Ritmos circadianos y estrés

En los mamíferos, el reloj circadiano (RC) está basado en un oscilador molecular presente virtualmente en todas las células del cuerpo. El RC está construido a partir asas de retroalimentación transcripcional-translacional (ATT) que generan oscilaciones autosostenidas a nivel celular. El “core” de la ATT está compuesto  por los genes Bmal1 (brain and muscle  arnt-like 1), Clock (circadian locomotor output cycles kaput), Cry (cryptochrome)1/2 y Per (period) 1-3. Las proteínas BMAL1 y CLOCK forman el brazo positivo  del “core” de la ATT. Ellas pertenecen a la familia  de factores de transcripción hélice-asa-hélice y actúan como heterodímeros que se unen a los elementos reguladores E-box en los promotores de los genes Cry y Per, activando la transcripción de Per y Cry. Las proteínas PER y CRY constituyen el brazo de retroalimentación negativa del “core” de la ATT. En el curso del día ellas se acumulan en el citoplasma y forman complejos que se trasladan al núcleo en donde inhiben la transcripción mediada por BMAL1/CLOCK. Antes del próximo ciclo pueda comenzar, el heterodímero BMAL1/CLOCK tiene que ser reactivado. Esto es activado por la degradación proteasomal del complejo represor PER y CRY. PER1 y PER2 son sometidos a fosforilación mediada por las proteínas caseína quinasas 1 delta y épsilon. Esta fosforilación permite la ubiquitinización y la posterior degradación por el sistema ubiquitina proteasoma. Similarmente, la proteína quinasa activada por adenosina monofosfato (AMPK) y la glucógeno sintetasa quinasa 3 beta (GSK3β) fosforilan a CRY1 y CRY2, respectivamente, antes de la ubiquitinización y degradación. La disminución de los niveles de CRY y PER termina la represión  de la activación transcripcional  mediada por BMAL1/CLOCK, lo cual permite que el reloj pueda moverse  hacia el próximo ciclo.

   Además del asa central hay asas de retroalimentación accesorias y niveles adicionales de regulación para estabilizar las oscilaciones moleculares. La ATT accesoria más prominente  consiste de eritroblastoma reversa (Rev-Erbα/β) y el receptor orfan relacionado con el receptor  de ácido retinoico (RORα-γ) que también contienen E-box en sus regiones promotoras. El heterodímero BMAL1/CLOCK  se une a estos E-boxes y activa la transcripción de Rev-Erb y ROR. A su vez, las proteínas REV-ERB ejercen retroalimentación negativa, inhibiendo la transcripción de BMAL1. Por el contrario, las proteínas ROR son reguladores positivos y compiten con REV-ERB por los sitios de unión en los elementos de respuesta del receptor retinoide orfan (RORE) en el promotor Bmal1. Las proteínas REV-ERBα y β son funcionalmente redundante y son considerados esenciales para oscilación de Bmal1. Las proteínas ROR tienen una función moderadora, pero no son indispensables para la transcripción rítmica de Bmal1.

   La maquinaria del reloj molecular está presente en todas las células del organismo que tienen núcleo. Para sincronizar los osciladores de las células unos con otros, el sistema circadiano está organizado de una manera jerárquica. Un reloj master reside en el núcleo supraquiasmático (NSQ) del hipotálamo. El NSQ recibe, a través del tracto retino-hipotalámico, información de la luz ambiental que llega a las células que expresan melanopsina en la retina. La información del tiempo es transmitida luego a los tejidos periféricos subordinados a través de señales humorales y neuronales. De esta manera todas todos los relojes periféricos son coordinados por el reloj master. 

