La importancia de la leptina para la reproducción

La disponibilidad de alimentos es considerada el factor ambiental más importante que influye en la reproducción de los mamíferos. La reproducción saludable requiere una nutrición adecuada para que los eventos de maduración y el desarrollo de los caracteres sexuales secundarios se lleven a cabo en el tiempo apropiado. La nutrición materna es requerida para ciclos reproductivos normales que promuevan el desarrollo de gametos femeninos saludables y preparar a la mujer para el embarazo   y la lactancia. La adecuada nutrición también es importante para la receptividad uterina y para asegurar que el espermatozoide pueda alcanzar un oocito viable. La deficiencia nutricional resulta en reducción de la liberación de hormona luteinizante (LH) en respuesta a la estimulación por hormona liberadora de gonadotropinas (GnRH). En animales, cuando la reproducción ocurre a pesar de la privación nutricional, las consecuencias iniciales son una reducción en el número y/o tamaño de las crías. La deficiencia nutricional severa inhibe la reproducción y la supervivencia inmediata del animal se vuelve prioritaria sobre la reproducción.

   Para responder a los retos nutricionales, las señales metabólicas llevan información al eje hipotálamo-hipófisis-gónada (HHG) sobre el estatus energético. Una de las señales más poderosas es la leptina, el producto de 167 aminoácidos del gen Lep (anteriormente conocido como ob) aislado en 1994 por Zhang y colaboradores. La leptina tiene la distinción de ser el único biomarcador conocido de adiposidad y sus niveles circulantes están en proporción lineal con la masa grasa. El primer rol reconocido de la leptina fue enviar una señal de retroalimentación negativa al cerebro cuando los depósitos de energía son adecuados, resultando en disminución de la ingesta de alimentos e incremento en el gasto de energía. Sin embargo, los estudios de animales que son deficientes en leptina revelan que la leptina también juega un rol dinámico en la reproducción.

   Los estudios en humanos y roedores han demostrado que la transcripción y secreción de leptina en los adipocitos puede ser estimulada por dexametasona y otros glucocorticoides y agonistas del receptor activado por proliferador de peroxisomas-gamma (PPARγ). La leptina es inhibida por catecolaminas, ácidos grasos libres y hormonas tiroideas. Los estudios de ratas reportan que la glucosa y la insulina son estimuladores. La secreción de leptina por adipocitos de ratas machos es estimulada por señales de nutrientes, incluyendo sustratos glucolíticos (glucosa, fructosa o piruvato). Adicionalmente, el aminoácido L-glutamato estimula la leptina, mientras L-aspartato, L-valina, L-metionina y L-fenilalanina potencian la acción de la glucosa. La L-leucina es estimuladora solamente en presencia de glucosa.

   Estudios en el tejido adiposo de humanos adultos, varones o hembras, reportan que la hormona estimulante de la tiroides (TSH) estimula la leptina regulando directamente a los adipocitos. Sin embargo, esos estudios no reportan estimulación por prolactina, adrenocorticotropina (ACTH), hormona folículo-estimulante (FSH) o LH. Como parte de su función lipolítica, la hormona de crecimiento reduce la expresión del gen Lep y la secreción de leptina en adipocitos de bovino o rata. Con respecto a la regulación por hormonas reproductivas, los niveles aumentados de estradiol se correlacionan con aumentos plasmáticos de leptina en mujeres y roedores hembras y el tratamiento con estrógenos estimula la leptina plasmática. Por el contrario, los andrógenos inhiben la expresión de leptina. El tratamiento con testosterona reduce los niveles de leptina en hombres adultos.

