Esteroidogénesis en células de Leydig

La esteroidogénesis es un proceso  de múltiples etapas que convierte el colesterol en hormonas esteroides y comprende la movilización de colesterol de gotas de lípidos y/o la membrana plasmática, el transporte del colesterol en la mitocondria, la formación de pregnenolona en la mitocondria y la conversión de pregnenolona en esteroides por enzimas del retículo endoplásmico liso. En el testículo adulto, la producción de testosterona (TS) en las células de Leydig depende de la secreción pulsátil de hormona luteinizante (LH) por la hipófisis en la circulación periférica.

   La LH tiene dos roles esenciales en la esteroidogénesis de las células de Leydig: (1) mantenimiento de niveles óptimos de enzimas esteroidogénicas (regulación trófica) y (2) movilización y transporte de colesterol en la membrana mitocondrial interna (regulación aguda). Los dos efectos de la LH son mediados por rutas de señalización que comienzan con la producción de AMP cíclico (AMPc). La LH se une a –y activa- receptores acoplados a proteína G, lo cual resulta en activación de la adenil ciclasa, incremento en la formación intracelular de AMPc y fosforilación dependiente de AMPc de proteínas a través  de la proteína quinasa A (PKA). La estimulación aguda de las células de Leydig por la LH resulta en transferencia de colesterol en la mitocondria en parte a través de las acciones de la proteína reguladora aguda de la esteroidogénesis (STAR), la proteína translocadora (TSPO) y otras proteínas del transduceosoma. El transporte de colesterol en la mitocondria, etapa limitante en la biosíntesis de esteroides, es seguido por la conversión  de colesterol en pregnenolona por la enzima citocromo p450 CYP11A1 localizada en la membrana mitocondrial interna. La pregnenolona es metabolizada  en TS en el retículo endoplásmico liso por las enzimas 3β-hidroxiesteroide deshidrogenasa (3β-HSD), 17α-hidroxilasa/20 liasa (CYP17A1) y 17β-hidroxiesteroide deshidrogenasa tipo 3 (17β-HSD3).

   Los niveles plasmáticos de TS disminuyen con la edad en los machos de muchas especies, incluyendo humanos y roedores. Los estudios en hombres demuestran una reducida capacidad de las células de Leydig para producir TS en respuesta a la estimulación con LH. En muchas cepas de ratas, incluyendo Sprague-Dawley, la disminución de los niveles de LH por cambios en el eje hipotálamo-hipófisis  es responsable  de la disminución de la formación  de TS por células de Leydig envejecidas y, por tanto, de la disminución de TS plasmática. Esto es referido  como hipogonadismo secundario. Sin embargo, en ratas Brown Norway, como en el hombre, la disminución de los niveles de TS con la edad  ocurre con niveles inalterados de LH y niveles aumentados de la hormona estimulante del folículo (FSH).

   El recambio de células de Leydig en el testículo adulto ocurre raras veces y su número no cambia ni se incrementa con la edad. Por lo tanto, la reducción de los niveles de TS en ratas envejecidas resulta de la relativa falta de respuesta de las células de Leydig a la LH. Entre los cambios en la ruta esteroidogénica que han sido implicados en la reducción de la producción de TS  que caracteriza a las células de Leydig envejecidas están la disminución de la producción de AMPc y de la actividad de la PKA. La LH se une a receptores acoplados a proteína G e inicia una cascada de eventos que incluye la activación de la adenil ciclasa, el incremento en la producción de AMPc y la activación dependiente de AMPc de la PKA. La señalización a través de AMPc/PKA  es esencial para la expresión de proteínas esteroidogénicas y enzimas de las mitocondrias y el retículo endoplásmico liso. La reducción en el número de receptores de LH o su eficiencia en el acoplamiento a proteína G afecta la producción de AMPc, pero también afecta otras cascadas de señalización, incluyendo las rutas ácido araquidónico/ciclooxigenasa-2 (COX-2) y proteína quinasa activada por mitogeno (MAPK).

