Proteínas G en acciones de  PTH

La hormona paratiroidea (PTH) es un péptido de 84 aminoácidos secretado por las células principales  de las glándulas paratiroides. La PTH es sintetizada como una pre-prohormona de 115 aminoácidos. La pre-secuencia (25 aminoácidos), la cual sirve como péptido señal  necesario para el manejo del péptido a través de la membrana del retículo endoplásmico, y la pro-secuencia (6 aminoácidos), la cual se piensa que es necesaria para el transporte eficiente  y el plegamiento apropiado, son removidas antes de la secreción de la secuencia de 84 aminoácidos u hormona madura. La secreción de PTH es regulada a través de la acciones  de varios factores, incluyendo al calcio sanguíneo ionizado (Ca²⁺) que actúa directamente a través de su propio receptor acoplado a proteína G. Otros reguladores de  la síntesis/secreción de PTH son la 1,25-dihidrovitamina D, los niveles plasmáticos de fosfato y la hormona fosfatúrica factor de crecimiento fibroblástico-23 (FGF23).

Las acciones de la PTH  son críticas para el mantenimiento de los niveles plasmáticos de  calcio y fosfato y contribuyen directamente al recambio y remodelación óseos. Consistente con estos roles, la PTH ejerce sus acciones primariamente en hueso y riñón. Ella incrementa la formación y resorción óseas  a través de sus acciones en los osteoblastos, pero el efecto neto depende  de la naturaleza  de la exposición. La administración intermitente de PTH favorece la formación ósea y, por lo tanto, tiene un efecto anabólico sobre el hueso. Este efecto es utilizado en la clínica para el tratamiento de la osteoporosis en mujeres postmenopáusicas. Por otra parte, los niveles continuamente elevados de PTH aumentan la resorción ósea como ocurre en los pacientes con hiperparatiroidismo.  Adicionalmente, se ha demostrado que la PTH  estimula directamente  la producción  de FGF23 en osteoblastos y osteocitos.  En el riñón, las partes proximal y distal de la nefrona  son blanco de la PTH. La PTH aumenta la reabsorción de calcio en el túbulo distal, mientras estimula la síntesis de 1,25 dihidroxivitamina D (1,25(OH)₂D), metabolito activo de la vitamina D, e inhibe la reabsorción de fosfato  en el túbulo proximal. La 1,25(OH)₂D estimula la absorción de calcio en el intestino, y por lo tanto, el resultado neto de las acciones  de la PTH son una elevación en los niveles plasmáticos de calcio y una reducción  en los niveles plasmáticos de fosfato. Las alteraciones  o el exceso en las acciones  de esta hormona calciotrópica provocan varias enfermedades endocrinas. La disminución de las acciones de PTH resulta en hipocalcemia y niveles reducidos de 1,25(OH)₂D con niveles plasmáticos elevados de fosfato, mientras el exceso de las acciones de PTH causa hipercalcemia, hipofosfatemia y lesiones esqueléticas que resultan de un incremento en la resorción ósea.

La PTH ejerce su acción a través del receptor de PTH/péptido relacionado con PTH ((PTH1R), el cual pertenece  a la familia B de receptores acoplados a proteína G. El PTH1R se acopla a diferentes proteínas G, incluyendo G_s y G_q/I1. La porción amino terminal de PTH también puede unirse a –y activar- otro receptor acoplado a proteína G, llamado PTH2R.  Sin embargo, actualmente es conocido que el PTH2R es  principalmente para las acciones  del péptido tuberoinfundibular de 39 aminoácidos (TIP39). Como ocurre con otros receptores acoplados a proteína G, la activación del PTH1R por la PTH  induce un intercambio GDP-GTP en la subunidad α de la proteína G heterotrimérica. La subunidad α unida a GTP se disocia a partir  de las subunidades G_βγ  para  intervenir  en la regulación  de las actividades de efectores específicos  como las adenil cilasas, ciertas fosfolipasas, canales de potasio y calcio y tirosina quinasa src, los cuales  a su vez  generan varios segundos mensajeros intracelulares. El complejo G_βγ también regula a varias proteínas efectoras, algunas de las cuales son idénticas a aquellas reguladas por las subunidades α, como adenil ciclasas, fosfolipasa C_β y ciertos canales de potasio y calcio. La duración de la señal intracelular mediada por proteína  G es controlada a través de la actividad hidrolasa de GTP intrínseca de la subunidad α, lo cual limita la vida media  de la forma unida  a GTP. La subunidad α unida a GDP  se reasocia rápidamente  con las subunidades G_βγ y reasume  una conformación inactiva. El ciclo de activación de proteína G es clave para las acciones  de la PTH y otras hormonas, neurotransmisores y factores autocrinos/paracrinos en el cuerpo.

