Regulación metabólica de HIF en el hipotálamo

El sistema nervioso central (SNC) recibe muchas señales periféricas, incluyendo nutrientes, hormonas y aferentes vagales gástricas que transmiten e integran información energética periférica a través de una compleja red neural, regulando órganos periféricos como tejido adiposo mediante la ruta nervio-liquido corporal. El hipotálamo, una parte del SNC, contiene núcleos esenciales que funcionan como células neuroendocrinas. Es un regulador clave de la homeostasis metabólica sistémica porque puede combinar información nutricional con señales hormonales para regular la ingesta de alimentos y el metabolismo periférico de acuerdo a la utilización de energía. Glucosa, leptina, insulina y orexinas juegan un rol esencial en el cerebro, especialmente en el hipotálamo. Estas señales afectan la capacidad metabólica o la excitabilidad de las neuronas hipotalámicas, regulando, al cuerpo entero a través del hipotálamo.

   El metabolismo de las neuronas está relacionado con la disponibilidad de oxígeno. Diferentes concentraciones de oxígeno pueden provocar alteraciones metabólicas. El factor inducible por hipoxia (HIF) es un factor de transcripción que responde a la hipoxia e induce o suprime genes. El HIF es un dímero que consiste de una subunidad α estable y una subunidad β expresada constitutivamente. Hay tres subtipos de HIF-α, llamados HIF-1α, HIF-2α y HIF-3α, de los cuales los más estudiados son HIF-1α y HIF-2α. Ambos HIF tienen una estructura similar y son expresados en el cerebro, pero el HIF-2α es más célula-específico. Cuando el oxígeno es suficiente, la ubiquitina ligasa E3 media la unión de la subunidad α  a la ubiquitina y causa su degradación por el proteasoma. Además, el dominio prolil hidroxilasa (PHD) puede inhibir al HIF-1α a través de la combinación de degradación e inhibición de la transcripción bajo condiciones de normoxia. Estos dos factores son considerados como los reguladores más comunes de HIF. Sin embargo, muchos factores metabólicos como glucosa y lípidos también afectan la estabilidad y expresión de los HIF. Por ejemplo, la sobre expresión de HIF-1α y HIF-2α incrementan la esteatosis hepática.

   La ablación de HIF-2α específico de intestino puede revertir la obesidad inducida por dieta rica en grasas. En el cáncer, el HIF puede promover el crecimiento, invasión y metástasis de células cancerosas como el cáncer de mama y puede ayudar al cáncer pancreático a metabolizar glucosa en tasas altas que benefician su supervivencia. Sin embargo, el HIF no siempre es un factor perjudicial en el cuerpo humano, es una proteína crucial en el SNC y participa en el control de la homeostasis del metabolismo. La importancia del HIF-1α en la regulación del peso corporal, metabolismo hepático y homeostasis de la glucosa es evidente.

   Los hallazgos de diversos estudios demuestran que el HIF toma parte en la respuesta a la hipoxia y la  inflamación. Adicionalmente, los estudios recientes demuestran que el HIF no solo regula sus células blanco sino también regula las actividades metabólicas de células en otras partes del cuerpo  de una manera indirecta pero profunda. Por ejemplo, el HIF regula el metabolismo de glucosa en el SNC. La glucosa de los alimentos y la glucosa producida por el cuerpo deben ser ajustadas correctamente para mantener el balance. El proceso de  manejo de glucosa de las neuronas hipotalámicas es llamado sensibilidad hipotalámica a la glucosa (HGS). En comparación con la regulación a largo plazo del peso corporal por las hormonas hipotalámicas, la HGS puede regular rápidamente la homeostasis metabólica. 

   La estructura particular del hipotálamo determina la precisión de la HGS. El núcleo arqueado (ARC), localizado en el hipotálamo medial basal,  contiene las más importantes células sensibles a la glucosa. Las neuronas POMC y AgRP están muy cercanas a la eminencia media y en una región sin barrera hematoencefálica (BHE). Esta base estructural facilita la difusión pasiva de líquidos corporales para trasmitir nutrientes y señales energéticas a la red neural cercana al ARC. El ARC puede detectar cambios en el metabolismo energético periférico y trasmitir la información a otras regiones del hipotálamo y el cerebro. El complejo HIF juega un rol esencial en el control hipotalámico de la alimentación dependiente de glucosa.