   ¿Cuál es el mecanismo molecular por el cual la producción de AMPc  es reducida con el envejecimiento? La estimulación  de la adenil ciclasa en células de Leydig envejecidas con forskolin, el cual activa directamente la adenil ciclasa, resulta en una producción de AMPc equivalente a la de células jóvenes. Por otra parte, en ausencia de LH, la activación directa  de la proteína Gs por toxina de Vibrio cólera estimula la síntesis de AMPc en células envejecidas en niveles de células jóvenes, y la inhibición  de la proteína G inhibidora (Gi) por toxina pertussis no restaura la capacidad de las células de Leydig envejecidas para producir AMPc en niveles altos en respuesta a la LH. Estas observaciones  sugieren que las deficiencias de proteína G y adenil ciclasa son diferentes causas de disminución de producción de AMPc en las células de Leydig envejecidas. Otros estudios demuestran que el número de sitios de unión a LH  disminuye significativamente con la edad. Sin embargo, es conocido que solamente se requiere la ocupación de 10% de receptores para la respuesta biológica de la LH. Estos resultados, en conjunto, sugieren que la deficiencia de acoplamiento receptor de LH-proteína G es responsable, al menos en parte, de la reducción de la producción de AMPc en células de Leydig envejecidas. Algunos investigadores también sugieren que el incremento en la degradación de AMPc puede jugar un rol. En roedores, el AMPc de las células de Leydig es metabolizado por fosfodiesterasas (PDE4a, PDE4b y PDE2a), las cuales aumentan en células de Leydig envejecidas. La extensión en la cual estos incrementos pueden reducir los niveles de AMPc en las células viejas aún no está clara.

   La acción de la LH sobre las células de Leydig, además de sus efectos en la producción de AMPc, resulta en liberación de ácido araquidónico, el cual es metabolizado por lipoxigenasas, epoxigenasas o COX. Los metabolitos resultantes son capaces de modular la esteroidogénesis en parte afectando la expresión de la proteína STAR. En este contexto, el tratamiento de larga duración de ratas envejecidas con antagonistas de la COX-2 puede revertir parcialmente la reducción en los niveles plasmáticos de TS. Este hallazgo, sugiere la posibilidad que la COX-2 también puede estar involucrada en la disminución de la producción de TS relacionada con la edad. Asimismo, miembros de la señal AMPK, incluyendo ERK y p38, han sido implicados  en la reducción de la esteroidogénesis relacionada con la edad. La LH incrementa la fosforilación de la ERK1/2. La inhibición de esta fosforilación puede bloquear significativamente el efecto de la estimulación  por la LH, lo cual sugiere que la ERK 1/2  media en parte la función de la LH. Un estudio reciente reporta que la proteína p38 puede inhibir la esteroidogénesis  inducida por AMPc a través de la represión de la proteína STAR. Entonces, la disfunción de las células de Leydig relacionada con la edad puede estar relacionada con cambios  en las señales MAPK y AMPc.

   En las células de Leydig envejecidas, además de la reducción en la producción de AMPc, hay reducciones en STAR, TSPO, CYP11A1 y enzimas esteroidogénicas del retículo endoplásmico liso. Aunque los niveles de las enzimas están reducidos, son suficientes para apoyar la producción de altos niveles de esteroides si el colesterol es translocado en la mitocondria. Esto sugiere que defectos en  la importación de colesterol en las mitocondrias pueden ser responsables de la reducción de la formación de TS que caracteriza a las células de Leydig viejas.  La translocación de colesterol en la mitocondria  involucra su movilización y transporte desde la membrana externa a la membrana interna donde reside la enzima CYP11A1. La localización precisa del colesterol intracelular utilizado para la formación de esteroides es incierta. Algunos estudios demuestran que el colesterol utilizado en la esteroidogénesis deriva en parte de las lipoproteínas circulantes y es importado  por el receptor de lipoproteínas o sintetizado de novo en la célula a partir de acetil-CoA. El colesterol puede ser almacenado en gotas de lípidos en el citoplasma en la forma de esteres de colesterol. Un estudio reciente reporta que la membrana plasmática es una fuente importante de colesterol para la esteroidogénesis. En respuesta a la estimulación hormonal, los esteres de colesterol son convertidos en colesterol libre por la enzima colesterol esterasa y luego transferido  a la membrana mitocondrial externa. Componentes importantes de este proceso, incluyendo SRB1, carboxiesterasa (ES-10) y lipasa sensible a hormona (HSL) son regulados a la baja en las células de Leydig envejecidas, lo cual sugiere que la importación, la síntesis y la movilización  de colesterol son afectadas por el envejecimiento.

