Propiedades bioquímicas y celulares  de la señal del receptor de insulina

Después del descubrimiento de la insulina por  Banting y Col. en 1921, su mecanismo de acción permaneció poco claro durante aproximadamente 30 años. En 1950, Rachmiel Levine demostró que la insulina incrementa la permeabilidad de la membrana a la glucosa, como parte de su efecto para disminuir la glucemia, poniendo fin a la especulación que la insulina se unía directamente a las enzimas glucolíticas para modificar su acción. En 1971, Jessse Roth y sus colegas  demostraron la existencia de un receptor de membrana para insulina. Sin embargo, el mecanismo de señalización intracelular que desencadena la unión de la insulina a su receptor (IR) era poco conocido hasta que Kasuga y Kahn en 1982, usando anticuerpos aislados de pacientes con síndromes autoinmunes de resistencia a la insulina, demostraron que el IR es fosforilado en los residuos tirosina  en respuesta a la unión de la insulina. El IR fue clonado por los grupos de Ulrich y Rutter en 1985. La noción de la fosforilación de tirosinas como base  de la señal insulina es actualmente ampliamente aceptada, desviando la atención de la superficie celular  hacia las rutas intracelulares que median las diversas acciones del IR. En 1991, White y Kahn clonaron la primera de cuatro proteínas sustrato de IR (IRS), una familia de proteínas adaptadoras cuyo principal rol es convertir la fosforilación de tirosinas en una señal quinasa reclutando la subunidad catalítica de la enzima PI3K. Esto genera el PI3 requerido para activar a la serina/treonina quinasa AKT. La AKT proporciona el enlace con las etapas distales de la señal insulina, como la modulación de la captación de glucosa por transportadores de glucosa tipo 4 (GLUT4), la síntesis de glucógeno por la glucógeno sintetasa 3 (GSK3), la síntesis de proteínas y lípidos por mTOR y la expresión de genes por FOXO.

   La insulina tiene efectos complejos sobre el metabolismo, el crecimiento celular y la diferenciación celular. Virtualmente todas las células poseen IR y por lo tanto responden a la insulina.  Los principales tejidos blancos para los efectos de la insulina sobre el metabolismo incluyen al músculo esquelético donde la insulina promueve la utilización de glucosa y la síntesis de proteínas; el tejido adiposo, donde la insulina promueve la captación de glucosa y ácidos grasos e inhibe la lipólisis; el hígado, donde la insulina promueve la utilización de glucosa, suprime la producción de glucosa y promueve la síntesis de triglicéridos; y las neuronas donde promueve señales anorexigénicas y locomotoras. Otros blancos de la insulina con funciones metabólicas son los macrófagos, las células endoteliales y las células β del páncreas productoras de insulina. Más aún, algunos de los mediadores claves de la señal insulina como PI3K y AKT son activados por receptores de factores de crecimiento. Cada etapa en la cascada de señalización de la insulina es una  reacción enzimática reversible. Para cada quinasa activada por la insulina, a menudo hay múltiples  fosfatasas que suprimen la acción de las quinasas activadas por insulina. Por otra parte, diferentes modificaciones postraslacionales de una misma proteína blanco a menudo resultan en diferentes efectos biológicos.

   La insulina es el más importante regulador negativo de su propia señal. El IR, similar a otros receptores tirosina quinasa, exhibe internalización  inducida por ligando y degradación lisosomal o reciclaje para regresar a la superficie celular. Este evento requiere un dominio de doce aminoácidos localizado en la parte intracelular  del dominio yuxtamembrana del IR. El pH ácido de los lisosomas favorece la liberación de la insulina unida al IR. En la medida que los niveles de insulina aumentan, el IR es regulado a la baja en la superficie celular y disminuye la señal insulina, contribuyendo a su finalización. Esto es la base de la observación que la resistencia a la insulina está asociada con hiperinsulinemia. Sin embargo, debido a que este fenómeno es estrictamente dependiente de las concentraciones plasmáticas de insulina es revertido rápidamente  cuando los niveles de insulina disminuyen, sobre todo en el ayuno en humanos.

