Mecanismo de liberación pulsátil de GnRH

La hormona liberadora de gonadotropinas (GnRH) es un decapéptido  aislado de hipotálamo de cerdo y oveja a inicios de la década  de los años 70. En esos años, un grupo de investigadores reportó que la liberación de hormona luteinizante (LH) por la hipófisis anterior ocurre de una manera pulsátil. Posteriormente, el mismo grupo de investigadores, reportó que la administración pulsátil de GnRH en monas con hipotálamo basal lesionado o con hipotálamo inmaduro puede mantener la función reproductiva normal e iniciar la pubertad. Otro grupo de investigadores demostró que el incremento en la frecuencia y la amplitud de la liberación de GnRH por el hipotálamo como consecuencia de la acción de retroalimentación del estradiol también es importante para la función reproductiva. Desde entonces, el mecanismo por el cual es generada la liberación pulsátil de GnRH es uno de los tópicos más fascinantes de la neuroendocrinología reproductiva. La actividad osciladora de múltiples neuronas sincronizadas periódicamente no es rara en el cerebro. Sin embargo, el intervalo de la liberación osciladora de GnRH,  del orden de horas, es mucho más largo que otras oscilaciones cerebrales, como las oscilaciones detectadas por electroencefalograma o resonancia tálamo-cortical que ocurren en el orden de milisegundos a segundos. La actividad osciladora entre múltiples neuronas requiere conexiones célula-célula, pero las neuronas GnRH de los mamíferos están dispersas en el área preóptica y el hipotálamo basal. Entonces,  ¿Cómo se comunican unas con otras las neuronas GnRH? ¿Hay alguna fuente que maneje la oscilación neuronal GnRH?  ¿Cómo modulan los esteroides gonadales los osciladores neuronales GnRH?

   Una serie de estudios indica que la liberación pulsátil de GnRH por el hipotálamo maneja la liberación pulsátil de LH y hormona estimulante del folículo (FSH) en monos. Por otra parte,  los estudios de desaferentación del hipotálamo medio basal (HMB) y lesiones discretas en el hipotálamo han identificado que la liberación pulsátil de GnRH requiere la presencia del HMB, más específicamente, el núcleo arqueado (ARC), en ratas, monos y ovejas. La liberación pulsátil de GnRH requiere la maduración completa de las neuronas GnRH.  Las neuronas del ARC generan actividad periódica con una frecuencia similar a la observada en la liberación GnRH/LH. Las neuronas GnRH de primates y roedores también exhiben oscilaciones sincronizadas periódicamente del calcio intracelular e incrementan su actividad de descarga o actividad osciladora de calcio en respuesta a estradiol, ATP y kisspeptina. Aunque la señal de calcio intracelular sincronizada periódicamente  en las neuronas GnRH ocurre con intervalos de aproximadamente 60 minutos en estudios in vitro, algunos estudios reportan su asociación con la liberación de GnRH.

   Los pulsos de neuropéptido Y (NPY), noradrenalina (NA) y kisspeptina tienen una alta incidencia de sincronización con los pulsos de GnRH. El NPY es uno de los primeros péptidos conocidos como moduladores de la liberación GnRH/LH. Los primeros estudios reportaron que la infusión de NPY en la eminencia media (EM) estimula la liberación de GnRH de una manera  dependiente de dosis en monas rhesus adultas ovarectomizadas (OVX). Estudios posteriores reportan que la infusión de un anticuerpo NPY en la EM suprime los pulsos de GnRH de una manera dependiente de dosis en hembras OVX. Sobre la base de estos hallazgos se especuló que la liberación de NPY podría ser pulsátil y correlacionada con la liberación de GnRH, lo cual fue confirmado en muestras tomadas en la EM con intervalos de 10 minutos. Es decir, la liberación de NPY es pulsátil y los picos de NPY ocurren con los picos de GnRH, o 10 minutos antes que los picos de GnRH. Los cálculos subsiguientes indican que en promedio el pico de NPY ocurre 5 minutos antes que los picos de GnRH, los cuales son seguidos por picos de LH con un retardo de 5 minutos. Por tanto, el pulso de NPY es necesario para la pulsatilidad de la liberación de GnRH. En efecto, la señalización por pulsos de  NPY a las neuronas GnRH parece ser bastante importante en la interfase entre balance energético y función reproductiva. Las neuronas NPY son reguladas negativa y positivamente por la leptina del tejido adiposo y la grelina del estómago, respectivamente. 

