Regulación de la fisiología neuroendocrina por la melatonina

En 1958,  Lerner y Col. identificaron en la glándula pineal  de bovino una molécula conocida por causar el blanqueamiento  de la piel de anfibios. Este trabajo permitió aislar un factor, llamado melatonina, que causa potente agregación  de gránulos de melanina en  los melanocitos  de la rana. Poco tiempo después, la estructura química de la melatonina fue revelada como N-acetil-5-metoxytriptamina. Desde su descubrimiento, la melatonina ha sido una molécula clave  en el campo de la cronobiología.  La melatonina proporciona  una señal endocrina del tiempo circadiano y de la duración del día en muchas especies y es sintetizada en múltiples tejidos, pero la glándula pineal es el principal contribuyente de la concentración circulante de melatonina.

Las concentraciones de melatonina en la sangre exhiben un pronunciado ritmo circadiano, con niveles elevados durante la noche biológica en todas las especies. El disparador primario de la ritmicidad de la melatonina es el sistema circadiano endógeno.  En la mayoría de  especies de mamíferos, el ritmo circadiano de la síntesis de melatonina en la glándula pineal se debe a una ruta poli-sináptica que relaciona a la glándula pineal con el núcleo supraquiasmático  (NSQ) del hipotálamo, el cual es conocido como el reloj circadiano master  en los mamíferos.  Del NSQ sale una ruta neural que pasa por el núcleo paraventricular para  dirigirse primero a la columna celular intermedio lateral de la médula espinal en la región torácica superior y luego a las neuronas del ganglio cervical superior, el cual inerva la glándula pineal.  Esta serie de conexiones neurales  a menudo es referida como  sistema fotoneuroendocrino porque   incluye retina, NSQ y glándula pineal. 

El ritmo diario de concentración de melatonina es el resultado de una compleja interacción  de factores endógenos y exógenos. La inervación simpática  de la glándula pineal activa la arilalquilamina-N-acetiltransferasa (AA-NAT), una enzima clave en la síntesis de melatonina. La noradrenalina liberada por las neuronas simpáticas estimula, a través de receptores adrenérgicos α₁ y β₁,  la producción de AMPc y la actividad AA-NAT en los pinealocitos. La síntesis de melatonina también involucra  importantes mecanismos post-translacionales  como la estabilización  de la  AA-NAT por interacción con las proteínas 14-3-3.  En comparación con roedores, la fisiología de la glándula pineal de primates utiliza principalmente  mecanismos post-translacionales y exhibe muy pocos cambios diarios en el ARNm  de Aa-nat y otros genes característicamente rítmicos en la pineal de roedores. Más aún, la estimulación de pinealocitos de bovino con noradrenalina induce la actividad AA-NAT sin ningún cambio en la expresión del ARN de Aa-nat. La variación diaria en la síntesis de melatonina, además del ritmo del NSQ, también es regulada por el ciclo luz-oscuridad ambiental. La luz es un poderoso sincronizador del ritmo del NSQ y la exposición a la luz durante la noche inhibe la síntesis y secreción de melatonina en humanos y modelos animales.

El tiempo del ritmo endógeno de melatonina es considerado el marcador más confiable del tiempo del reloj del NSQ y es usado rutinariamente  para evaluar la fase circadiana en humanos. La melatonina puede ser medida directamente en muestras de plasma y saliva, o indirectamente  a través de su metabolito urinario  6-sulfatoximelatonina (aMT6s). En comparación  con la temperatura corporal y el ritmo del cortisol, la melatonina es menos afectada por la actividad, el sueño, las comidas y el estrés. El tiempo del ritmo circadiano  puede ser medido  estimando el tiempo  de inicio, pico o cierre   del ritmo de melatonina. El tiempo de inicio de melatonina en condiciones de luz tenue (DLMO) frecuentemente es usado como marcador de fase circadiana.  Sin embargo, es preferible medir el perfil completo de la melatonina para capturar  tanto el tiempo como la amplitud del ritmo. El tiempo de los ritmos de melatonina y aMT6s proporcionan importante información de la fase circadiana en estudios  de asincronía circadiana  y son usados para optimizar el tiempo de luz y  de  melatonina  en el tratamiento de desordenes del ciclo sueño-vigilia.