   Como regla general, la fosforilación de tirosina activa -y la fosforilación  de serina/treonina inactiva- al IR y las proteínas IRS. En un nivel más granular, los efectos son sitio-dependiente, pero la fosforilación de serina/treonina es un mecanismo mayor por el cual la señal del IR es afinada, antagonizada o finalizada. Un ejemplo de fosforilación inhibidora  de IRS es la iniciada por citoquinas inflamatorias. Esta ruta  puede ser disparada por la infiltración de macrófagos en el tejido adiposo durante la obesidad. Estos macrófagos secretan citoquinas pro-inflamatorias, incluyendo TNFα, IL-1βe IL-6, las cuales actúan de manera paracrina para activar serina quinasas en los adipocitos, incluyendo IκB quinasa β (IKKβ), c-Jun-terminal quinasa (JNK), S6K y mTOR.   Estas quinasas llevan a cabo la fosforilación inhibidora  de IRS1, causando resistencia a la insulina en los adipocitos. Consistente con esto, la activación de rutas inflamatorias puede alterar el metabolismo de la glucosa y causar resistencia a la insulina sistémica. La evidencia reciente demuestra que la activación de células inmunes en hígado, músculo, páncreas y cerebro también puede alterar la señal insulina local y provocar disfunción metabólica. Otro mecanismo de antagonismo de IR es causado por la lipotoxicidad. La activación dependiente de diacilglicerol de la proteína quinasa Cε (PKCε) altera la autofosforilación del IR a través de la fosforilación  de treonina 1160 en el asa de activación de IR. Además del diacilglicerol, la acumulación de ceramidas también puede alterar la función  de la AKT a través de la estimulación de la actividad de la PKCζ, la cual altera la localización  en la membrana de la AKT y la proteína fosfatasa  2A (PP2A).

   Las concentraciones en la membrana plasmática del segundo mensajero lípido  PtdIns (3,4,5) P₃ son controladas por  la PI3K no solo a nivel de síntesis sino también  a nivel de localización  y degradación.  Dos fosfatasas de lípidos son conocidas por desfosforilar PtdIns (3,4,5)P₃  y por lo tanto atenuar la señal insulina: PTEN Y SHIP2 (Src homology 2 (SH2)-containing inositol 5´-phosphatase 2). La PTEN es una 3´-fosfatasa  que convierte PtdIns (3,4,5)P₃ en su precursor PtdIns(4,5)P₂ y finaliza la señal insulina. La inhibición de la PTEN incrementa la actividad de la AKT y por consiguiente amplifica los efectos de la insulina sobre el metabolismo de la glucosa y las rutas de crecimiento y supervivencia celular. La SHIP2 es una 5´-fosfatasa que convierte PtdIns (3,4,5)P₃  en PtdIns (3,4)P₂. Los estudios in vitro reportan que la SHIP2 regula negativamente la fosforilación de AKT estimulada por la insulina y los estudios in vivo han demostrado que la carencia de SHIP2 en ratones protege  contra la obesidad y la resistencia a la insulina.

   La proteína tirosina fosfatasa 1B (PTP1B) regula negativamente la señal insulina  desfosforilando  residuos tirosina en el IR y las proteínas IRS. Esta fosfatasa tiene un efecto primario en el sistema nervioso central, aunque incrementos en la fosforilación de IR e IRS  en respuesta a la depleción de PTP1B   han sido detectados en tejidos periféricos. La PTP1B también regula negativamente la señal leptina a través de su acción sobre la Janus quinasa 2 (JAK2). Debido a que las funciones  de leptina e insulina se traslapan parcialmente, la PTP1B tiene el potencial para ser un nodo de integración en la transducción de la señal  que subyace a los efectos biológicos de las dos hormonas. Las fosfatasas 1α (PHLPP1α), PHLPP1β y PHLPP2 constituyen una familia distinta  proteínas fosfatasas serina/treonina. Ellas fueron primero descubiertas como fosfatasas de la Ser473 de la AKT, pero también actúan sobre otros sustratos como PKC y S6K. Las PHLPP están involucradas en dos asas de retroalimentación negativa separadas en la señal insulina. Primero, la señal insulina promueve la translación  de la proteína PHLPP vía activación  de S6K dependiente  de mTOR. Segundo, la señal insulina estabiliza proteínas PHLPP. Esto ocurre debido a la fosforilación de AKT y la inhibición de GSK3β, la cual normalmente  fosforila PHLPP, causando su degradación. La proteína fosfatasa 2A (PP2A) es otra serina/treonina fosfatasa que desfosforila a la AKT.  La enzima comprende tres subunidades: estructural, reguladora y catalítica. Cada subunidad tiene múltiples isoformas y se estima que pueden existir 75 diferentes holoenzimas. Ciertos componentes han sido relacionados específicamente con la regulación negativa de la señal insulina. Además de la AKT, hay numerosos blancos para desfosforilación mediada por PP2A.