   Los niveles de glucosa pueden afectar al HIF en el SNC. En el hipotálamo, el HIF puede ser regulado al alza por la glucosa para activar la regulación de la alimentación a través de la sensibilidad a la glucosa. Hay dos rutas, incluyendo el reclutamiento de AMPK y mTOR/S6K para regular la síntesis de HIF-2α y la inhibición de PHD para prevenir la degradación de HIF-2α. Más aún, está demostrado que no solo la glucosa sino también sus metabolitos pueden regular al HIF en el SNC. Por ejemplo, el piruvato inhibe a la PHD para estabilizar el HIF. Adicionalmente, succinato y fumarato regulan al alza el nivel de HIF-2α a través de la inhibición de PHD. A través de estos intermediarios del ciclo de ácidos tricarboxílicos (TCA), el incremento de HIF-2α está involucrado en la HGS. Por otra parte, muchos estudios han demostrado que el HIF puede mediar la actividad de los transportadores GLUT. GLUT1, GLUT2 y GLUT4 son expresados en el cerebro. El GLUT1 existe principalmente en las células endoteliales microvasculares y astrocitos, mientras GLUT2 y GLUT 4 existen principalmente en neuronas. El GLUT1 es el principal transportador de glucosa en el cerebro, responsable de promover el transporte de glucosa a través de la BHE. De acuerdo con la descripción del modelo “neurona sensora”, las neuronas absorben glucosa a través de los GLUT y luego la glucosa es metabolizada en ATP, considerado como un factor que proporciona información sobre la concentración de glucosa. El ATP se une y cierra los canales de potasio dependientes de ATP (K_ATP) ampliamente expresados en neuronas POMC y AgRP, provocando reducción de la salida de potasio y despolarización neuronal. El HIF-1α es un factor de transcripción de GLUT1 y un activador de GLUT4. Hay evidencia que el HIF-1α regula al GLUT4 en el cerebro.

   En general, los niveles altos de glucosa incrementan la expresión de HIF en células sensibles a glucosa, las cuales son también neuronas que controlan el apetito. El aumento de HIF afecta a estas neuronas y reduce la ingesta de glucosa. La sensibilidad a la glucosa de estas neuronas es, al menos parcialmente, debida a la cantidad de GLUT que puede ser regulada por HIF. En astrocitos, el HIF también aumenta los GLUT y provoca más absorción de glucosa, lo cual contribuye a la correcta regulación de la glucosa y reduce los niveles sistémicos  de glucosa. En el proceso de regulación de la glucosa, la ruta de control del apetito no es la única que juega un rol. La HGS, además de ajustar la ingesta de alimentos, también participa en la homeostasis energética activando la secreción de insulina a través del nervio vago. Por ejemplo, los altos niveles de glucosa en el hipotálamo estimulan la secreción de insulina y el almacenamiento de glucógeno, mientras previenen la producción hepática de glucosa.

   Los desórdenes metabólicos a menudo se acompañan de inflamación en el SNC que puede ser causada por infección, dieta rica en grasa e hipoxia con la dieta rica en grasas como la causa más común. Por tanto, la obesidad inducida por dieta rica en grasas en ratones es uno de los modelos más ampliamente usados para estudiar la obesidad en humanos. En términos de inflamación, el factor nuclear kappa B (NF-κB) es una proteína clave y siempre es inducido por dieta rica en grasas. La razón por la cual la dieta rica en grasas induce inflamación es controversial. Una explicación bien conocida es que los ácidos grasos saturados de cadena larga (AGS), los cuales tienen la misma estructura funcional de los lipopolisacáridos  (LPS), son responsables de la unión a TLR4 (un receptor que reconoce patrones moleculares asociados con patógenos). Algunos estudios demuestran que los AGS activan la proliferación de microglias y astrocitos para regular la respuesta inflamatoria. En este proceso, la parte funcional de los LPS que está compuesta por AGS acilados actúa sobre el TLR4 para activar al NF-κB.

   La activación del NF-κB inducida por dieta rica en grasas puede ocurrir en   microglias y neuronas. En las microglias, la activación de la ruta NF-κB provoca el reclutamiento de microglias pro-inflamatorias en el hipotálamo y causa obesidad. En las neuronas, la dieta rica en grasas a través del incremento de NF-κB  causa estrés neuronal y reducción de la sensibilidad a la insulina y la leptina, lo cual a su vez debilita la inhibición del apetito y promueve sobre alimentación e  ingesta de más dieta rica en grasas. Hay al menos dos rutas por las cuales el NF-κB puede activar al HIF. Una es indirecta, en las microglias cuya función principal es comunicarse continuamente con células neurosecretoras en el hipotálamo a través de IL-1β y TNF-α (citoquinas pro-inflamatorias). El sistema IKKβ/NF-κB activado puede regular al  alza a IL-1β y TNF-α, lo cual estabiliza la actividad HIF a través de inhibición de la enzima PHD. Otra ruta es la activación directa de HIF por NF-κB basada en la expresión de  mARN de HIF promovida por el transporte de NF-κB al núcleo. En ausencia del gen NF-κB, el HIF-1α no tiene estabilidad o actividad aunque sea expuesto a factores adversos por largo tiempo.

   En el SNC, las microglias son las principales células que responden a los LPS. La estabilización de HIF-1α puede ser activada por la piruvato quinasa M2 (PKM2), un factor inducido por LPS. Durante la inducción por LPS, el HIF aumenta al mismo tiempo que el NF-κB. En el hipotálamo, la respuesta a la dieta rica en grasas y alta en azúcar es primariamente una rápida regulación al alza de la ruta NF-κB. Hay varios mecanismos específicos por los cuales el HIF previene el daño en el cuerpo causado por la dieta rica en grasas. Por ejemplo, en ratones alimentados con dieta rica en grasas, la inhibición de HIF-1α en el ARC puede resultar en una significativa ganancia de peso y aumento de la capacidad de almacenamiento de energía.