El tratamiento intermitente con PTH aumenta la frecuencia de activación  de las unidades multicelulares del hueso, así como también el número y la actividad de los osteoblastos. Los estudios han revelado  diferentes mecanismos  que subyacen a la acción anabólica  de la PTH, incluyendo la estimulación de la proliferación y diferenciación de osteoblastos, la inhibición de la apoptosis de osteoblastos y la activación de células quiescentes. La G_s es una proteína heterotrimérica  mediadora de las acciones  de muchos ligandos endógenos. Aunque se han descrito varios efectores de la subunidad  α de la G_s (G_αs), el más importante es la adenil ciclasa que cataliza la síntesis de AMP cíclico (AMPc). Uno de los principales blancos del AMPc intracelular  es la proteína quinasa dependiente de AMPc (PKA), la cual fosforila proteínas críticas para iniciar eventos celulares específicos.

La acción de  la PTH dependiente de PKA incrementa los niveles de expresión  de varios genes específicos de osteoblastos como Runx2,  osteocalcina y metaloproteinasa de matriz 13.  Esto depende de la activación de la familia AP1 (activator protein 1) de factores de transcripción c-fos y c-jun a través de la fosforilación  de la proteína ligadora del elemento de respuesta  de AMPc (CREB), aunque también están involucrados otros factores de transcripción. Un estudio reciente reporta que la proteína quinasa activada por mitogeno p38 (MAPK) es un importante mediador  de las acciones de la PTH dependientes de PKA. La señal PTH también se relaciona con la señal Wnt/β-catenina para promover la osteogénesis. La ruta de señalización  Wnt/catenina  es un importante promotor  de la diferenciación de osteoblastos  y la formación de hueso. La PKA puede fosforilar  e incrementar la estabilidad  de la β-catenina. La señal PTH1R en los osteoblastos resulta en la unión del receptor al complejo Wnt-coreceptor de proteína relacionada con el receptor de lipoproteina de baja densidad 6 (LRP6), fosforilación  de LRP6 y estabilización de β-catenina. Por otra parte, la señal AMPc/PKA inducida por PTH  fosforila y, por tanto, inactiva a la quinasa sintetasa  de glucógeno 3β (GSK3β), promoviendo la señal Wnt/β-catenina. Más aún,  la PTH actúa sobre los osteocitos para suprimir  la expresión de esclerostina, un inhibidor de la señal Wnt canónica. La acción de la PTH sobre la esclerostina  es primariamente  a través de la señal AMPc y es mediada por el regulador transcripcional  factor mejorador de miocito-2 (MEF2). En los osteoblastos, la PTH a través de la señal AMPc también inhibe la expresión de Dickkopf 1(Dkk1), otro inhibidor de la ruta Wnt.

La exposición a la PTH también activa la osteoclastogénesis  a través de un efecto indirecto sobre células del estroma y/o osteoblastos maduros  mediante la activación del receptor activador del factor nuclear-κB/ligando RANK (RANK/RANKL). El RANKL es expresado en la superficie de células del estroma y osteoblastos/osteocitos y se une  a su receptor RANK, el cual está presente en células del linaje monocito/macrófago. La osteoclastogénesis es estimulada por la exposición  a factor  estimulante de colonias de macrófagos (M-CSF) y RANKL con la disminución simultánea de la expresión de osteoprotegerina (OPG), un ligando señuelo  de RANKL secretado por los osteoblastos. La PTH inhibe la expresión de OPG en los osteoblastos. La estimulación de RANKL y la inhibición  de la expresión de OPG por la PTH también ocurren primariamente  a través de la ruta de señalización  G_αs/AMPc. Otra acción de la PTH  en el hueso  es estimular la producción  de FGF23, una importante hormona fosfatúrica. Estudios en modelos de roedores  han demostrado  que la PTH induce directamente  la transcripción  de FGF23 en células óseas. La evidencia actual indica que el efecto de la PTH sobre la producción de FGF23  depende de la señal  Wnt/β-catenina y ocurre a través de la activación  de la proteína 1 relacionada con receptor nuclear (Nurr1) en la ruta G_αs/AMPc. Adicionalmente, el incremento en la producción  de 1,25(OH)₂D por la PTH, indirectamente  estimula la producción de FGF23.