   En los osciladores periféricos, las glándulas suprarrenales  tienen un rol especial pues el reloj circadiano adrenal puede influir en los ritmos de otros tejidos periféricos  a través de la liberación rítmica  de hormonas con propiedades moduladoras del reloj circadiano. La glándula adrenal está compuesta de una corteza externa y una médula interna. La médula libera catecolaminas (adrenalina y noradrenalina), mientras la corteza secreta mineralocorticoides en la zona glomerulosa, glucocorticoides (GC) en la zona fasciculada y esteroides sexuales en la zona reticular. El cortisol es el principal GC en los humanos y exhibe una oscilación circadiana con un pico en los niveles sanguíneos antes del inicio de la fase activa (temprano en la mañana). Al ritmo circadiano de los GC  se superpone a una fuerte pulsatilidad ultradiana con períodos de alrededor de una hora y una amplitud que varía considerablemente durante el día. La secreción de GC es estimulada por la hormona adrenocorticoptropa (ACTH), la cual se une a receptores melanocortina-2 en la glándula adrenal. La ACTH, a su vez, es secretada por la hipófisis anterior  por acción de la hormona liberadora de corticotropina (CRH), producida en el núcleo paraventricular (NPV) del hipotálamo. Estos tejidos  y factores constituyen el eje hipotálamo-hipófisis-adrenal (HHA). Las oscilaciones circadianas son detectables en todos los componentes (CRH, ACTH y GC). Sin embargo, no está claro si la actividad rítmica del eje HHA  es necesaria para el ritmo circadiano de secreción de GC. Por una parte, el ritmo adrenal persiste  después de la hipofisectomía, cuando ninguna ACTH está presente. Por otra parte, la ACTH es capaz de “resetear” el ritmo de GC dependiente de fase. Adicionalmente, el eje HHA recibe impulsos directos  del NSQ a través del NPV del hipotálamo y el NSQ controla el ritmo de GC. El patrón circadiano de la secreción de GC puede ser abolido por disruptores específicos del reloj circadiano en la glándula adrenal, lo cual sugiere  que el reloj de este tejido periférico gobierna el patrón de secreción de GC.

   Los GC actúan  a través de los receptores mineralocorticoide (MR) y glucocorticoides (GR), receptores nucleares tipo 1 con amplia expresión en el cuerpo, con excepción del NSQ. La señal GR puede mediar el “reseteo” de relojes periféricos, resaltando el rol especial del ritmo GC en la coordinación de la red circadiana del organismo. Por ejemplo, el análisis de hígado de ratón revela 100 genes rítmicos cuya oscilación depende directamente de la señal adrenal y la ritmicidad de estos genes se pierde con la adrenalectomía. Por otra parte, en ratones, en un modelo de jet lag causado por un abrupto cambio de fase de las condiciones de luz, el ritmo GC puede modificar la cinética de entrenamiento en la nueva zona del tiempo. Las GC pueden también estabilizar ritmos periféricos contra perturbaciones externas. La restricción del tiempo de alimentación puede inducir cambios de fase en los tejidos periféricos y los relojes periféricos se desacoplan  del reloj master en el NSQ. El sistema circadiano es más robusto contra esas perturbaciones cuando los niveles de GC son altos.

   Los GC, además de su rol en la coordinación circadiana, son importantes vectores del sistema estrés. El término estrés se refiere a una alteración externa o interna que requiere una adecuada reacción del organismo para la supervivencia, o en casos menos drásticos, para evitar el dolor o disconfort. Un elaborado sistema de respuesta se activa cuando el organismo es expuesto al estrés. Este sistema involucra una respuesta inmediata a través de la activación  del sistema nervioso autónomo (SNA) y la liberación de GC mediada por el eje HHA. Los sistemas sensoriales pueden colectar información  acerca de eventos estresantes (por ejemplo, una disminución del volumen sanguíneo o cambios en la composición de la sangre) y enviarla al tallo cerebral. A partir de aquí, se regula la activación del SNA o el eje HHA. En el caso del eje HHA, la activación mediada por estrés dispara la producción  y liberación de GC en la glándula adrenal. Las señales del hipocampo, la corteza prefrontal o la amígdala  son transferidas al NPV para estimular la secreción de CRH e iniciar la activación del eje HHA. El hecho que los GC necesiten ser sintetizados nuevamente  después de cada descarga  provoca cierto retardo en la respuesta efectora final. Por lo tanto, la dinámica es más lenta (en el rango de minutos) en comparación con la activación del SNA que ocurre segundos después de iniciado el estrés.

