Hormona de crecimiento y hemoglobina neuronal en el cerebro

Es conocido que la hormona de crecimiento (HC) y el factor de crecimiento similar a insulina-I (IGF-I) están asociados con los niveles circulantes de hemoglobina (Hb) en salud y estados de enfermedad.  Recientemente, se ha descubierto que la Hb también es expresada localmente en el cerebro, lo cual sugiere que la unión de oxígeno a la Hb puede tener un rol neuroprotector en el cerebro.

   Las hemoglobinas están ampliamente distribuidas en la biosfera y se encuentran en toda clase de organismos, incluyendo procariotes, hongos, plantas y animales. Filogenéticamente, el gen Hb ancestral existe desde antes de la divergencia de plantas y animales. Hay al menos cuatro globinas diferentes en los vertebrados: Hb, mioglobina (Mb), citoglobina (Cigb) y neuroglobina (Ngb). Con respecto al cerebro, es importante notar que la Hb neuronal (nHb) está presente en paralelo con la Ngb con la cual es estructuralmente diferente, pero muestra 25% de la  secuencia de aminoácidos idéntica. Aunque la presencia de ambas globinas ha sido demostrada, sus cantidades relativas y sus perfiles de expresión solo son parcialmente conocidos. A diferencia de la Hb, la Ngb no responde a la eritropoyetina (EPO). No obstante, la Ngb parece tener funciones neuroprotectoras similares y se correlaciona con los niveles plasmáticos de IGF-I en condiciones de hipoxia-isquemia.

   La Hb de mamíferos es un tetrámero de 574 aminoácidos que consiste en dos subunidades α-globina (Hba; 141 aminoácidos) y dos subunidades β-globina (Hbb; 146 aminoácidos). Cada una de estas subunidades está unida a un grupo heme, asegurando la unión de cuatro grupos oxígeno por tetrámero. El tetrámero forma la HbA (hemoglobina A) en las células rojas sanguíneas y, con un nombre diferente, nHb (hemoglobina neuronal), en el cerebro pero con idéntica estructura. El grupo heme contiene cuatro anillos pirroles, cuyos átomos de nitrógeno  coordinan a un átomo de hierro central que se une débilmente al oxígeno. La principal función de la Hb es transportar oxígeno de los pulmones a otros tejidos en el cuerpo en intercambio con dióxido de carbono, el cual es  transportado a los pulmones. El oxígeno molecular, O₂, es esencial para la respiración celular en los organismos aeróbicos. La respiración aeróbica tiene lugar en las mitocondrias de las células y requiere oxígeno para crear adenosina trifosfato (ATP), el cual proporciona la energía para numerosos procesos en las células vivas. Sin embargo, la Hb también funciona como una enzima redox con capacidad para unirse al peróxido de hidrogeno (H₂O₂). Adicionalmente, la nHb puede jugar un rol protector contra el estrés oxidativo y el estrés nitrosativo  a través de la unión a óxido nítrico (NO), el mayor ligando conocido del hierro heme ferroso de la  Hb con una afinidad aproximadamente 500 000 veces mayor que la del oxígeno. Aunque el cerebro constituye solamente ~2% del peso corporal, consume ~20% del oxígeno en el cuerpo en reposo, lo cual demuestra la alta demanda de energía del cerebro. Por tanto, no es sorprendente que la Hb sea expresada localmente en el cerebro, donde se le atribuyen numerosas funciones.

   La presencia de transcriptos específicos de Hb en el cerebro es materia de controversia, pues la contaminación por sangre puede causar la falsa detección de la expresión de  Hb en el cerebro.  Esencialmente, las células rojas sanguíneas residuales en el cerebro podrían provocar la detección de mARN o proteína Hb, lo cual podría ser erróneamente considerado de origen parenquimal (no eritroide), especialmente en tejidos donde los capilares son dañados y las células rojas se encuentran dispersas en el parénquima. Esto es especialmente problemático en el caso de las proteínas Hb en el cerebro, lo cual probablemente sea atribuido mayoritariamente a células rojas sanguíneas. Sin embargo, dado que los eritrocitos maduros circulantes no expresan transcriptos mARN después del estadio de reticulocito y al hecho que los reticulocitos constituyen solo aproximadamente 1% de las células rojas sanguíneas, aun en cerebros no perfundidos, la presencia de transcriptos Hb en homogenizados de cerebro sugiere que son de origen parenquimal. El problema metodológico de contaminación de células rojas sanguíneas es prácticamente eliminado en estudios con cerebros perfundidos con solución salina, resultando en mínimas cantidades de células rojas sanguíneas residuales. Si la nHb cerebral local constituye solo 1-5% de la Hb total en el cerebro vivo, podría también tener relevancia para la respuesta hemodinámica en los estudios de imágenes funcionales, los cuales miden las concentraciones de oxi y deoxi Hb, indirectamente (señal fMRI-BOLD) o directamente (señal fNTRS).