  Las especies reactivas de oxígeno (ROS) son sustancias comunes en las células. La fuente de ROS es la cadena respiratoria mitocondrial. Durante la respiración aeróbica, el oxígeno es localizado en ROS después de reaccionar con electrones. En varios órganos periféricos, las ROS juegan un rol en muchas rutas de señalización. Ellas también tienen una función en la regulación de la ingesta de alimentos, el metabolismo y la secreción de hormonas en el hipotálamo,  afectando diferentes tipos de células como las neuronas POMC y AgRP/NPY. Diferentes factores como adipoquinas (leptina, apelina, etc.) y neurotransmisores pueden afectar la liberación de ROS en el hipotálamo. La liberación de ROS en el SNC está involucrada en el desarrollo de enfermedades como diabetes tipo 2 (DT2).

   En el cerebro, los lípidos, la glucosa y otros nutrientes tienen un mecanismo similar para inducir la producción mitocondrial de ROS en el hipotálamo. Las ROS hipotalámicas pueden reducir la ingesta de alimentos y aumentar la producción de insulina. A través del sistema nervioso parasimpático, la liberación de ROS en el hipotálamo puede inducir un pico de insulina, sin cambios en la glucosa sanguínea periférica. Las ROS juegan un rol específico en las diferentes células nerviosas. La infusión de glucosa en el hipotálamo  ventromedial (HVM), a través de la producción de ROS, atenúa la ingesta de alimentos. En el ARC, la reducción de ROS media la activación de neuronas AgRP/NPY, mientras las ROS median la activación de neuronas POMC. Las ROS aumentan la producción de H₂O₂ que causa despolarización de las neuronas POMC. Más aún, las ROS por si mismas pueden mediar la acción de la leptina y restaurar la función de las neuronas POMC.

   Las ROS también pueden regular al HIF. Las bajas y moderadas concentraciones de ROS ejercen sus funciones, incluyendo la regulación de HIF, regulando cascadas de señalización intracelular.  La tasa de hidroxilación de HIF-α depende parcialmente del nivel de PHD. En presencia de oxígeno, Fe²⁺, 2-oxoglutarato y ácido ascórbico, las enzimas PHD son activas y pueden hidroxilar residuos prolina de la subunidad HIF-α usando α-cetoglutarato y oxígeno molecular como co-sustratos, lo cual provoca la degradación proteasomal de HIF-α bajo condiciones de no-hipoxia. Un rápido incremento de ROS en los primeros minutos de hipoxia ayuda a estabilizar la proteína HIF-α, principalmente a través de la oxidación de  Fe(II) a Fe(III) para promover la inactivación de PHD. El H2O2 es la ROS más efectiva para inhibir la actividad PHD y, por tanto, interferir con la degradación de HIF.

   Hay evidencia que los HIF pueden incrementar la tasa glucolítica  regulando al alza la  transcripción de genes glucolíticos, lo cual reduce el consumo de oxígeno y el estrés inducido por hipoxia y por tanto disminuye  la inflamación que puede incrementar la producción de ROS. Adicionalmente, varios estudios demuestran que el HIF-1α es necesario para el control de la producción de ROS en hipoxia. El HIF-1α puede activar la piruvato deshidrogenasa quinasa 1, un factor clave que disminuye la producción de ROS. Si bien es cierto que HIF reduce la producción de ROS, no puede considerase que HIF y ROS son simplemente antagonistas uno con otro. Considerando que algunas funciones de HIF y ROS se superponen, el HIF como factor regulado por ROS ejerce regulación por retroalimentación negativa sobre ROS.

   La leptina es producida por el tejido adiposo periférico y juega un rol en el SNC. La señal leptina, a través de LEPR; activa  la Janus quinasa (JaK) 2 y promueve una señalización intracelular a través  de una cascada efectora que incluye las  rutas fosfatidilinositol 3-quinasa (PI3K)/AKT y activador de la transcripción (STAT)-3 para incrementar la expresión de POMC e inhibir la expresión de AgRP, promoviendo saciedad para suprimir la ingesta de alimentos y aumentar el gasto de energía. El HIF puede regular simultáneamente leptina e insulina a través de varias rutas. La relación entre HIF y leptina en el SNC es menos clara que la relación HIF-insulina. El HIF regula a la leptina a través del supresor de señal SOCS. Este proceso involucra varios elementos. El NF-κB activado puede causar un incremento en la expresión de SOCS3, lo cual previene la señal insulina y leptina en el cerebro. La sobre expresión de SOCS3 puede ser detectada en neuronas AgRP, desbalance energético e hiper-apetito. Si el HIF reduce la expresión de NF-κB, la expresión de SOCS también será  reducida  por el HIF y la sensibilidad a insulina y leptina aumentará. El HIF también puede incrementar la sensibilidad a insulina y leptina reduciendo el estrés de retículo endoplásmico (RE).