La PTH lleva a cabo sus efectos renales en las partes proximal y distal de la nefrona. La proteína PTH1R es expresada   en las células epiteliales  de los túbulos proximal y distal pero no en  asa delgada de Henle, túbulos colectores o glomérulos. La PTH tiene  un efecto calcémico indirecto en el túbulo proximal incrementando el nivel circulante de 1,25(OH)₂D. El metabolismo por 24-hidroxilación del 1,25(OH)₂D  es reducido por la PTH. Estas acciones de la PTH son mediadas principalmente por la señal G_αs, la cual induce la expresión del gen que codifica a la 25-hidrovitamina D 1α hidroxilasa (Cyp27b1) y desestabiliza al transcripto que codifica a la vitamina D-24-hidroxilasa (Cyp24a1). La PTH inhibe la reabsorción  de fosfato del filtrado glomerular en el túbulo proximal mediante la disminución de la abundancia de co-transportadores sodio-fosfato NPT2a y NPT2c en la membrana apical, lo que aumenta la excreción renal de fosfato. Está bien documentado que la señal Gs tiene un rol  en los efectos agudos de la PTH  sobre la excreción de fosfato en el túbulo proximal, mientras  la señal G_q/I1es requerida para los efectos de larga duración. El PTH1R interactúa con los factores reguladores del intercambiador Na⁺/H⁺, NHERF 1 y 2. Los estudios moleculares han demostrado que, aunque la interacción de PTH1R con NHERF1 aumenta el acoplamiento G_q/I1 sin afectar el acoplamiento de Gi o G_s, la interacción  de PTH1R con NHERF2 alterara el acoplamiento de estas proteínas G de una manera que favorece la activación de G_q/I1 y reduce la generación de AMPc, es decir, promueve el acoplamiento Gi e inhibe el acoplamiento G_s. Está demostrado que los NHERF son críticos en la retención del PTH1R en la membrana. El NHERF1 también es requerido  para la acción del Npt2a. La fosforilación del NHERF1, lo cual ocurre  por rutas mediadas por Gs o Gq/I1, disocia al Npt2a del NHERF1, provocando la internalización del Npt2a y el traslado a los lisosomas. Por otra parte, varios estudios sugieren que las rutas de señalización independientes  de Gαs juegan un rol, al menos en parte, en la inducción de Cyp27b1 por la PTH. Consistente con este dato, la activación de la PKC ha sido sugerida para mediar la acción  de la PTH en este efecto.

La PTH dispara la señal AMPc y es un regulador de la reabsorción de Ca²⁺ en la parte distal de la nefrona. El Ca²⁺ es reabsorbido en la célula  a través de TRPV5 y TRPV6 (transient receptor potential vanilloid 5 and 6). El TRPV5 es expresado exclusivamente en el túbulo contorneado distal y el túbulo colector, mientras la expresión del TRPV6 es más amplia, incluyendo al intestino. La PTH lleva a cabo su actividad reabsortiva de Ca²⁺ incrementando la generación de AMPc.  Sin embargo, también se ha demostrado que el rol reabsortivo de Ca²⁺  de la PTH en el túbulo distal requiere  de la activación de PKA y PKC. Más aún, se ha postulado una acción de la PTH independiente de AMPc  en la reabsorción de Ca²⁺en el túbulo colector. La activación de la ruta AMPc-PKA por la PTH incrementa la entrada de Ca²⁺ mediada por TRPV5 a través del aumento de canales TRPV5 abiertos en la superficie celular. Este efecto de la PTH al parecer involucra, al menos en parte, la inhibición de la unión de calmodulina al C-terminal del TRPV5.