   El receptor de la leptina (LEPR), un producto del gen Lepr y miembro de la familia de receptores citoquina clase I, tiene seis isoformas, las cuales pueden ser expresadas en diferentes proporciones dependiendo del tipo de célula y la especie.  Las isoformas LEPR a,b.c,d,f tienen idénticos dominios extracelular y transmembrana, pero difieren en la longitud del fragmento intracelular. Las isoformas cortas (LEPRa,c,d,f) tienen 30-40 residuos y un C-terminal único, sugiriendo roles idénticos. La isoforma LEPRa es ampliamente expresada y puede facilitar la transferencia de leptina a través de la barrera hematoencefálica. La isoforma LEPRe es soluble, secretada en la circulación sanguínea y puede transportar leptina regulando su biodisponibilidad. El LEPR forma dímeros u oligómeros y puede heterodimerizarse en presencia o ausencia de leptina. Los LEPR están distribuidos intracelularmente en las células que son blancos de la leptina, con solo 10-20% de receptores en la superficie extracelular y el resto de moléculas en retículo endoplásmico, trans-Golgi y endosomas, las cuales están disponibles para reciclar los receptores de la membrana plasmática cuando sea necesario.

   La ruta de señalización de la leptina, activada por la isoforma larga LEPRb, mejor caracterizada es la Janus quinasa (JAK)/señal transductor  y activador de la transcripción (STAT 3 y STAT5). La proteína STAT5 ha sido implicada en la competencia reproductiva. Sin embargo, la ablación de  STAT5 y/o STAT3 en las células que expresan LEPR resulta en inicio normal de la pubertad, ciclicidad y fertilidad, sugiriendo que las células del eje HHG procesan la señal leptina a través de múltiples rutas de señalización. Estas rutas de señalización de la leptina involucran a la proteína quinasa activada por mitogeno (MAPK)/quinasa regulada por señal extracelular (ERK) ½, a la fosfoinositol 3 quinasa (PI3K), al blanco de rapamicina de mamíferos (mTOR) y/o óxido nítrico (NO).

   La leptina opera en un estrecho rango de concentración y los elevados niveles de leptina, que se observan en la obesidad, a menudo son acompañados por resistencia a la señal leptina. Este evento multifactorial se centra grandemente en  el tráfico y señal del LEPR e involucra inhibición por retroalimentación vía supresor de señal de citoquina 3 (SOCS3), proteína tirosina fosfatasa 1B y T-cell PTP. La expresión de estos reguladores negativos es elevada en el hipotálamo de animales obesos. La alteración de SOCS3 provoca un aumento de las acciones de la leptina y atenuación de la resistencia a la leptina en modelos de obesidad inducida por dieta.

   La producción de leptina, además de los adipocitos, ha sido detectada en numerosos órganos. La variación en los niveles de leptina puede reflejar la secreción diferencial de estos órganos, o una regulación diferencial de los adipocitos. Sin embargo, hasta el presente ninguna función extra-adipocitos de la leptina ha sido reportada. La ablación de leptina de los adipocitos resulta en niveles plasmáticos de leptina indetectables en ratones neonatos y adultos. Por el contrario, los ratones que carecen de leptina solo en las células somatotropas de la hipófisis no muestran disminución en la leptina plasmática. Estos hallazgos puntualizan a los adipocitos como la principal, sino la única, fuente de leptina circulante y son consistentes con la estrecha asociación entre leptina circulante y adiposidad.

   La asociación entre el incremento prepuberal en los depósitos de grasa y el inicio de la pubertad originalmente sirvió de soporte a la hipótesis que la señal leptina es vital para el inicio de la pubertad. Los reportes que la leptina acelera la pubertad sugerían que la leptina podía ser el blanco metabólico primario, pero ante la falta de  correlación entre los niveles plasmáticos prepuberales de leptina y el inicio de la pubertad en roedores o primates normales se descartó esa hipótesis. Sin embargo, hay evidencia de un aumento de leptina durante el tercer trimestre del embarazo en el feto humano o postnatalmente en roedores. Los estudios demuestran que este aumento en la leptina neonatal no coincide con un incremento en la masa grasa y no está relacionado con la regulación del apetito. Durante este período del desarrollo, la leptina no inhibe la ingesta de alimentos y el aumento de la leptina es crítico porque en los ratones con deficiencia de leptina, la restauración de la maduración y el desarrollo por la leptina ocurre solo si es administrada durante el período neonatal. Los estudios puntualizan la importancia de la señal leptina tempranamente en el desarrollo para la función metabólica y reproductiva en el adulto.