   La insulina afecta el metabolismo sistémico y tiene efectos especiales en el hipotálamo. En la periferia, cuando la glucosa sanguínea aumenta, la insulina es liberada por las células β pancreáticas y entra al SNC a través de la BHE. En el SNC, los receptores de insulina se encuentran  especialmente en neuronas del hipotálamo donde la insulina actúa principalmente sobre las neuronas POMC  y AgRP/NPY del ARC. A través de estimulación inducida por ligando, la insulina regula al alza la expresión de POMC y reduce la ingesta de alimentos. La ruta de señalización PI3K/AKT/mTOR es uno de los principales reguladores al alza de HIF-1α. A través de esta ruta, no solo es aumentada la síntesis de HIF-1α sino también es activada y aumentada la Hsp90, la cual mantiene la estabilidad de HIF-1α y previene su degradación. Esta ruta tiene retroalimentación negativa, la AKT activada puede incrementar la expresión de mTOR cuya activación crónica puede inhibir la IRS-1, lo cual reduce la señal de transducción AKT.

   El mTOR es considerado una parte importante de la homeostasis energética regulada por el SNC y tiene la función de regular la homeostasis glucosa/lípidos, el peso corporal y el consumo de energía a través del hipotálamo. Estas funciones las lleva a cabo el complejo mTORC1 a través de la reducción de la expresión de AgRP y NPY en el hipotálamo, reduciendo por tanto la ingesta de alimentos y el peso corporal. Por el contrario, la sobre nutrición regula a la baja la actividad de mTORC1 en el hipotálamo y causa resistencia a la leptina, ganancia de peso corporal y apetito excesivo. De acuerdo con los estudios existentes hay una significativa relación entre mTOR y HIF, el mTOR puede mejorar la tasa de traslación de mARN HIF-1α promoviendo la expresión de HIF-1α.

   Los HIF participan en la actividad de la insulina de múltiples maneras. Además de la inhibición de SOCS3, el HIF-2α puede mantener la función de la insulina central y promover la expresión del gen POMC. La carencia de HIF-2α en neuronas POMC puede causar resistencia a la insulina e intolerancia a la glucosa y provocar ganancia de peso y grasa corporal. Por otra parte, el estrés RE está relacionado con enfermedades metabólicas, incluyendo resistencia a la insulina y obesidad, porque previene la pérdida de peso y las funciones anoréxicas de insulina y leptina. El HIF por retroalimentación negativa  inhibe al NF-κB en el proceso de estrés RE, reduciendo los efectos adversos de este estrés.

   Los neuropéptidos hipotalámicos orexina-A (OXA) y orexina B (OXB) son productos de la prepro-orexina.  Las neuronas OXA y OXB están localizadas principalmente en  hipotálamo dorsomedial, lateral y perifornical. Los receptores de orexina, OXR 1 y 2, están localizados ampliamente en tallo cerebral, corteza cerebral, hipotálamo y tálamo. Las orexinas responden a estímulos metabólicos, límbicos y circadianos activando neuronas colinérgicas y monoaminérgicas en tallo cerebral e hipotálamo para mantener la vigilia y regular el apetito. Entre estos roles adaptativos y reguladores, destaca la capacidad de la OXA para contrarrestar los mecanismos cerebrales responsables de la obesidad. La OXA también incrementa la actividad de HIF-1α. La activación de HIF-1α mediada por orexina provoca mayor actividad de la glucólisis y aumenta la captación de glucosa.

   En conclusión, la función más conocida del HIF es responder a la hipoxia o condiciones hipóxicas como factor de transcripción. Sin embargo, los estudios recientes demuestran que el HIF juega un rol importante en el hipotálamo y afecta el metabolismo sistémico. La regulación metabólica y del apetito así como  la inducción de hormonas son funciones importantes del HIF. La respuesta del SNC a la glucosa, la inflamación y hormonas periféricas son reguladas por el HIF. En el hipotálamo, el HIF juega un rol en la inhibición de la captación de energía y la promoción del gasto energético. Aunque la mayor parte del conocimiento sobre los principios fisiológicos y el potencial terapéutico del HIF proviene  de estudios de laboratorio, los resultados obtenidos proporcionarán información farmacológica sobre agentes que regulan la función del HIF. 

Fuente: Du D et al (2021).  Metabolic regulation of hypoxia-inducible factors in hypothalamus. Frontiers in Endocrinology 12: 650284.

 

Cromogranina A en endocrinología cardiovascular

La cromogranina A es una proteína expresada por una variedad de células, sus múltiples fragmentos y formas moleculares le permiten diversas actividades biológicas. Como su nombre refiere, la proteína pertenece a la clase de graninas, las cuales fueron inicialmente definidas como proteínas involucradas en la formación y función de gránulos secretores. La otra parte del nombre (cromo) se relaciona con el hecho que los gránulos cromafines fueron los primeros en mostrar que contienen proteínas graninas. Actualmente, la clase graninas  consiste de al menos siete proteínas de las cuales tres han recibido mayor atención: cromogranina A, cromogranina B y secretogranina II. Las graninas en general son proteínas acídicas, una característica bioquímica que facilita un ambiente intragranular con un pH bajo (usualmente alrededor de 4-5).