   La Hb ha sido identificada en cerebro de roedores y humanos y es expresada en neuronas de cerebros jóvenes y adultos. Específicamente, la Hb es expresada en neuronas dopaminérgicas (DA) y, en menor extensión, en astrocitos y oligodendrocitos maduros de corteza cerebral e hipocampo. Más aún, in vivo, la expresión de las proteínas Hba y Hbb neuronales es co-localizada en neuronas dopaminérgicas de ratón, indicando que en la mayoría de los casos la estructura Hb tetramérica está intacta en el cerebro. Entonces la nHb probablemente ejerce actividades bioquímicas y funciones biológicas similares a las asociadas con sus roles  en las células eritroides. Esto ha sido demostrado en células DA de ratón, lo cual sugiere que la Hb expresada en el cerebro actúa como reservorio funcional de oxígeno en condiciones de anoxia e hipoxia. Por otra parte, en neuronas piramidales corticales, se ha visto que la expresión de Hbb interactúa con proteínas mitocondriales como ATP sintetasa y ADP/ATP translocasa. Estas interacciones sugieren que la Hbb está asociada con la energética mitocondrial. Más aún, la nHb en niveles normales actúa como sensor del estatus energético en las neuronas. En asociación con la concentración de ATP y la actividad mTOR, la nHb regula las respuestas neuroquímicas al estrés, la autofagia, los cambios epigenéticos y la neurotransmisión de las células DA. Adicionalmente, la sobre expresión de nHbb incrementa el nivel de H3K4me3, un marcador de histonas que regula la expresión de los genes de la fosforilación oxidativa, lo cual está de acuerdo con el hallazgo que la nHb puede regular el epigenoma de neuronas expuestas al estrés. Está claramente establecido que la Hb es expresada localmente en el cerebro, donde actúa como almacenamiento de oxígeno y está involucrada en la función mitocondrial.

   La HC es un polipéptido de 191 aminoácidos, sintetizado y secretado por células somatotrópicas de la hipófisis, que estimula el crecimiento celular, la reproducción y la regeneración. Está bien establecido que la HC promueve el metabolismo y el crecimiento postnatal. La secreción de HC es regulada por la liberación balanceada de dos péptidos hipotalámicos: hormona liberadora de hormona de crecimiento (GHRH) y hormona inhibidora de hormona de crecimiento (GHIH o somatostatina). Estos péptidos a su vez son influenciados por muchos estimuladores fisiológicos (por ejemplo, ejercicio físico, nutrición, sueño) e inhibidores (por ejemplo, ácidos grasos libres). La HC puede actuar directamente sobre los tejidos, aunque muchos de sus efectos son mediados por el IGF-I, el cual es un polipéptido de 70 aminoácidos sintetizado primariamente en el hígado. Más aún, el IGF-I circulante afecta los niveles de HC a través de un asa de retroalimentación negativa formada por el eje hipotálamo-hipófisis y el hígado. Los niveles de secreción de HC e IGF-I son más altos durante la adolescencia y luego disminuye de una manera relacionada con la edad.