   Las observaciones en diversos estudios indican la presencia de dos estratos de mecanismos para la coincidencia en la  generación de pulsos de GnRH y NPY. El primer estrato consiste en una fuente generadora de pulsos que está directa o indirectamente conectada con las neuronas GnRH y NPY y determina la frecuencia de pulsos. Esta estructura puede ser sensible a esteroides gonadales que aceleran simultáneamente la frecuencia de pulsos de GnRH y NPY. La naturaleza y los sustratos neuronales de esta estructura aún no han sido identificados. El segundo estrato consiste en neuronas kisspeptinas que expresan receptor de estrógenos alfa (ERα), a través del cual la acción del estradiol (y talvez la acción de la progesterona a través de receptores de progesterona) es transducida a las neuronas GnRH con una gran amplificación. Por otra parte, hay una confusión en la literatura sobre si el NPY es estimulador o inhibidor de la liberación de GnRH/LH. Sin embargo, conviene tener en cuenta que las neuronas GnRH expresan receptores inhibidores Y1 así como también receptores estimuladores Y4, por lo que  dependiendo del subtipo de receptor de NPY activado, las neuronas GnRH podrían ser inhibidas o estimuladas.

   Dopamina, NA y adrenalina (A) fueron los primeros neurotransmisores reportados que modifican la liberación de LH. La señal NA/A, a través de receptores adrenérgicos α1, altera la pulsatilidad de GnRH y LH y la actividad generadora del pulso de GnRH. La liberación de NA es pulsátil y cada pulso de GnRH se correlaciona con un pulso de NA. La frecuencia de NA es de dos pulsos por hora, mientras la frecuencia de GnRH es de un pulso por hora. Incrementos periódicos en  NA circulante en intervalos de aproximadamente 90 minutos han sido reportados en monos rhesus. La dopamina y sus metabolitos no se correlacionan consistentemente con los pulsos de GnRH.

   El descubrimiento que mutaciones genéticas en el  receptor de kisspeptina, KISS1R (GPR54), y su ligando kisspeptina resultan en pubertad retardada e infertilidad en humanos y ratones y el hallazgo posterior que las mutaciones en los genes que codifican a la neurokinina B (NKB) y su receptor NK3R inducen hipogonadismo hipogonadotrópico han sido de gran importancia en el conocimiento de la regulación de la liberación de GnRH. La presencia de neuronas kisspeptina y sus receptores en el hipotálamo es esencial para la pulsatilidad de GnRH. La ausencia de KISS1R en humanos y las lesiones de Kiss o Kiss1r en ratones, resulta en la ausencia de la liberación pulsátil de LH. La activación de neuronas kisspeptina en el ARC del hipotálamo es necesaria y suficiente para la generación de pulsos de LH (y presumiblemente de GnRH). Una conclusión similar reportan los estudios con neuronas kisspeptina en el ARC y neuronas GnRH en el área preóptica. Por tanto, un grupo de neuronas kisspeptina representa la más prominente maquinaria responsable de la generación de pulso de GnRH. Por otra parte, debido a que el 100% de neuronas kisspeptina en el ARC co-expresan NKB y dinorfina en varias especies incluyendo roedores y rumiantes, el concepto de células KNDy (Kisspeptina-KNB-Dinorfina) es importante para la pulsatilidad GnRH. Sin embargo, la co-localización de kisspeptina con NKB y dinorfina en las mismas neuronas del ARC puede no ser esencial para postular que estos tres neuropéptidos están involucrados en la generación del pulso de GnRH. En primates, la co-localización de estos tres neuropéptidos es menos del 100% y los tres tipos de neuronas pueden formar una red funcional en el HMB. En efecto, la pulsatilidad puede ser modificada a nivel del neuroterminal en la EM. Por otra parte, la señal kisspeptina y NKB subyace a los cambios maduracionales con un curso de tiempo bastante diferente, lo cual hace que la aplicación del concepto “señal kisspeptina y NKB en una simple célula” no sea fácil de aplicar. Es posible que durante el proceso maduracional, la ausencia de neuronas NKB sea compensada por otro mecanismo. Los hallazgos de diversos estudios claramente sugieren que la pulsatilidad GnRH puede ocurrir en ausencia de neuronas NKB.