   A partir del conocimiento de la bioquímica y la estructura/función, las proteínas graninas han ganado considerable interés en la fisiología y la medicina. Actualmente, las graninas no representan un blanco terapéutico para el tratamiento e intervención en enfermedades, pero la medición de las proteínas en plasma ha sido implementada en los laboratorios clínicos como apoyo en el diagnóstico de cáncer. Específicamente, la medición de cromogranina A en tumores neuroendocrinos es usada para monitorear el efecto del tratamiento y, en última instancia, la cirugía. Sin embargo, como muchos otros biomarcadores de cáncer, los datos actuales sobre especificidad y sensibilidad diagnóstica aun no son satisfactorios. Algunos métodos de medición tienen buen desempeño en el diagnóstico, mientras otros simplemente no son satisfactorios. Un método que puede cuantificar la proteína total liberada en la circulación sanguínea resulta superior a otros métodos.

   El otro aspecto en la fisiología o medicina de cromogranina A es la posible actividad biológica de la proteína y/o sus productos. Muchos de los diferentes fragmentos de la cromogranina A intacta poseen actividad “hormonal” independiente, principalmente en el sistema cardiovascular. La mayoría de efectos son de naturaleza inhibitoria, por ejemplo operando como estatinas. Sin embargo, una de las mayores limitaciones en términos de la fisiología clásica es la carencia de receptores unidos a membrana. Entonces, mientras algunos fragmentos muestran respuesta biológica en investigación experimental involucrando dosis suprafisiológicas de los fragmentos, un verdadero rol hormonal con un ligando bien definido y un receptor específico aún no está establecido. En un estudio reciente, un fragmento particular de cromogranina A, fragmento1-173, ha sido examinado experimental por sus efectos hemodinámicos usando un modelo ex vivo Langendorff de corazón de rata y corazón perfundido.  Como sustancia control, los autores usaron una formada truncada del fragmento 1-372, la cual en su extremo C-terminal se asemeja al fragmento 354-372 de la cromogranina A. Los autores reportan que el fragmento 1-373 de la cromogranina A: (a) induce inotropismo negativo y vasodilatación y (b) este efecto es neutralizado por anticuerpos específicos contra el fragmento C-terminal. Los autores también demuestran que el fragmento 1-372 se une a un receptor endotelial, neuropilina-1 (NRP1), conocido por su unión al factor de crecimiento endotelial. Los autores concluyen que sus resultados sugieren el fragmento 1-373 de la cromogranina A es una nueva hormona cardioreguladora y que la remoción del residuo arginil  del extremo C-terminal representa un desvío molecular de su actividad cardioreguladora. Entonces, el estudio proporciona otro soporte para la bioactividad del fragmento 1-373 de la cromogranina A y más específicamente un potencial  mecanismo mediado por receptor.

   Este hallazgo tiene varias perspectivas interesantes. En primer lugar, el prospecto de un nuevo ligando para NRP1 podría tener un impacto sobre como estimular nuevo crecimiento de los vasos sanguíneos, es decir, una sustancia pro-angiogénesis. Varios estudios demuestran que el factor de crecimiento endotelial aumenta la angiogénesis in vivo en enfermedad  isquémica del corazón. Es posible que este fragmento de cromogranina A represente una nueva manera de estimular los vasos sanguíneos en el árbol arterial coronario y, especulativamente,  sin estimular el crecimiento vascular indeseado en otros órganos (en particular, tejido tumoral). Aún no está determinado si el fragmento 1-373 es liberado en la circulación sanguínea. Las concentraciones plasmáticas  necesitan ser examinadas si se considera al fragmento 1-373 como una “hormona cardioreguladora” en un contexto endocrino clásico. En el estudio señalado anteriormente, las dosis usadas (la dosis óptima para lograr el efecto fue de 4000 pmol/litro) pueden desviarse considerable de la fisiología normal y, por tanto, no representar las condiciones in vivo. En segundo lugar,  otro punto importante es la maduración y degradación de la cromogranina A para generar el  fragmento 1-373. El clivaje intracelular por una proteasa/convertasa específica es una posibilidad en el proceso de maduración del fragmento 1-373 de la cromogranina A. La trombina ha sido sugerida por algunos autores como la proteasa responsable de la maduración del fragmento 1-373 de cromogranina A, lo cual podría ser un proceso local y extracelular acoplado a trombosis. La degradación del fragmento 1-373 in vivo también debe ser considerado, el fragmento puede ser degradado inmediatamente o poco tiempo después de su liberación, lo cual inactivaría al fragmento desde el punto de vista hormonal.