La señal 24 horas de melatonina no sólo representa al tiempo circadiano endógeno sino que también  codifica información estacional. Específicamente, la duración de la concentración  elevada de melatonina es proporcional  a la duración de la noche y depende  del fotoperiodo prevaleciente. Esta regulación fotoperiódica  de la duración de la señal melatonina  es una consecuencia de la adaptación de la fisiología del NSQ. La duración del día es codificada en múltiples ritmos del NSQ, incluyendo la expresión de genes, la actividad eléctrica y la sensibilidad a los estímulos. La capacidad de la melatonina para proporcionar una representación endocrina del fotoperiodo es un componente esencial de la biología estacional de muchas especies. La remoción  de la glándula pineal bloquea la capacidad  del fotoperíodo  de regular la fisiología estacional  de los mamíferos. Sin embargo, es motivo de debate en la literatura cuáles elementos de la señal melatonina  transmiten la información fotoperiódica. En este contexto, los estudios iniciales en hamsters  revelaron la capacidad de las inyecciones de  melatonina para inducir la fisiología de fotoperiodos cortos, pero solamente cuando eran administradas  en ciertos momentos del día.  Las posibles explicaciones de estos resultados  incluyen la sensibilidad rítmica  a la melatonina  y la extensión de la duración de la señal melatonina endógena. Por otra parte, los estudios con animales pinealectomizados revelaron  que la duración es la característica clave del ritmo melatonina  que regula los cambios fotoperiódicos.  El contraste entre las señales de corta duración  en el verano y las de larga duración en el invierno es necesario y suficiente  para manejar los ritmos estacionales en diversos procesos  como la reproducción, el metabolismo y la función inmune.  

La melatonina endógena  actúa a través de la activación  de receptores  de membrana acoplados a proteína G, de alta afinidad,  que inhiben la adenilato ciclasa y por consiguiente la producción de AMPc. . En los mamíferos, se han identificado  dos receptores de melatonina, Mel1a (MT1) y Mel1b (MT2) y un receptor adicional, Mel1c, en los pájaros.  En humanos, el receptor MT2 (362 aminoácidos)  tiene 60% de homología con el receptor MT1 (350 aminoácidos) y es expresado preferencialmente en la retina y regiones cerebrales como el hipocampo.  En los tejidos neuroendocrinos hay una alta densidad de receptores de melatonina, incluyendo al NSQ, la pars tuberalis (PT)  de la hipófisis y las células gonadotropas de la hipófisis. Los receptores de melatonina también han sido detectados en las glándulas suprarrenales  (MT1), corazón y arterias (MT1, MT2), pulmón (MT1, MT2), hígado (MT1, MT2), riñón (MT1), intestino delgado (MT2), piel (MT1, MT2), y linfocitos T y B (MT1).

El receptor MT1  es abundantemente expresado en el NSQ, uno de los principales sitios de acción de la melatonina.  Estudios con ratones que carecen de MT1 revelaron que este receptor es necesario para la acción inhibitoria de la melatonina sobre la tasa de disparo  de las neuronas del NSQ. Sin embargo, los cambios de fase inducidos por melatonina fueron evidentes en estos ratones con deficiencia  de MT1. Estudios farmacológicos posteriores  demostraron el bloqueo con antagonistas MT2  de los cambios de fase inducidos por la melatonina, lo que sugiere un rol de los receptores MT2 en los cambios de fase.   Otro tejido blanco de la melatonina  que ha recibido mucha atención es la hipófisis. En los mamíferos adultos, el sitio dominante de la acción de la melatonina sobre la hipófisis es la PT, una delgada capa de la hipófisis anterior  que rodea al tallo hipofisiario y se extiende rostralmente a lo largo de la superficie ventral de la eminencia media.  Los estudios de co-localización  han revelado la expresión  de receptores MT1 en las células TSH positivas de la PT, conocidas como células tirotropas específicas de la PT.