   Hay evidencia que el mecanismo que gobierna la liberación pulsátil de GnRH no es completamente independiente de la actividad en el resto del cerebro. (1) Está demostrado que durante la pubertad en humanos el sueño de ondas lentas (profundo) está asociado con el inicio de los pulsos de LH. Más aún, la fragmentación del sueño profundo por estímulos auditivos en niños puberales no influye en la relación entre sueño de ondas lentas e inicio de pulsos LH, indicando que hay un mecanismo común entre generación de pulso LH y ritmo del sueño. (2) En ovejas OVX, los pulsos de LH se correlacionan altamente con los ciclos actividad-reposo. La relación temporal entre ritmos de actividad motora  y niveles plasmáticos de LH, examinada con análisis  espectral,  indica que fluctúan en intervalos de 36 minutos aproximadamente y la ocurrencia de ritmicidad para LH y para actividad motora es altamente correlacionada.

   La sincronización de los pulsos de GnRH con kisspeptina, NPY y NA ha sido observada en un área restringida de la EM. Debido a que en el hipotálamo de primates un pequeño número de neuropericarios de GnRH, kisspeptina y NPY está presente en la EM no se puede excluir una contribución de los cuerpos celulares. Es bastante probable que las neurofibras GnRH en la EM liberen el decapéptido de manera pulsátil.  La evidencia acumulada indica que en monos no solo los neuroterminales y los cuerpos celulares, sino también las dendritas de las neuronas GnRH están equipadas para llevar a cabo la neurosecreción de GnRH. Más aún, las fibras terminales de GnRH en la EM han sido llamadas “Dendrón” porque poseen la propiedad dual de dendritas que reciben una cantidad sustancial de inervación sináptica y axones que conducen potenciales de acción. Por otra parte, está consistentemente demostrado que la liberación pulsátil de GnRH es modificada por la aplicación local de agonistas y antagonistas de neuromoduladores/neurotransmisores, como NPY, kisspeptina, NKB, GABA, glutamato y NA.

   En conclusión, la pulsatilidad de la liberación de GnRH es esencial para la reproducción. Los eventos claves de la función reproductiva, como el inicio de la pubertad y los ciclos ovulatorios, son regulados por la liberación pulsátil de GnRH. Los patrones anormales de pulsatilidad GnRH están asociados con enfermedades como síndrome de ovarios poliquísticos y anorexia nervosa. Los estudios recientes con experimentos fisiológicos, optogenéticos y electrofisiológicos  indican que un grupo de neuronas kisspeptina en el ARC del hipotálamo es responsable de la liberación pulsátil de GnRH. Por tanto, el grupo de  neuronas kisspeptina en el ARC ha sido llamado “generador de pulso GnRH”. Sin embargo, hay varios fenómenos donde puede ser prematuro llamar a las neuronas kisspeptina “generador de pulso”.

Fuente: Terasawa E (2019). Mechanism of pulsatil GnRH release in primates: unresolved questions. Molecular and Cellular  Endocrinology 498: 110578.