   Con estas consideraciones en mente, resulta interesante que un fragmento de cromogranina A esté involucrado en la angiogénesis. Algunos estudios reportan la producción de cromogranina A en el corazón humano sugiriendo un rol órgano-específico de la cromogranina A en la enfermedad cardiaca humana, En este contexto, sería interesante examinar si el fragmento 1-373 es liberado por el corazón en la circulación sanguínea.

   En conclusión, la cromogranina A, involucrada inicialmente en la formación y función de gránulos secretores, es actualmente considerada como molécula precursora de fragmentos con actividad hormonal. El fragmento 1-373 ha sido examinado experimentalmente por sus efectos hemodinámicos. Los reportes preliminares indican que el fragmento 1-373 induce inotropismo negativo y vasodilatación y también que es capaz  de unirse al receptor endotelial neuropilina-1. 

Fuente: Goetze JP et al (2021. Chromogranin A in cardiovascular endocrinology. Acta Physiologica 231: 1-3.

 

GnIH y fisiología reproductiva

En el año 2000, un neuropéptido hipotalámico fue identificado como hormona inhibidora de gonadotropinas (GnIH). Desde su descubrimiento, la investigación sobre  esta neurohormona ha contribuido significativamente al avance de la neuroendocrinología reproductiva. De acuerdo con el concepto de “neurosecreción” propuesto por Scharrer, las neuronas hipotalámicas que terminan en la neurohipófisis  secretan neurohormonas (oxitocina y vasopresina) a los órganos endocrinos. Por otra parte, en 1948, Harris propuso que las neuronas hipotalámicas que terminan en la eminencia media (EM) pueden secretar neurohormonas en el sistema porta hipofisario para controlar la secreción de hormonas por la hipófisis anterior, incluyendo gonadotropinas (hormona folículo-estimulante (FSH) y hormona luteinizante (LH)), hormona estimulante de la tiroides (TSH), hormona adrenocorticotrópica (ACTH) y hormona de crecimiento (GH). Los grupos de Schally y Guillemin de manera independiente descubrieron importantes neurohormonas en el cerebro de mamíferos que incluyen a  hormona liberadora de tirotropina (TRH), hormona liberadora de gonadotropinas (GnRH) y hormona inhibidora de hormona de crecimiento (somatostatina).

   El polipéptido precursor de GnIH comprende una GnIH y dos péptidos relacionados con GnIH (GnIH-RP-1 y GnIH-RP-2) que poseen un dominio C-terminal LPXRF amida (X= L o Q) común. Las GnIH observadas en aves, mamíferos y primates son categorizadas como péptidos LPXRF amida por su estructura. Las GnIH de mamíferos y primates también son conocidas como péptidos relacionados con RF amida 1 y 3 (RFRP-1 y RFRP-3). La estructura de la GnIH Identificada en humanos (RFRP-3) es la misma de la GnIH identificada en ovinos. En vertebrados, han sido identificados cuatro grupos adicionales de la familia de péptidos RF amida: (1) grupo del neuropéptido FF (NPFF, péptido PQRF amida), (2) grupo del péptido RF amida piroglutamilado (QRFP)/26R amida, (3) grupo del péptido liberador de prolactina (PrRP), (4) grupo kisspeptinas.

   El descubrimiento de la GnIH inició un nuevo capítulo en la investigación sobre neuroendocrinología reproductiva y está demostrado que actúa como neurohormona inhibidora crítica de la reproducción y, adicionalmente, tiene múltiples roles. La GnIH muestra efectos sobre la hipófisis y el cerebro para regular la función reproductiva y varias conductas como la conducta reproductiva alterando la biosíntesis de neuroesteroides en el cerebro. Estudios recientes indican que cambios anormales en la expresión de GnIH pueden causar desórdenes puberales y disfunción reproductiva en mamíferos.

   En mamíferos, los cuerpos neuronales GnIH están presentes en el área hipotalámica dorsomedial (DMH). Los terminales neuronales GnIH están localizados en la EM. El receptor GnIH (GnIHR, GPR147) está presente en los gonadotropos de la hipófisis anterior y en neuronas GnRH1en el área preóptica (APO) del hipotálamo. La GnIH inhibe la liberación y síntesis de gonadotropinas por inhibición directa de los gonadotropos de la hipófisis anterior y reducción de la función de las neuronas GnRH en el APO, vía receptor GnIH. Las neuronas GnIH hipotalámicas se proyectan no solo a las neuronas GnRH1 sino también a las neuronas kisspeptinas, las cuales expresan GnIHR. Las neuronas GnIH controlan la actividad de las neuronas kisspeptinas. La GnIH inhibe conductas reproductivas como la conducta sexual y la conducta agresiva actuando en el cerebro. Adicionalmente, la GnIH inhibe conductas reproductivas aumentando la producción de neuroestrógenos en el APO.  Las neuronas GnIH se proyectan a otras neuronas en el cerebro indicando múltiples acciones de la GnIH. GnIH y GnIHR también están presentes en células esteroidogénicas y células germinales en testículo y ovario y la GnIH gonadal muestra actividad autocrina/paracrina para reducir la producción de esteroides sexuales y la diferenciación y maduración de células germinales.