   La exposición a un estresor  resulta en un incremento inmediato de catecolaminas a través de la activación  de neuronas preganglionares simpáticas  en la medula espinal. La señal es luego transferida a las neuronas postganglionares que se proyectan a los órganos efectores periféricos que responden con la clásica respuesta de lucha-o-huida (por ejemplo, incremento de la frecuencia cardiaca y la presión arterial, vasoconstricción, estimulación de glándulas sudoríparas, etc.) o a nervios preganglionares continuos como los nervios esplácnicos en los órganos efectores periféricos. Los nervios esplácnicos constituyen un  sitio cercano a la médula adrenal, órgano en donde se inicia la liberación de catecolaminas. La respuesta aguda al estrés termina con la activación de reflejos parasimpáticos y la retroalimentación negativa de los GC que detiene la liberación  de CRH y ACTH por el hipotálamo y la hipófisis anterior, respectivamente. Aunque el SNA y el eje HHA son dos diferentes ramas del sistema estrés y sus dinámicas son bastante diferentes, ambos actúan conjuntamente para coordinar una apropiada respuesta al estrés. Por ejemplo, para responder  a ciertos estresores, la activación del eje HHA es apoyada por proyecciones adrenérgicas y noradrenérgicas del cerebro anterior al NPV. El ritmo circadiano  y los aspectos mediados por el estrés juegan un rol importante en la regulación de la actividad del eje HHA y los niveles de GC. La secreción de GC puede ser afectada por la inervación simpática adrenal y la ACTH  del eje HHA puede estimular la secreción de noradrenalina. De esta manera, el SNA y el eje HHA están interconectados por aspectos circadianos.

   El estrés afecta al cuerpo a través de una compleja red  de cascadas de señalización  que regulan la vulnerabilidad al –y la severidad  del- estrés. En principio, hay que distinguir entre la respuesta aguda que prepara al cuerpo para una acción rápida y el estrés repetido  que induce alteraciones y adaptaciones más amplias, las cuales están asociadas  con cambios en el metabolismo energético y un elevado riesgo de trastornos psiquiátricos. Es conocido que la respuesta del eje HHA  es modulada por el tiempo del día. Las disrupciones del reloj circadiano  están asociadas con alteraciones de la actividad del eje HHA y las concentraciones de GC así como también con alteraciones metabólicas y depresión. Por otra parte, BMAL1 y CRY  no solo tienen funciones opuestas en la ATT, también interactúan con el eje HHA  en diferentes niveles  y pueden afectar distintos aspectos  de la respuesta al estrés a lo largo del día. En roedores, la sensibilidad adrenal a  la ACTH es elevada durante la fase activa. En el tiempo del día cuando el eje HHA es más sensible a la estimulación, la exposición a estresores físicos  como hemorragia, hipoglucemia o estrés oxidativo provoca un mayor incremento en GC circulantes que en otros periodos  del día. Sin embargo, durante la fase inactiva, cuando el eje HHA debe responder menos, el estrés  resulta en un fuerte incremento en la liberación de GC y ACTH. En contraste con el estrés agudo, la exposición crónica o repetida a un estresor provoca adaptaciones de mayor duración en el cuerpo (por ejemplo, en el metabolismo energético) y puede favorecer el desarrollo de trastornos metabólicos o psiquiátricos en humanos y roedores. En la moderna sociedad humana, el estrés se origina predominantemente a partir de interacciones sociales  y usualmente involucra poca acción psicológica.