   Los estudios que manipulan el pico neonatal de leptina reportan que puede ser alterado por la  nutrición materna deficiente o la administración de antagonistas de la leptina con diversas consecuencias, incluyendo la inadecuada formación de redes hipotalámicas en la alimentación y respuestas metabólicas disfuncionales. La nutrición materna deficiente bloquea el pico neonatal de leptina, lo cual resulta en efectos perjudiciales para la salud metabólica de las crías. La progenie exhibe sensibilidad a una dieta rica en grasas. Los investigadores encontraron que el bloqueo o la alteración del pico neonatal de leptina disminuyen el crecimiento testicular y los niveles de FSH en ratas machos y el crecimiento ovárico y los niveles de FSH en las hembras. El inicio de la pubertad fue retardado en ambos sexos y la cantidad de  folículos ováricos primordiales reducida en las hembras.  Hubo efectos dependientes de sexo sobre el desarrollo de los circuitos hipotalámicos que regulan la reproducción (especialmente la red kisspeptina).

   La señal leptina ha sido implicada como regulador positivo de la pubertad. En monos machos, cuando el tiempo de inicio de la pubertad es definido por los pulsos nocturnos de LH, los estudios demuestran que los niveles nocturnos de leptina aumentan significativamente antes del inicio de la pubertad con un incremento gradual en los niveles de hormona de crecimiento (GH) y factor de crecimiento similar a insulina-1 (IGF-1). Los investigadores sugieren que la leptina estimula el eje GH-IGF-1, el cual a su vez estimula a la GnRH y la LH. La secreción nocturna de leptina también aumenta durante el desarrollo puberal en ratas hembras. Los estudios de secreción de leptina durante el desarrollo postnatal y peripuberal puntualizan la importancia del tiempo y la amplitud nocturnos como mecanismos que usa la leptina para permitir el desarrollo de la competencia reproductiva del adulto.

   En humanos adultos hay notables diferencias de sexo en las concentraciones plasmáticas de leptina comenzando en el período peripuberal. En varones, comenzando a los 10 años de edad hay un declive de leptina plasmática durante la pubertad. Las mujeres con peso normal (índice de masa corporal<30) tienen niveles de leptina promedio de 23,5±1,5 ng/ml con un rango entre 4,7 y 46 ng/ml. Por el contario, en los hombres con peso normal, el promedio es de 9±0,83 ng/ml con un rango de 2,565 a 20,7 ng/ml. Los niveles promedio de leptina en mujeres están cercanos a los niveles de hombres obesos (29±1,5 ng/dl). Esta diferencia se debe a los esteroides sexuales, los estrógenos estimulan la liberación de leptina por los adipocitos mientras los andrógenos inhiben la liberación de leptina. Esta asociación negativa entre leptina y niveles de testosterona en hombres refleja la influencia inhibidora de los andrógenos y explica la reducción peripuberal en la leptina plasmática en los varones.

   En las mujeres, la secreción de leptina no solo es mayor que en los hombres sino que también presenta variaciones cíclicas con un incremento de 14,9 ng/ml en la fase folicular temprana  a 20,4 ng/ml en fase luteal media del ciclo menstrual. Hay también una sincronía entre la leptina nocturna y los pulsos de LH en las mujeres con ciclos menstruales normales. Esta sincronía de la leptina con los pulsos de LH y estradiol se observa mejor en la noche y apoya la hipótesis que la leptina regula las oscilaciones de LH y estradiol. No está claro porque la leptina no se correlaciona con altos niveles de FSH. Por otra parte, es significativo que los niveles de leptina son menores en los ciclos anovulatorios, lo cual puntualiza la necesidad del desarrollo normal de los folículos ováricos para producir estrógenos.

   Las neuronas en el núcleo premamilar ventral (PMV) del hipotálamo forman una ruta estimuladora, mediada por leptina, de las neuronas kisspeptina, las cuales a su vez estimulan las neuronas GnRH. Este hallazgo demuestra la importancia de las neuronas del núcleo PMV como blancos de la leptina para la estimulación de las neuronas kisspeptina en los núcleos anteroventral periventricular (AVPV) y arqueado caudal del hipotálamo y la regulación del desarrollo puberal, los ciclos menstruales y el embarazo. Los neurotransmisores en las neuronas PMV potenciales reguladores de esta regulación mediada por la leptina son: el polipéptido activador de la adenil ciclasa de la hipófisis (PACP), el glutamato y el óxido nítrico. El PACAP regula la ingesta de alimentos y la liberación de gonadotropinas. La leptina normalmente inhibe las neuronas orexigénicas AgRP-NPY-GABAergicas en el núcleo arqueado. Cuando la señal leptina es reducida (por ejemplo, por privación de alimento), estas neuronas inhiben la expresión de kisspeptina  en el AVPV y el núcleo arqueado caudal. Esta acción en última instancia inhibe las neuronas GnRH y modulan la actividad pulsátil de la secreción de gonadotropinas.