   La integración neuroendocrina de factores internos y ambientales es necesaria para regulación de la reproducción y las conductas reproductivas. Los factores ambientales incluyen estrés, fotoperíodo e interacción social. Los factores internos incluyen glucocorticoides, melatonina y noradrenalina (NA). Las neuronas GnIH expresan receptor melatonina. La expresión y la liberación de GnIH son alteradas periódicamente a través de rutas dependientes de melatonina. La melatonina aumenta la expresión de GnIH en ratas, pero la disminuye en ovejas. Las neuronas GnIH expresan receptor glucocorticoide. El estrés eleva la expresión de GnIH por las actividades de los glucocorticoides. Entonces, la disrupción de la reproducción inducida por el estrés es mediada internamente por la GnIH. La GnIH, en respuesta al ambiente social, también contribuye a la conducta reproductiva y la reproducción. Las neuronas GnIH expresan receptor adrenérgico α2A y también son inervadas por fibras noradrenérgicas. El ambiente social altera la expresión y liberación de GnIH por la acción de la NA.

  El GNIHR, GPR147, es miembro de la familia de receptores acoplados a proteína G (GPCR) y  también es conocido como receptor NPFF 1. Por otra parte, en mamíferos también ha sido identificado el receptor NPFF2 (indistinguible de GPR74). El examen bioquímico demuestra que la GnIH tiene mayor afinidad por el GPR147, mientras los NPFF tienen un fuerte efecto agonista sobre GPR74. Por tanto, el GPR147 es considerado el receptor primario para GnIH. El efecto inhibidor de la GnIH sobre las rutas inducidas por GnRH involucra la disminución de la síntesis  de cAMP y la fosforilación de la quinasa regulada por señal extracelular (ERK).

   La GnIH, además de la acción central sobre la reproducción, tiene múltiples acciones sobre la fisiología y la conducta reproductivas. En el cerebro, la GnIH ejerce su actividad central para el control de las conductas sexual y agresiva y también la función reproductiva. En mamíferos, la administración intracerebroventricular (ICV) reduce la conducta sexual en ratas machos y regula la motivación y conducta sexual en ratas hembra. Entonces, la GnIH actúa para controlar no solo el eje reproductivo sino también para modificar la conducta motivada socialmente en mamíferos. Por otra parte, dado que las neuronas GnIH se proyectan a las neuronas GnRH1 en el APO y a las neuronas kisspeptinas en el hipotálamo, las neuronas GnIH posiblemente controlan las acciones de las neuronas GnRH1 y kisspeptinas.

   La privación de alimento y otras carencias metabólicas inhiben al eje reproductivo y la motivación sexual. La administración ICV de  GnIH induce la ingesta de alimentos y estimula la conducta alimenticia al tiempo que reduce la concentración plasmática de LH en aves. Los estudios en ratas sugieren que las neuronas neuropéptido Y (NPY) y proopiomelanocortina (POMC)  tienen roles en la acción orexigénica de la GnIH. La inyección ICV de GnIH eleva el mARN de NPY (orexigénico) mientras  disminuye el mARN de POMC (anorexigénico) en el hipotálamo. Estos resultados sugieren que la GnIH contribuye no solo al control de la función reproductiva sino también a la modulación de la conducta alimenticia en mamíferos.

   La interacción de neuroesteroides y neuropéptidos regula funciones  del cerebro.  La GnIH aumenta la actividad de la p450 aromatasa  a través de desfosforilación e induce la síntesis de neuroesteroides en el cerebro, lo cual altera la exhibición de conducta agresiva en los machos indicando que la GnIH cambia el medio esteroidal en el cerebro para regular la conducta agresiva. Los estudios en animales indican que las neuronas GnIH se proyectan al área periacueductal central gris (PAG) y al APO  que expresa GnIHR. Estas regiones cerebrales controlan la conducta agresiva. El APO es el sitio más importante de aromatización de andrógenos testiculares por la p450 aromatasa, y los neuroestrógenos actúan directamente en la regulación de la conducta agresiva de los machos. Entonces, la GnIH reduce la conducta agresiva aumentando la actividad inducida por desfosforilación de la p450 aromatasa y elevando la biosíntesis de neuroestrógenos en el cerebro por arriba del nivel óptimo para la exhibición de esta conducta por los machos.

   En los mamíferos fotoperiódicos, la actividad reproductiva depende del ciclo anual de secreción de melatonina. La melatonina también contribuye al control de procesos estacionales incluyendo la liberación de gonadotropinas y la actividad gonadal en aves. La administración de melatonina en aves aumenta los niveles de GnIH en el cerebro. Un subtipo de receptor de melatonina, Mel_1c, es expresado en neuronas GnIH y es posible que la melatonina actúe directamente sobre las neuronas GnIH para aumentar la expresión de GnIH en el cerebro. La secreción de GnIH aumenta durante los días cortos cuando la extensión de la liberación nocturna de melatonina es elevada. De acuerdo con estos resultados, parece que la melatonina que se origina en la glándula pineal y los ojos actúa directamente, vía Mel_1c, sobre las neuronas GnIH en el cerebro para elevar la síntesis y liberación de GnIH.