   La translocación  de colesterol en la mitocondria  es mediada por AMPc a través de proteínas del transduceosoma. La TSPO, una de tales proteína, comprende 2% de las proteínas de la membrana mitocondrial externa de células de Leydig jóvenes. La TSPO disminuye significativamente en células de Leydig envejecidas. Varias proteínas citoplasmáticas, incluyendo PKA, proteína con dominio de unión a acil-CoA 3 y STAR pueden estar involucradas en la importación de colesterol en la membrana mitocondrial interna. La STAR, por ejemplo, juega un rol significativo en la esteroidogénesis, cuando las células de Leydig son estimuladas por la LH, los niveles de STAR aumentan rápidamente. Aunque la importancia de la STAR en la transferencia de colesterol es clara, el mecanismo por el cual funciona permanece incierto. La localización de la STAR en la membrana mitocondrial externa sugiere un rol crítico en la translocación de colesterol. Más aún, reportes recientes  de la interacción funcional entre TSPO y STAR han permitido proponer  que tal interacción  puede ser una parte integral de la translocación de colesterol en la mitocondria. Otra proteína del transduceosoma, la 14-3-3, se une a la STAR y actúa como regulador negativo de la formación de esteroides.

   El envejecimiento celular puede resultar de cambios en factores internos y/o externos. Los factores intrínsecos incluyen especies reactivas de oxigeno (ROS). Los factores extrínsecos incluyen hormonas, factores de crecimiento, oxidantes y antioxidantes  producidos por las células o transportados a través de la circulación. La esteroidogenesis de las células de Leydig  es afectada por factores producidos localmente y también por factores extrínsecos. En el testículo, productos de las células de Sertoli y los macrófagos tienen efectos estimuladores sobre la esteroidogénesis de las células de Leydig. Sin embargo, también se han observados efectos negativos. Por ejemplo, el peróxido de hidrógeno producido por los macrófagos puede impactar negativamente a las células de Leydig vecinas. Factores producidos por la hipófisis (gonadotropinas), el hígado (IGF-1), la tiroides (T3), las células β del páncreas (insulina), el hueso (osteocalcina) y el sistema inmune alcanzan las células de Leydig  a través del sistema circulatorio.

   El desbalance entre prooxidantes y antioxidantes  a menudo ocurre en las células. Este desbalance puede resultar  en un estado redox alterado y daño oxidativo de las macromoléculas intracelulares, lo cual contribuye al déficit funcional  relacionado con la edad. Las células de Leydig producen ROS a partir de varias fuentes, incluyendo la cadena transportadora de electrones en la mitocondria y las reacciones catalizadas por el citocromo p450 microsomal. Estudios recientes indican que la producción de ROS puede ser en respuesta a la LH. Las células de Leydig de ratas envejecidas producen significativamente más ROS que las células de ratas jóvenes, y esto ocurre a pesar del volumen mitocondrial reducido. El envejecimiento de las células de Leydig también se acompaña con expresión reducida de Cu-Zn-SOD, Mn-SOD, glutatión peroxidasa, glutatión S-transferasa y glutatión (GSH), lo cual incrementa el estrés oxidativo y el daño oxidativo (por ejemplo, peroxidación de lípidos). La disminución relacionada con la edad de las actividades antioxidantes, la expresión de genes y los niveles de proteínas es consistente con la hipótesis que la pérdida de la función esteroidogénica que acompaña a las células de Leydig envejecidas puede resultar en parte  a partir de un sistema de defensa antioxidante alterado. El GSH  está entre los antioxidantes con mayor reducción en las células de Leydig envejecidas. Con el envejecimiento, el GSH y las enzimas antioxidantes disminuyen  a pesar  de los niveles elevados de estrés oxidativo. Esto es cierto en muchos tipos de células, incluyendo células de Leydig, y provoca un estado prooxidante en células envejecidas.