   Múltiples estudios in vivo reportan que la leptina modula la expresión y/o secreción de gonadotropinas. Por ejemplo, la administración de leptina restaura la secreción de LH en ratones, ratas y monos en ayuno y normaliza los niveles de hormonas reproductivas en niños prepuberales con deficiencia de leptina, así como también en hombres adultos y mujeres con amenorrea. Los estudios in vitro demuestran que la leptina estimula la secreción de LH. La leptina estimula las células gonadotropas de la hipófisis para producir proteínas GnRHR y mARN de Fshb y activina. La leptina también estimula la traslación de las proteínas GH y GHRHR para apoyar la función de las células somatotropas.

   Diversos estudios demuestran que los ovarios están entre los órganos que contienen los más altos niveles de mARN de Lepr. Los altos niveles de leptina inhiben la secreción de esteroides estimulada por gonadotropinas en una acción conjunta con factores de crecimiento (IGF-1 o factor de crecimiento transformante α (TGF-α)) o insulina. Los altos niveles de leptina también inhiben el crecimiento folicular estimulado por FSH y reducen el número de oocitos ovulados en ratas. En humanos, concentraciones de 50 a 200 ng/ml de leptina también disminuyen el número de folículos y reducen la maduración de oocitos. Sin embargo, los estudios más recientes con modelos in vivo e in vitro y con un rango de dosis de leptina descubrieron efectos bifásicos de la leptina sobre las células blanco en el ovario. Todas las células foliculares del ovario tienen LEPR y los niveles fisiológicos de leptina estimulan células granulosas y tecales y la maduración de oocitos. Los niveles fisiológicos de leptina conjuntamente con factores de crecimiento (IGF-1), GH y FSH, promueven el desarrollo de folículos al estado antral. La leptina, conjuntamente con la LH, también promueve la maduración de oocitos y la ovulación. Los niveles de leptina aumentan en asociación con el aumento de estradiol por los folículos (células granulosas), pues el estradiol estimula la secreción de leptina por los adipocitos. La leptina también actúa con la LH y factores de crecimiento para promover la meiosis del oocito y la formación del cuerpo polar. Entonces, la leptina amplifica las acciones de FSH, LH y GH o IGF-1 sobre la maduración y secreción folicular  y la maduración de oocitos. En ratones, las bajas concentraciones de leptina incrementan la producción de esteroides ováricos estimulada por LH o FSH y las altas concentraciones disminuyen el crecimiento folicular. La leptina también estimula la progresión meiótica de oocitos de bovino en una concentración de 12,5 ng/ml pero inhibe la progresión en 100 ng/ml.

   Los estudios sobre los mecanismos que subyacen las acciones de la leptina en los ovarios muestran efectos bifásicos en la regulación de Lepr, la producción de progesterona y la estimulación de STAT3 y MAPK (en concentración de 3-10 ng/nl). Los estudios in vivo en ratas demuestran que la leptina aumenta la ovulación, incrementa la fosforilación de STAT3, MAPK y disminuye la proteína inhibidora SOCS3. Más ejemplos de acciones bifásicas de la leptina han sido reportados en múltiples especies. En humanos, una baja concentración de leptina (1-10 ng/ml) estimula la secreción de estradiol y progesterona por las células granulosas, mientras una alta concentración de leptina la inhibe. En ratones, 10 ng/ml pero no 100 ng/ml de leptina estimulan la degradación de la vesícula germinal y la aparición del primer cuerpo polar. En los complejos cumulus-oocito de conejos, los niveles fisiológicos de leptina estimulan un incremento en oocitos en  metafase II, acción  que es bloqueada por inhibidores de la ruta JAK/STAT o MAPK.