   La HC ejerce sus acciones vía receptor de HC (HCR), el cual es expresado virtualmente en todos los tejidos del cuerpo, incluyendo el cerebro. La HC de la circulación sanguínea cruza la barrera hematoencefálica (BHE) principalmente a través de un proceso de difusión pasiva y se une al HCR, el cual es expresado por neuronas y células gliales. La dimerización del HCR, el cual pertenece a la familia de receptores citoquina tipo I, resulta en la activación de la Janus quinasa 2 (JAK2) y de quinasas de la familia Src. La activación de la JAK2 inicia la fosforilación de tirosinas del transductor de señal y activador de transcripción 5 (STAT5), el factor de transcripción clave para la HC. Esto resulta en la activación o represión de múltiples genes, incluyendo la estimulación de la transcripción de IGF-I en el hígado. El receptor de la EPO (EPOR) muestra homología con el HCR y también provoca la activación de la ruta de señalización JAK2/STAT5. Está demostrado que la HC induce la expresión de STAT5 en  neuronas, lo cual es de interés con respecto a la síntesis de Hb. Por otra parte, la activación de STAT5 puede manejar de manera independiente la eritropoyesis y la mielopoyesis, in vitro e in vivo, en ausencia de la señal EPO vía EPOR o JAK2. Experimentos recientes revelan correlaciones positivas entre activación JAK2/STAT5 y expresión de Hb. Por tanto, STAT5 parece ser un enlace entre la HC y la síntesis de las porciones heme de la Hb, la cual tiene lugar en las mitocondrias. Entonces, la HC parece actuar a través de su factor de transcripción clave STAT5 para aumentar la expresión de nHB.

   El IGF-I actúa a través del receptor IGF-1R, el cual es una glucoproteína heterotetramérica que pertenece a la familia de receptores tirosina quinasa. La señalización resultante de la activación del IGF-IR incluye rutas como PI3K/AKT/mTOR y RAS-RAF-MAP. Además de la producción de IGF-1 inducida por la HC en el hígado, la cual constituye aproximadamente 75% del IGF-I circulante, el IGF-I también es producido localmente en  tejidos como la placa de crecimiento de los huesos, músculo esquelético, músculo cardiaco y cerebro.

   El IGF-I expresado localmente y el IGF-I circulante afectan varias funciones cerebrales, probablemente con superposición y actividades complementarias. El IGF-I circulante también es mediador de algunos efectos de la HC circulante en el cerebro. Una evidencia de esto es el robusto incremento en mARN IGF-I en varias regiones del cerebro 8 horas después de la administración sistémica de HC. Esto es posible porque el IGF-I cruza la BHE por al menos tres diferentes sistemas de transporte: (1) captación mediada por transportador a través de las paredes endoteliales; (2) el clásico receptor endocítico proteína relacionada con el receptor de lipoproteína de baja densidad 1 (LRP1), el cual puede ser disparado por la activación neuronal; (3) el receptor megalina/LRP2 en el plexo coroideo. Una de las acciones más importante del IGF-I circulante es la neuroprotección. Por ejemplo, en el cerebro de ratas que han sufrido isquemia, el IGF-I incrementa la supervivencia neuronal a través de IGF-IR, mejorando las funciones neurológicas. Si bien el IGF-I circulante es importante, hay algunas indicaciones que el IGF-I expresado localmente en el cerebro es independiente de la HC periférica, al menos en algunas situaciones como envejecimiento y deficiencia de HC inducida por hipofisectomía. En el cerebro, el IGF-I local está sometido a una compleja regulación, lo cual en alguna extensión contrasta con el proceso de la señal IGF-I periférica en el cuerpo. Por ejemplo, ratones Ames, los cuales tienen una deficiencia primaria en relación con la secreción de HC y por tanto niveles circulantes bajos de HC e IGF-I, muestran altos niveles de IGF-I en el hipocampo. Por tanto, aunque la señal IGF-I periférica disminuye con el envejecimiento, la señal IGF-I específica del cerebro no necesariamente disminuye. Los efectos opuestos de la señal IGF-I periférica y local cerebral han sido demostrados con respecto al metabolismo de la glucosa, un alto nivel de IGF-I periférico provoca la acumulación de especies reactivas de oxígeno (ROS) y estrés oxidativo mientras un alto nivel de IGF-I en el cerebro promueve renovación y reparación.