El PTH1R, además de la Gs, se acopla a la activación de la fosfolipasa C (PLC) dependiente de G_q/I1. La G_q/I1 activada provoca la generación de los segundos mensajeros inositol 1,4,5-trifosfato (IP3) y diacilglicerol (DAG) a través de la acción de la PKC sobre los fosfolípidos de la membrana. IP3 y DAG, a su vez, incrementan el Ca²⁺ intracelular y activan isoenzimas de la proteína quinasa C (PKC). La señal PTH para la activación de PKC es regulada negativamente  por la fosforilación  del PTH1R y las acciones de la PKA. La ruta de señalización PLC-PKC es esencial para el modelado y el remodelado  óseo, así como para la respuesta normal a la PTHH. A través de la activación  de la PKC, la PTH incrementa la proliferación de osteoblastos.

La ruta de señalización G_q/I1 también  ha sido implicada en la inhibición inducida por PTH de la reabsorción de fosfato en el riñón  a través de sus efectos indirectos sobre el co-transportador NPT2a. Varios estudios sugieren que el PTH1R apical se acopla preferencialmente a la ruta PLC/PKC. Adicionalmente, los estudios han proporcionado soporte experimental para un rol importante de la  ruta PLC/PKC en la inhibición inducida por PTH de la reabsorción renal de fosfato. Entonces, la ruta G_q/I1 es esencial para las acciones normales  de la PTH sobre la reabsorción de fosfato. Es importante mencionar que las proteínas G_q/I1 tienen un papel crucial  en la regulación de la generación de PTH pues la acción del receptor sensor de Ca²⁺ es mediada primariamente por estas proteínas G.

La proteína XLαs es una variante de Gαs que deriva del locus del complejo de genes GNA que codifican a las proteínas G. La XLαs usa un promotor alternativo y un primer exón distinto, pero comparte los mismos exones 2-13 de la Gαs. Debido a que casi todos los exones son iguales entre XLαs y Gαs, la XLαs es idéntica a la Gαs  en casi toda la secuencia de aminoácidos,  pero contiene un N terminal único y mucho más grande. La Gαs es expresada bialelicamente  en la mayoría de tejidos, mientras el alelo materno de XLαs es silenciado, la XLαs es expresada  exclusivamente  en el alelo GNA paterno. La XLαs es expresada abundantemente en tejidos neuroendocrinos, particularmente en hipófisis y cerebro; su expresión también ha sido detectada en páncreas, riñón hueso y músculo esquelético. Debido a que Gαs y XLαs muestran las secuencias de aminoácidos codificadas por los exones 2-13, las mutaciones de GNA causantes de enfermedad que se localizan en estos exones  afectan a Gαs y XLαs cuando están en el lelo paterno. La XLαs puede promover  la señal G_q/I1 para estimular la ruta PLC/PKC y es requerida para las acciones renales de la PTH durante el desarrollo postnatal temprano.

Con relación a otras proteínas G, la PTH estimula la actividad  de la fosfolipasa D (PLD), una enzima que hidroliza fosfatidilcolina  para generar colina y el lípido bioactivo ácido fosfatídico. Adicionalmente, la PTH también  estimula la ruta de señalización de la MAPK. Por otra parte, estudios recientes revelan que la PTH  puede estimular la señal ERK1/2 a través de la ruta de señalización Gi, lo cual provoca la estimulación del clivaje mediado por metaloproteasa del fragmento unido a heparina del factor de crecimiento epidermal (HB-EGF) y la transactivación  del receptor EGFR.

En conclusión, la PTHes un regulador clave de la homeostasis  de calcio y fosfato, actúa sobre hueso y riñón para estimular  el recambio óseo, incrementar los niveles circulantes de 1,25(OH)₂D y Ca²⁺ e inhibir la reabsorción de fosfato del filtrado glomerular. Esta hormona calciotrópica  ejerce sus acciones  a través de la unión PTH/PTH1R, la cual se acopla  a múltiples proteínas G heterotriméricas, incluyendo G_s y G_q/I1.

Fuente: Bastepe M et al (2017). Heterotrimeric G proteins in the control of parathyroid hormone actions.  Journal of Molecular Endocrinology 58: R203-R224.