   Otros inhibidores de la señal IR son las proteínas adaptadoras GRB10 y GRB14. Estas proteínas  contienen  dos dominios diferentes que pueden unirse al IR (y al receptor del factor de crecimiento similar a insulina 1 (IGF1R)). Un dominio es una región referida como BPS que se une a la hendidura de unión a sustrato del IR. El segundo dominio  es una región SH2 que se une residuos tirosina fosforilados del IR. Las proteínas GRB actúan como pseudosustratos y obstruyen la unión y activación del IR. La señal insulina a través de la  AKT y el complejo mTORC1 causa la fosforilación directa de la GRB10. Esto estabiliza a la GRB10, perpetuando su efecto inhibidor sobre el IR. La importancia fisiológica de estas proteínas consiste en mejorar la sensibilidad a la insulina.

   Las proteínas SOCS actúan como inhibidoras  del IR. Cuatro miembros de esta familia (SOC1, SOCS3, SOCS6 y SOCS7) atenúan la señal insulina. La mayoría de estudios indican un rol para las proteínas SOCS  en la terminación  de la señal insulina. Hay dos mecanismos para esta inhibición: uno es que una proteína SOCS, a través de su dominio SH2, se une y ocupa el sitio fosfotirosina del IR, y el segundo es que una proteína SOCS, a través de su dominio SOCS, recluta una ubiquitina ligasa para la degradación proteosomal de proteínas IRS. Consistente con estos mecanismos moleculares, la evidencia sugiere que reducir o inhibir proteínas SOCS podría beneficiar la sensibilidad a la insulina.

   Los estudios en humanos y roedores  indican que las isoformas individuales de las proteínas involucradas en la señal –y terminación de la señal- insulina funcionan de manera distinta. Estos hallazgos apoyan un modelo combinado  de la señal insulina, donde una simple hormona puede provocar un espectro  de consecuencias. El IR tiene dos isoformas, A y B. La isoforma B es generada por “splicing” alternativo y contiene un exón adicional que codifica 11 aminoácidos. El IR-A tiene afinidades comparables por la insulina y el IGF-II. Hay una pequeña diferencia en las propiedades de señalización de las dos isoformas, el IR-A  es más fuerte que el IR-B en sus efectos metabólicos y en la promoción de la síntesis de glucógeno. En general, el IR-A funciona primariamente  como una isoforma que promueve el crecimiento durante la vida fetal, mientras el IR-B es la isoforma predomínante en el hígado adulto y reduce la sensibilidad del hepatocito a la insulina en vista que las células hepáticas son expuestas  a las altas concentraciones de insulina de la vena porta. En mamíferos, hay cuatro isoformas de IRS, aunque los humanos carecen de IRS3. Las isoformas IRS difieren con respecto a la distribución tisular  y la capacidad para comprometer sustratos celulares. Entonces, la acción de la insulina puede ser explicada  por la capacidad  de estas proteínas adaptadoras para comprometer diferentes  rutas celulares. IRS1 e IRS2 son las principales isoformas involucradas en la homeostasis metabólica, pero IRS1 es ligeramente más valiosa para el mantenimiento del metabolismo hepático.  Mientras IRS1 es expresada en un nivel relativamente consistente, IRS2 es más abundante durante el ayuno –debido a  la activación transcripcional de FOXO6- y sus niveles son disminuidos por la insulina. Los estudios in vivo demuestran que la IRS2  lleva  acabo la señal insulina principalmente durante el ayuno e inmediatamente después de ingerir alimento, mientras la IRS1 actúa principalmente en el estado alimentado. Con relación a la AKT, hay tres isoformas (AKT1-3) y cada una  puede tener  efectos distintos. Aunque las dos formas principales de AKT (1 y 2) no son redundantes en células que expresan ambas isoformas, hay dos factores que determinan la especificidad de la señal insulina: su abundancia relativa y su localización intracelular. La evidencia sugiere que la AKT2 es la isoforma más importante para la homeostasis de la glucosa, mientras la AKT1  es importante para el crecimiento y la AKT3 para el desarrollo cerebral.