   La ruta de señalización del IGF-I interactúa con la ruta de la señal EPO para la neuroprotección y la regulación de Hb. Específicamente, el IGF-IR y el EPOR interactúan con la AKT, la cual fosforila a los factores de transcripción  GATA-1 y FOG-1 que juegan un rol central en la coordinación de la proliferación y diferenciación eritroide. Más aún, el IGF-I actúa a través de la ruta PI3K/AKT/mTOR, donde el mTOR juega roles claves en la identificación de señales nutricionales y en la promoción de crecimiento celular, supervivencia celular, proliferación celular y reparación de daño celular. Adicionalmente, la ruta PI3K/AKT/mTOR es conocida por inducir la expresión del factor inducido por hipoxia-1α (HIF-1α), el cual es un factor de transcripción que actúa sobre las células endoteliales, entre otros tipos de células, y regula el aporte de oxígeno a las células asegurando un balance entre demanda y aporte de oxígeno. Entonces, hay considerable evidencia que el IGF-I está involucrado en la regulación de Hb, posiblemente  a través de la interacción con la ruta de señalización PI3K/AKT/mTOR y los factores de transcripción GATA-1 y HIF-1α.

   Está bien establecido que el nivel circulante de Hb es regulado principalmente por la EPO. Más aún, es sabido desde hace bastante tiempo que la HC y/o el IGF-I, en parte independientemente de la EPO, afectan en alguna extensión la cantidad de Hb sanguínea. Por ejemplo, en niños que reciben terapia de reemplazo con HC por deficiencia de la hormona, el nivel de Hb aumenta y hay una correlación positiva entre las concentraciones sanguíneas de IGF-I y Hb. Este efecto de la HC en los niños con deficiencia de HC parece ser específico para la eritropoyesis pues no se observan efectos de la HC sobre las células blancas sanguíneas y las plaquetas. En hombres adultos jóvenes sanos, la administración de un análogo de la GHRH de larga acción induce un incremento en la proteína Hbb correspondiente a 7-10 unidades de Hb. Más aún, HC y/o IGF-I han sido reportados asociados con Hb en sujetos adultos mayores. El incremento en Hb por administración de HC puede ser explicado por efectos estimuladores directos de la HC o el IGF-I sobre las células eritroides, en combinación con un efecto indirecto más generalizado de la HC que facilita la actividad física a través de un incremento en el rendimiento muscular y el bienestar, los cuales a su vez aumentan la salud general y la producción de Hb. Conceptualmente esto puede ser mediado por el efecto anabólico general de la HC que estimula el metabolismo de proteínas y grasas, el cual a su vez requiere incrementos en el transporte de oxígeno y los niveles de Hb.

   El IGF-I puede estimular la eritropoyesis in vivo independientemente de la HC, lo cual significa que indirectamente el IGF-I también puede mediar  los efectos de la HC sobre la síntesis de EPO, la eritropoyesis y la regulación de Hb. En comparación con la EPO, el efecto del IGF-I es menos prominente. Más aún, el IGF-I es un factor que coordina la formación de células rojas sanguíneas con el crecimiento de los órganos y el cuerpo, y esto podría servir para adaptar la masa de células rojas sanguíneas a la masa corporal total. Una publicación reciente calcula que un incremento de 100 unidades de IGF-I (ng/ml) sanguíneo está asociado con un incremento de 4,0 unidades de Hb (g/L)  en hombres y 7,5 unidades en mujeres. Es de hacer notar  que una concentración de 100 ng/ml de IGF es menor que el nivel promedio de IGF-I sanguíneo en hombres y mujeres de mediana edad que está en el rango de 125-200 ng/ml. Estos hallazgos indican efectos endocrinos  moderados de la HC y el IGF-I sobre la Hb circulante.