   El tratamiento con leptina de ratones ob/ob eleva los niveles plasmáticos de FSH, incrementa el peso de testículo y vesícula seminal y la cantidad de espermatozoides. En el hombre, la leptina es estimuladora antes de la pubertad. En monos machos, los niveles plasmáticos de leptina se correlacionan con los pulsos nocturnos de LH en la pubertad. En esencia, en numerosas especies, muchos estudios del desarrollo de la pubertad en machos indican que la leptina es permisiva y estimuladora a nivel de hipotálamo e hipófisis. Los niveles de leptina en hombres adultos normales presumiblemente son limitados por los andrógenos, lo cuales inhiben la secreción de leptina por los adipocitos. Esto es un hecho fortuito porque la leptina inhibe la función testicular si los niveles plasmáticos aumentan por arriba de cierto umbral. Con respecto a las células de Leydig, los estudios demuestran que los altos  niveles de leptina (por ejemplo, en obesidad) inhiben la secreción de testosterona mediada por gonadotropinas. La supresión de testosterona se acompaña con una reducción en androstenediona y un aumento en metabolitos de progesterona y pregnenolona.

   Después de un reporte que demostraba que la leptina circulante pasa la barrera hemato-testicular y pasa a los túbulos seminíferos en ratones, los investigadores estudiaron las acciones de la leptina sobre espermatogonias, espermatocitos y células de Sertoli. Un reporte demuestra que la leptina altera el desarrollo de los espermatozoides y los elementos de la barrera hemato-testicular (reduce las proteínas de las uniones estrechas: ocludina, claudina 5 y zónula occudins-1) en ratones. Las acciones sobre las proteínas de las uniones estrechas también puntualizan las interacciones de la leptina con las células de Sertoli, las cuales forman las uniones estrechas y la barrera hemato-testicular. Las células de Sertoli son vitales para el soporte físico y nutricional de la espermatogénesis, produciendo acetato a partir de glucosa. La concentración fisiológica de leptina incrementa las proteínas transportadoras de glucosa, indicando una ruta por la cual la leptina puede mantener la espermatogénesis. Sin embargo, con los niveles de obesidad, la leptina disminuye de una manera dosis dependiente la producción de acetato, sugiriendo que los altos niveles de leptina alteran el soporte nutricional de las células de Sertoli para la espermatogénesis.

   En conclusión, la leptina actúa en un rango de concentración relativamente estrecho: niveles muy altos o muy bajos comprometen la fertilidad. El tiempo de la señal leptina es importante para el desarrollo prepuberal en ambos sexos. En el cerebro, la leptina actúa sobre las neuronas del núcleo PMV, las cuales a través de las neuronas kisspeptina estimulan la liberación de GnRH. La supresión de neuronas kisspeptina ocurre cuando las neuronas AgRP son activadas por reducción de leptina, porque la leptina normalmente suprime la actividad de estas neuronas orexigénicas. En la hipófisis, la leptina estimula la producción de receptores de GnRH y FSH. En las hembras, el aumento de estrógenos estimula un incremento en los niveles plasmáticos de leptina, los cuales alcanza un pico en la mitad del ciclo menstrual en sincronía con los pulsos nocturnos de LH. La leptina, en el rango normal de niveles plasmáticos (10-20 ng/ml) conjuntamente con gonadotropinas y factores de crecimiento promueven las funciones de las células granulosas y tecales del ovario y la maduración de oocitos. En varones, el aumento prepuberal de leptina promueve el desarrollo testicular. Sin embargo, una disminución de los niveles de leptina en la pre-pubertad aumenta los niveles de andrógenos que inhiben la secreción de leptina por los adipocitos. En hombres adultos, los niveles de leptina corresponden a 10-50%  de los niveles de las mujeres, pero los altos niveles de leptina inhiben la función testicular. En condiciones de nutrición balanceada la secreción de leptina es regulada en un rango estrecho de concentración que optimiza sus efectos tróficos.

Fuente: Childs GV et al (2021). The importance of leptin to reproduction. Endocrinology 162: 1-18.