   Los elementos de la ruta esteroidogénica son afectados por numerosos disruptores endocrinos químicos (EDC), provocando reducción de la formación de TS. Los EDC son definidos como “sustancias en nuestro ambiente, alimentos y productos de consumo que interfieren con la biosíntesis de hormonas, el metabolismo o acciones que resultan en una desviación del control homeostático normal”. En este contexto, la exposición de células de Leydig  de rata al 2,3,7,8-tetraclorodibenzo-p-dioxina (TCDD) inhibe la esteroidogénesis a través sus efectos sobre el AMPc y la CYP11A1. El permetrin, un insecticida, altera la formación de TS en ratones a través de la disminución de los niveles de STAR y CYP11A1. El atrazine, un herbicida ampliamente usado, tiene efectos similares. El triclosan, un compuesto usado en preparaciones antimicrobianas, disminuye significativamente la actividad  de la adenil ciclasa, la síntesis de AMPc y la actividad de p450, 3β-HSD, 17β-HSD y STAR. El insecticida lindane afecta al AMPc, la STAR y la esteroidogénesis. Los phtalatos exhiben propiedades antiandrógenos y tiene diferentes efectos dependiendo del momento del ciclo de vida en que son administrados. Aunque los EDC son capaces de afectar la esteroidogénesis son diversos en naturaleza, las consecuencias de la exposición comúnmente se manifiestan a través de un ambiente redox alterado que reduce la esteroidogénesis.  Estos cambios pueden ser parcialmente prevenidos con antioxidantes como las vitaminas C y E.

   En el ambiente, hay metales que también afectan la esteroidogénesis de las células de Leydig a través de un incremento en el estrés oxidativo. Por ejemplo, el mercurio afecta el sistema de defensa antioxidante. La vitamina E protege contra la toxicidad inducida por mercurio y reduce la peroxidacion de lípidos incrementando las actividades de la superóxido dismutasa, la catalasa y la glutatión peroxidasa.  El plomo y el cadmio, solos o combinados,  alteran la esteroidogénesis testicular  y los mecanismos de defensa antioxidante. La administración de agentes antioxidantes reduce el estrés oxidativo inducido por metales y proporciona protección contra la toxicidad del plomo y el cadmio.

   Algunos compuestos ambientales, además de modificar el estatus oxidativo intracelular, afectan la COX-2, el metabolismo del ácido araquidónico y la MAPK. Por ejemplo, el bisfenol A (BPA) induce una disminución en la producción  de TS en células de Leydig de ratas, asociada con un incremento en la actividad de la COX-2 y la señal MAPK.  El dimetoato, un organofosforado ampliamente usado, reduce la esteroidogenesis de las células de Leydig  en asociación con una disminución de ácido araquidónico y un incremento en la actividad de la COX-2.

   En conclusión, la producción  de TS de las células de Leydig disminuye con la edad y la exposición a contaminantes ambientales. La reducción en los niveles de TS no se debe a pérdida de células de Leydig sino a su reducida capacidad para producir TS en respuesta a la LH. Aunque los mecanismos exactos responsables de los cambios en la esteroidogénesis aún son inciertos, hay algunas características comunes. El envejecimiento y la exposición a EDC tienen efectos sobre la producción de AMPc  y el transporte de colesterol estimulados por LH. El incremento en el estrés oxidativo es responsable, al menos en parte, de algunos de los cambios en la ruta esteroidogénica. La COX-2 y la MAPK también pueden estar involucradas.

Fuente: Wang Y et al. (2017). Steroidogenesis in Leydig cells: effects of aging and environmental factors. Reproduction 154: R111-R122.