   Los efectos celulares individuales de la insulina ocurren con distinta dinámica temporal. Estas diferentes dinámicas dependen de la cinética de la secreción  de insulina, la expresión dinámica de las proteínas de la señal insulina, la cinética de las actividades quinasas del IR y la sensibilidad de los mediadores transcripcionales a la señal insulina. Por lo tanto, los diferentes efectos biológicos de la señal IR ocurren en diferentes tiempos después del inicio de la señal insulina. El análisis fosfoproteómico demuestra que la fosforilación de las tirosinas de IR e IRS ocurren en el primer minuto del tratamiento con insulina. Muchos sitios se mantienen fosforilados por largos períodos, mientras otros son transitorios. 

   La estimulación de la captación de glucosa es una de las primeras actividades biológicas reconocidas de la insulina. Aunque la insulina estimula la captación de glucosa en muchos tipos de células, el efecto es más pronunciado en adipocitos y células musculares, aumentando la captación de glucosa aproximadamente diez y cinco veces, respectivamente. El fenómeno fue descrito por primera vez en adipocitos de rata. Según los datos de este estudio, la insulina estimula la captación de glucosa, alcanzando un plateau  aproximadamente diez veces mayor que los niveles no estimulados, en 15 minutos. El incremento de la tasa de captación de glucosa se mantiene con la presencia continua de insulina y retorna rápidamente a los niveles de pre-estimulación cuando la insulina es removida. Una vez identificados los transportadores de glucosa, se demostró que la insulina controla la captación de glucosa a través de la densidad de transportadores en la membrana plasmática más que disparando la actividad de los transportadores. Adipocitos y miotubos expresan GLUT4, un miembro de la familia GLUT de transportadores de glucosa y la regulación del tráfico de GLUT4 hacia –y desde- la membrana plasmática subyace a la regulación de la captación de glucosa por la insulina en estas células.

   Los efectos de la insulina son mediados por varios factores de transcripción, incluyendo FOXO, SREBP1c, co-activador de transcripción regulado por CREB 2 (CRTC2) y  transactivador interactuante con proteína de unión a CREB (CBP)/p300 2 (CITED2). La evidencia de un rol de FOXO y SREBP1c es apoyada por varios estudios. Durante el ayuno, FOXO estimula en el hígado la expresión de la glucosa-6-fosfatasa y suprime la expresión de la glucokinasa, promoviendo por lo tanto la salida de glucosa. La inactivación de FOXO por la insulina revierte estos efectos. Adicionalmente, FOXO media los efectos de la insulina sobre la diferenciación de adipocitos, la transcripción y procesamiento  de neuropéptidos y la salud de las células β del páncreas.  El SREBP1c promueve la expresión de las enzimas involucradas en la síntesis de ácidos grasos. A diferencia de FOXO, el SREBP1c  es activado por la insulina transcripcionalmente y post-transcripcionalmente, donde el SREBP1c es procesado a su forma madura y trasladado al núcleo. Las rutas de la señal insulina que regulan a FOXO y SREBP1c son diferentes, pues la regulación de SREBP1c es a través de mTOR, mientras FOXO es un blanco directo  de la AKT. Hay también sustanciales diferencias temporales en los efectos de la insulina sobre FOXO y SREBP1c. FOXO es muy sensible a la insulina y alcanza la máxima fosforilación en el hígado a los 30 segundos de la administración de insulina. Por el contrario, la activación de SREBP1c ocurre más tarde y requiere mayor dosis de insulina.