En los mamíferos adultos, la duración de la señal melatonina, vía PT, maneja el control fotoperiódico  sobre múltiples aspectos de la fisiología neuroendocrina, incluyendo los ejes lactotrófico y reproductivo. En muchas especies con reproducción estacional, el eje lactotrófico exhibe ciclos anuales con incrementos de la secreción de prolactina durante los meses de primavera y verano. La evidencia in vivo de un mecanismo intra-hipofisiario  de regulación del ritmo fotoperiódico de prolactina deriva del modelo hipotálamo-hipófisis discontinuado (HHD) de carnero. El carnero HHD carece de conexiones neuronales  entre el hipotálamo y la hipófisis, pero conserva intactos  los vasos hipofisiarios. A pesar de la carencia de conexión  neuronal, los fotoperíodos alternos verano e invierno son capaces de manejar  apropiadamente  los ciclos anuales  de la concentración plasmática de prolactina.  Dado que las células lactotropas de la hipófisis carecen de receptores de melatonina, la regulación de la secreción de prolactina por la melatonina ocurre a través de un mecanismo indirecto. En este contexto, se postula que la señal fotoperiódica  de melatonina  regula la liberación de un secretagogo de prolactina, llamado tuberalina, en la PT. La evidencia reciente indica que la secreción de tuberalina depende del fotoperíodo y de mecanismos estacionales endógenos.  La PT también ha sido implicada en los ritmos reproductivos estacionales  regulados por la melatonina.  Sobre la base de los resultados  del modelo HHD en carnero y los estudios de lesiones  en hamsters se ha propuesto una hipótesis en la cual la melatonina  actúa en el hipotálamo para regular la reproducción estacional.  Sin embargo, hay algunos datos conflictivos es esta hipótesis, pues algunas especies  no tienen receptores de melatonina detectables en el hipotálamo. Una investigación más reciente sobre la fisiología estacional en pájaros  revela que el fotoperíodo regula la expresión de enzimas desyodasas (DIO) en el hipotálamo para manejar  la variación estacional en la concentración local de tri-yodotironina  (T₃), la forma más activa de hormona tiroidea. Este modelo ha sido extendido a los mamíferos, en quienes se ha demostrado que la hormona tiroidea está involucrada en los ritmos estacionales. La acción de la melatonina en las células tirotropas específicas de la PT consistiría en regular la liberación de TSH, la cual funcionaría vía retrograda para regular la expresión de DIO en los tanicitos del hipotálamo  a nivel del tercer ventrículo.  La expresión aumentada de DIO2 y/o la reducida expresión de DIO3 en los fotoperíodos de larga duración de primavera y verano incrementan la conversión  de tiroxina en T₃.

A pesar de los avances recientes en la determinación  de los mecanismos endocrinos a través de los cuales la melatonina  maneja la fisiología estacional, aún no están muy claros los mecanismos de señalización celular usados para interpretar la duración de la señal melatonina. La evidencia acumulada sugiere que la duración de la señal melatonina es capaz de alterar la sensibilización  de rutas de transducción de señal intracelulares y también de determinar la coincidencia temporal de la expresión rítmica de genes. La identificación  de la expresión de genes reloj en la PT ha dado lugar  a la propuesta de mecanismos circadianos en la PT involucrados en la descodificación de la señal melatonina. Los estudios iniciales se  concentraron  en el gen Período 1 (Per1), el cual sensibiliza la señalización dependiente de AMPc,  y revelaron un incremento transitorio de la expresión del gen en la mañana, inmediatamente  después de la disminución  de melatonina. Estudios posteriores revelaron la expresión rítmica de ARNm para múltiples genes reloj en la PT de ovinos.  Los ARNm  de Criptocromo 1 (Cry1) y Per1  se expresaron inmediatamente después del inicio y el final de la señal diaria de melatonina, respectivamente. Como la formación de las proteínas PER y CRY  es una etapa funcional importante en la represión transcripcional circadiana, se ha propuesto la hipótesis  que la duración de la señal melatonina puede transmitir información sobre la duración del día a través de la formación diferencial  de tales proteínas.  Trabajos recientes revelan que el inicio del ritmo de melatonina estimula un rango de genes y factores de transcripción, por lo tanto el modelo molecular tendría que  incluir la regulación aguda  de múltiples genes y sus correspondientes proteínas.

