRP son sensibles a los estrógenos circulantes. La señal E2 vía ERα es un componente crítico en la regulación de la homeostasis energética. En roedores, el estado hipoestrogénico está asociado con incremento del peso corporal. Las neuronas POMC son los principales blancos  para la acción anoréxicas  de los estrógenos vía ERα. Estas neuronas también están involucradas en el mecanismo de  recompensa de la ingesta de alimentos. No sólo  los estrógenos ováricos, sino también el E2 producido localmente pueden activar  la cascada de señalización que proporciona excitación  a las neuronas POMC e inhibición a las neuronas NPY/AgRP. En este contexto, se ha demostrado que la  señal ERα a través de la PI3K  desensibiliza  la respuesta mediada por receptores GABA_B en las neuronas orexigénicas NPY/AgRP.  En humanos, monos y cobayos, la ingesta de alimentos es  deprimida durante la fase preovulatoria del ciclo menstrual, lo que sugiere un rol sustancial  del E2 ovárico  en el control hipotalámico  de la homeostasis energética.

Otra función homeostática  controlada por el hipotálamo y modulada por los estrógenos circulantes  es el mantenimiento de la temperatura corporal (Tc). Aproximadamente 80%  de mujeres perimenopáusicas/postmenopáusicas  experimentan oleadas de calor que se caracterizan por periodos  de sudoración y vasodilatación periférica. Una oleada de calor puede ser considerada como una exagerada respuesta de disipación  de calor iniciada por las neuronas preópticas sensibles a la temperatura.  Aunque los mecanismos que generan esta respuesta no son bien entendidos, varios estudios han encontrado que la mayoría de oleadas de calor son  precedidas por  elevaciones  de Tc independientes de vasoconstricción periférica  o elevada tasa metabólica. En este contexto se ha postulado que la elevada TC  puede servir como disparador  de las oleadas de calor en la menopausia. Hay evidencia  de una reducción en la incidencia de oleadas de calor  en mujeres hipoestrogénicas  que reciben  tratamiento con E2.  Los mecanismos celulares específicos que subyacen esta acción de  los estrógenos son desconocidos.  Un potencial mecanismo es la acción directa  del E2 sobre  las neuronas termosensibles (GABAergicas) en el POA medial del hipotálamo. Estas neuronas GABAergicas son responsables de las respuestas vasomotoras (vasodilatación, sudoración)  que subyacen la disipación de calor en roedores. El E2 atenúa la actividad inhibitoria mediada por receptores GABA_B y por consiguiente incrementa la excitabilidad neuronal.

Aunque el E2 tiene efectos directos sobre las células  involucradas en el remodelado óseo, también puede reducir  la pérdida ósea a través de núcleos pre-autonómicos del hipotálamo. Es conocido que las neuronas del PVN manejan la actividad simpática y están involucradas en el remodelado óseo a través de  un mecanismo dependiente de receptor β2-adrenérgico. Las neuronas del PVN reciben impulsos inhibitorios de las neuronas POMC y el E2 puede afectar su excitabilidad  incrementando los impulsos POMC.  Por lo tanto, la disminución de la actividad del PVN reduce la actividad del sistema nervioso simpático que controla el remodelado óseo.

En conclusión, muchas de las acciones del E2 en el sistema nervioso central son mediadas vía receptores intracelulares/factores de transcripción que interactúan con elementos de respuesta en los genes. Sin embargo, el E2 también puede actuar como un neurotransmisor metabotrópico  y alterar la excitabilidad neuronal y funciones vitales  controladas por el hipotálamo. La señal iniciada por el E2 en la membrana plasmática puede disparar  cascadas de señalización  intracelular (MAPK, PI3K y PKC) que resultan en la fosforilación  de proteínas que afectan la excitabilidad  celular y la transcripción de genes. Por ejemplo, el E2 a través de la actividad adenilciclasa incrementa los niveles de AMPc en las neuronas POMC, el AMPc activa a la PKA, la cual  a su vez fosforila  canales de K⁺ y/o canales de Ca²⁺ para alterar su actividad. La PKA también puede  fosforilar proteínas unidas a los elementos de respuesta del AMPc para disparar la transcripción de genes. El E2 también puede actuar sobre las neuronas hipotalámicas de una manera célula-especifica para generar respuestas fisiológicas apropiadas a través de la combinación  de cambios rápidos en la excitabilidad de la membrana con  alteraciones más lentas en la expresión de genes.

Fuente:Kelly MJ y Ronnekleiv OK (2015). Neural signaling of estradiol in the hypothalamus. Molecular Endocrinology29: 645-657.