   El descubrimiento que la insulina causa la exclusión nuclear de FOXO dependiente de AKT desvió la atención sobre la señal insulina  de la membrana al núcleo. Este mecanismo no es único de FOXO ni unidireccional. La translocación del SREBP1c maduro al núcleo es un ejemplo. Otro ejemplo es el CRTC2, el cual es fosforilado por la SIKC2, un sustrato  de la AKT. La localización subcelular de FOXO es regulada por otras rutas de señalización que funcionan en conjunto con la insulina para promover la exclusión nuclear de FOXO, o contrarrestarlo. El ayuno, el glucagón y otras rutas activadas por el estrés promueven la importación de FOXO en el núcleo a partir del citoplama. El estrés oxidativo causa la desacetilación  de FOXO, lo cual promueve la su retención nuclear y activación, pero también promueve su degradación. Por otra parte, la acetilación sensibiliza al FOXO a la fosforilación inducida por insulina mientras incrementa la estabilidad. Estas modificaciones influyen en la actividad de FOXO en múltiples tipos de células incluyendo células β, hepatocitos, macrófagos y células endoteliales.

   El lisosoma, donde el mTORC1 es activado, ha emergido como un importante sitio de la señal insulina. El mTORC1 es translocado a los lisosomas en respuesta a aminoácidos, un proceso que es mediado por un complejo de proteínas llamado Ragulator. En la membrana del lisosoma, la activación de mTORC1 por RHEB solo procede si la señal insulina también es activada. La coordinación espacial de múltiples proteínas de señalización en el lisosoma es un mecanismo para controlar la activación de  mTORC1 en respuesta a factores hormonales (insulina) y nutricionales (aminoácidos).

   Las membranas de retículo endoplásmico asociadas a mitocondrias (MAM) interactúan físicamente con la mitocondria. Esta yuxtaposición facilita la transferencia de calcio y lípidos entre los dos organelos  y es considerada como un sitio donde rutas de señalización, particularmente las relacionadas con el flujo de calcio, interactúan con rutas del metabolismo  energético y de lípidos. La evidencia reciente sugiere que las MAM son un blanco importante para la señal insulina. AKT y mTORC2, el complejo quinasa responsable de fosforilación de Ser473 de la AKT, están  localizados en las MAM y esta localización es aumentada con la señal insulina al tiempo que contribuye a la regulación de la función de las MAM y el flujo de calcio. La integridad de las MAM contribuye a la señal insulina, pero la sobre abundancia de MAM empeora la señal insulina y el metabolismo de la glucosa. Por otra parte, la acción de la insulina en una célula puede ser influenciada por su posición espacial en el tejido, vía efectos paracrinos o diferencias en el acceso a hormonas y/o nutrientes. Por ejemplo, la infiltración de macrófagos en el tejido adiposo durante la adiposidad, la cual puede iniciar rutas inflamatorias que alteran la señal insulina.  O los hepatocitos que están arreglados en zonas descritas por su proximidad a la vena porta (rica en nutrientes y oxígeno) o la vena central (relativamente privada de nutrientes y oxígeno). Un trabajo reciente reporta que mientras IR, IRS2 y AKT son igualmente distribuidas, el IRS1 es dos veces más abundante en los hepatocitos pericentrales. Esto puede causar que la IRS1 se involucre preferencialmente en rutas glucolíticas y lipogénicas, proporcionando otra capa de especificidad para la regulación coordinada  de rutas metabólicas.

   En conclusión, el mecanismo de acción de la insulina es un tema central de la biología y la medicina. Además de los efectos directos de la insulina sobre las proteínas quinasas  y las enzimas metabólicas, el descubrimiento de mecanismos de transcripción de genes  regulados por insulina, ha provocado una revisión de los principios generales de la acción de la insulina.  

Fuente: Haeusler RA et al. (2018) Biochemical and celular properties of insulin receptor signalling. Nature Reviews Molecular Cell Biology 19: 31-44.