La distribución de los receptores de melatonina es más amplia durante la embriogénesis que en la vida adulta, lo que sugiere un rol de la melatonina en el desarrollo temprano. La investigación en esta área  ha demostrado que la melatonina inhibe la secreción de gonadotropinas estimulada por GnRH en células de la hipófisis de rata neonatal. En las primeras 2-3 semanas  de vida postnatal,  la función endocrina de la hipófisis disminuye gradualmente  en paralelo con  la pérdida de sitios de unión  de melatonina.  Durante la embriogénesis de la rata, los receptores MT1  son expresados en la región PT de la hipófisis anterior y se extiende  a lo largo  de la superficie hipofisiaria ventral, una región conocida por expresar células gonadotropas. Por lo tanto, los efectos de la melatonina sobre la fisiología reproductiva en el desarrollo temprano ocurren a través de una acción directa sobre las células gonadotropas, contrario a los mecanismos que manejan la reproducción fotoperiódica en adultos.  Por otra parte, los relojes circadianos han sido ampliamente reportados en fetos y neonatos de modelos animales. Estos relojes son sincronizados (entrenados) por factores maternos durante las primeras etapas del desarrollo antes que el NSQ reciba inervación de la retina.

La capacidad de la melatonina exógena de producir cambios de fase en los ritmos circadianos humanos fue descrita en los años 80.  La administración vía oral de 5-10 mg de melatonina  antes de la elevación natural  de la melatonina endógena provoca avance de fase en el sueño, la temperatura corporal y los ritmos de melatonina y prolactina. Por el contrario, la melatonina administrada temprano en la mañana biológica (después del nadir  de la temperatura corporal)  produce retardo de fase  en el tiempo circadiano. Esta capacidad de la melatonina para avanzar o retardar el tiempo circadiano depende del tiempo biológico  de  su administración.  Los estudios sugieren que estos efectos agudos son más pronunciados  si la melatonina  es administrada  durante el día cuando la producción  endógena de melatonina  es baja/indetectable. La melatonina administrada apropiadamente  alivia los síntomas  del jet lag  y de los trabajos  en turnos nocturnos. La melatonina es también  el tratamiento   más efectivo para los desordenes  del ciclo sueño-vigilia  en las personas ciegas sin percepción consciente  de la luz.

En conclusión,  desde que se demostró que la síntesis de melatonina en la glándula pineal refleja el tiempo diario y estacional, la melatonina  es un elemento clave de la investigación cronobiológica. En los mamíferos, la melatonina es esencial para la transducción  de la información de la duración del día en respuestas fisiológicas estacionales. Adicionalmente, la melatonina debido a su naturaleza lipofílica es capaz de cruzar la placenta  y regular múltiples aspectos  de la fisiología perinatal. El ritmo diario de la melatonina endógena  juega un rol  en el mantenimiento  de la sincronía entre los relojes circadianos   en todo el cuerpo. Las dosis farmacológicas de melatonina administradas  en el momento apropiado del día  son efectivas para “resetear” los ritmos circadianos y regular agudamente factores como la temperatura corporal y el estado de alerta, especialmente cuando es administrada durante el día.    

Fuente: Johnston JD y Skene DJ (2015). Regulation of mammalian neuroendocrine physiology and rhytms by melatonin. Journal of Endocrinology 226: 1187-1198.