   La disrupción circadiana inducida por factores ambientales (por ejemplo, la exposición constante a la luz) puede ser considerada como estresor pues altera la liberación de catecolaminas y GC. Considerando que las disrupciones del ritmo circadiano son más frecuentes con los cambios de turno de trabajo, es importante reconocer que también afectan la actividad del eje HHA y pueden contribuir a una variedad de trastornos relacionados con el estrés. El más potente estresor circadiano es la luz. Un corto pulso de luz administrado a roedores durante la noche subjetiva puede provocar un incremento en los niveles plasmáticos de corticosterona 60 minutos después del inicio de la estimulación. Los cambios repetidos en el inicio de la luz del día (paradigma de jet lag) o exposición constante a la luz están asociados con hipercortisolismo. Otro potencial estresor circadiano es la ingesta de alimentos. En ratones, la ingesta de alimentos  en una fase circadiana no natural altera el ritmo de liberación de GC. Las disrupciones circadianas  y la exposición repetida a un estresor tienen consecuencias patológicas comparables, las cuales incluyen en otras, respuestas inmunes comprometidas, trastornos cognitivos, disrupción metabólica, crecimiento tumoral acelerado y envejecimiento acelerado. Sin embargo, aún no está claro si la desregulación de GC proporciona el enlace causal entre la disrupción circadiana y esas patologías.

   Los efectores del sistema estrés también afectan la regulación circadiana. Los GC y la adrenalina  pueden actuar como sincronizadores  de los relojes circadianos tisulares, pero hay numerosas maneras adicionales  cómo el estrés afecta al sistema circadiano. Los efectores de la respuesta al estrés  actúan a través de receptores específicos. En el caso de los GC, esto ocurre principalmente  a través de receptores GR expresados en casi todos los órganos y tejidos con excepción del NSQ. En consecuencia, el NSQ no está sometido a sincronización por retroalimentación directa  de los GC. Para la señal GR, hay varias rutas clásicas que influyen en la expresión de genes,  rutas no clásicas  y rutas no genómicas. Entre las rutas de señalización clásicas, los dímeros GR pueden interactuar  con elementos de respuesta de glucocorticoides localizados en regiones reguladoras  de los genes blancos de GC. El GR activa la transcripción de estos genes. El GR puede interactuar con otros factores de transcripción como el factor nuclear-κB (NF-κB), la proteína activaora-1 (AP-1) o STAT5. Esto también activa la transcripción de genes. Demás de la transcripción, es también posible la transrepresión  de genes regulados negativamente mediada por la unión del GR a elementos de repuesta negativa.  Una tercera opción es la interacción del GR con el ADN. La ruta  de señalización no clásica del GR  actúa independientemente de la transcripción y la expresión de genes. La ruta no genómica de la señal GR actúa alterando la actividad de  varias quinasas, incluyendo PI3K, Akt y MAPK. En situaciones de estrés agudo, las rutas de señalización no genómicas son más pronunciadas porque las respuestas tienen que ser rápidas. Por el contrario, las rutas de señalización genómicas median las respuestas del estrés crónico y las adaptaciones a largo plazo para incrementar las concentraciones de GC. No se conoce  si las rutas no genómicas de la señal GR  inciden sobre la función del reloj circadiano, pero proteínas como la MAPK afectan la función del reloj circadiano en varios contextos.

   En conclusión, en los mamíferos, un marcapaso localizado en el NSQ del hipotálamo recibe información de la luz ambiental y sincroniza los relojes de los tejidos periféricos  al tiempo geofísico. El reloj circadiano influye fisiológicamente y conductualmente en diferentes niveles promoviendo  numerosas enfermedades en condiciones asincrónicas. En roedores, la conexión entre  el sistema circadiano  y la respuesta al estrés está bien caracterizada. Los sistemas del estrés como el eje HHA y el SNA reciben impulsos circadianos y son importantes para la regulación de las respuestas al estrés. Los estudios recientes sugieren que la respuesta al estrés  varía en el curso del día y que el estrés es capaz de afectar la regulación del reloj circadiano.

Fuente: Koch CE et al. (2017). Interaction between circadian rhythms and stress. Neurobiology of Stress 6: 57-67.