   Dado que la HC y el IGF-I estimulan la Hb circulante, es concebible que también puedan afectar la expresión local de Hb en el cerebro, aunque la cantidad de Hb inducida puede ser diferente. En años recientes, esta posibilidad ha sido examinada desde varias perspectivas en estudios experimentales. Por ejemplo, el reemplazo de HC en ratas con deficiencia de HC/IGF-I aumenta robustamente los niveles de transcripción de Hba y Hbb en el hipocampo. Los autores del estudio sugieren que esto indica un mecanismo a través del cual el IGF-I regula la función vascular disminuyendo el estrés oxidativo en el cerebro y proponen que estos efectos son mediados por la Hb y otras globinas. La noción que la HC y/o el IGF-I actúan sobre la Hbb cerebral es apoyada por experimentos en los cuales se observa una disminución sustancial en los niveles de transcripto Hbb en hipocampo y corteza cerebral cuando se compara ratas hipofisectomizadas con ratas intactas, un efecto que se observa en ratas machos y hembras. Más aún, la administración de HC por seis días a ratas hembras y machos hipofisectomizadas incrementa el número de transcriptos Hbb en el cerebro. En humanos, también disminuye el nivel plasmático de Hbb con la cirugía de la hipófisis. La regulación de los niveles de mARN de Alas2 y Alox15 por la HC representa un nuevo blanco de acción para esta hormona pues ambas están relacionadas con el metabolismo aeróbico. Específicamente, Alas2, la cual es expresada en las mitocondrias de células de la médula ósea y células rojas sanguíneas y, en menor extensión, en el cerebro, aumenta por oxigenación del tejido. Alox15, la cual es expresada en las mitocondrias de células pulmonares y adipocitos, también es expresada en el cerebro y regula el tono vascular, el flujo sanguíneo local y la presión sanguínea. Además de los experimentos con administración de HC, el tratamiento con IGF-I ha demostrado que también puede incrementar los niveles de expresión de Hbb, Alas2 y Alox15.

   Los efectos de la HC y el IGF-I sobre la expresión local de Hbb en el cerebro pueden ser análogos a los efectos endocrinos sobre el metabolismo general, los cuales a su vez afectan la demanda de oxígeno y, por tanto, la tasa de eritropoyesis. Con base en estos hallazgos, la tasa metabólica basal puede ser disminuida después de la hipofisectomía, con la HC restaurando el metabolismo basal y el consumo de oxígeno y, por consiguiente, la capacidad neuronal de unión de oxígeno y los niveles de transcriptos. Esta idea es apoyada por un estudio que demuestra que  los ratones transgénicos con HC bovina exhiben un incremento en la tasa metabólica basal. Entonces, hay evidencia que la HC y el IGF-I, independientemente de la EPO, pueden aumentar el nivel de Hb sistemáticamente y localmente en el  cerebro, especialmente en casos de deficiencia de HC.

   En contraste con la expresión intracelular de Hb, la Hb extracelular es altamente tóxica para el cerebro y constituye un mecanismo de daño después de isquemia y más profundamente después de hemorragia. Específicamente, in vitro,  la Hb libre induce la muerte dependiente de concentración de las neuronas neocorticales de rata. Más aún, in vivo, las inyecciones intracerebrales  en ratas de Hb libre, o sus productos de degradación, incluyendo al heme, inducen daño cerebral.  Los mecanismos exactos son desconocidos, pero aparentemente la Hb extracelular contribuye al estrés oxidativo y a la acumulación de hierro en las neuronas, resultando en un ciclo perjudicial de degradación de heme, desnaturalización de Hb y, con el tiempo, neurodegeneración. Entonces, la Hb libre extracelular activa rutas celulares perjudiciales mientras la Hb intracelular es primariamente protectora.

   En conclusión, la HC y el IGF-I son determinantes significativos de las concentraciones de Hb, adaptando los niveles locales de nHb en el cerebro y los niveles circulantes de Hb a la demanda de oxígeno como parte de los efectos neuroprotectores ejercidos por la HC y el IGF-I. Mientras la Hb circulante originada a partir de hemorragia cerebral u otras condiciones es tóxica, hay una sustancial producción de nHb, la cual es influencia por condiciones como la isquemia y regulada por la HC y el IGF-I. La conexión entre HC y Hb puede estar relacionada con  STAT5, y para IGF-I y Hb la conexión es mediada por la ruta PI3K/AKT/mTOR. En general, los niveles de HC e IGF-I en el rango normal son óptimos para el metabolismo de oxígeno y hierro y para la mitocondria, lo cual es beneficioso para el cerebro. Con la edad o por otras razones los niveles de HC e IGF-I disminuyen y el metabolismo se deteriora provocando bajos niveles de nHb. Esto tiene efectos adversos sobre las enfermedades cerebrales degenerativas.

Fuente: Walser M et al (2021). Growth hormone and neuronal hemoglobin in the brain-roles in neuroprotection and neurodegenerative diseases. Frontiers in Endocrinology 11: 606089.