   Es conocido que el estrés reduce la función reproductiva en vertebrados. El estrés eleva la expresión de GnIH en el área hipotalámica dorsomedial (DMH) con inhibición del eje HHG en ratas. Los glucocorticoides adrenales muestran efectos directos sobre las neuronas GnIH para aumentar la expresión de GnIH, la cual está asociada con inhibición del eje HHG. El estrés reduce la función reproductiva vía acción glucocorticoide a través del incremento en la expresión de GnIH.  Estas observaciones sugieren que la GnIH es un integrador crítico de la reducción mediada por estrés de la función reproductiva en mamíferos.

   Además del estrés y el fotoperíodo, el ambiente social también influye en la expresión de GnIH. La GnIH contribuye al control de la fisiología y conducta reproductivas en respuesta al ambiente social. La administración de NA aumenta la secreción de GnIH. El receptor adrenérgico α2A es expresado en las neuronas GnIH del NPV que son inervadas por fibras noradrenérgicas. La presencia de la hembra eleva la liberación de NA en el núcleo paraventricular (NPV) del hipotálamo  y promueve la secreción de GnIH provocando la disminución de los niveles plasmáticos de  LH y testosterona en machos. Entonces, la integración neuroendocrina del ambiente social y la acción de la NA es importante para la regulación de la síntesis y liberación de GnIH que contribuye a la fisiología y conducta reproductiva.

   Los desórdenes tiroideos están conectados con el desarrollo anormal de la pubertad. El efecto del estatus tiroideo anormal en los disturbios de la pubertad involucra dos sistemas neuroendocrinos, el eje hipotálamo-hipófisis-tiroides (HHT) y el eje HHG. Los estudios recientes demuestran que la GnIH está involucrada en los desórdenes de la pubertad inducidos por disfunción tiroidea. La regulación del eje HHG mediada por hormonas tiroideas (HT) se puede originar en cambios en la expresión de GnIH que ejerce su efecto sobre el eje HHG inhibiendo la función de las neuronas GnRH para disminuir la liberación de gonadotropinas por la hipófisis. Una alta concentración de HT disminuye la expresión de GnIH, mientras un reducido nivel  de HT aumenta la expresión de GnIH. El hipotiroidismo retarda el inicio de la pubertad en ratones hembras aumentando la expresión de GnIH en el hipotálamo que disminuye los niveles circulantes de LH y estrógenos. Los receptores TRα y TRβ son expresados en las neuronas GnIH en el hipotálamo.

   En conclusión, la GnIH inhibe la síntesis y liberación de gonadotropinas actuando a través del receptor GnIH GPR147 sobre los gonadotropos de la hipófisis y las neuronas GnRH del hipotálamo.  En el hipotálamo, las neuronas GnIH se proyectan no solo a las neuronas GnRH sino también a las neuronas kisspetinas. El receptor GnIH es expresado en neuronas GnRH y kisspeptinas. La GnIH estimula la actividad de la p450 aromatasa para elevar la producción de neuroestrógenos en el cerebro. La GnIH también puede alterar la síntesis de otros neuroesteroides estimulando o inhibiendo enzimas esteroidogénicas en el cerebro.  Adicionalmente, la GnIH puede controlar la síntesis de neuroesteroides en la glándula pineal de manera similar a la acción en el cerebro. Estudios recientes demuestran que la GnIH está implicada en desórdenes de la pubertad causados por anormalidades en la función de la glándula tiroides. En este contexto, la GnIH media la interacción entre los ejes HHT e HHG en la pubertad anormal. La reducción en la expresión de GnIH induce pubertad precoz central. Sin embargo, el incremento significativo en la funciones  de las neuronas GnIH puede provocar disfunción reproductiva central.

Fuente: Tsutsui K, Ubuka T (2021). Gonadotropin-inhibitory hormone (GnIH): a new key neurohormone controlling reproductive physiology and behavior. Frontiers in Neuroendocrinology 61: 100900.

 

FSH y ácido retinoico en la espermatogénesis

La espermatogénesis es un proceso continuo altamente regulado de proliferación y diferenciación  de células germinales masculinas. Este proceso tiene lugar en los túbulos seminíferos de los testículos para la generación de espermatozoides a través de la vida.  La diferenciación de espermatozoides ocurre a través de un proceso lineal que incluye expansiones mitóticas, divisiones de reducción meiótica y transformaciones morfológicas. La ruta de diferenciación de las espermatogonias comienza cuando las espermatogonias indiferenciadas entran en una transición irreversible (roedores) o división (primates) para producir espermatogonias diferenciadas.

   En mamíferos, la espermatogénesis se inicia en la vida postnatal, en la pubertad con la diferenciación de espermatogonias indiferenciadas y su entrada en meiosis. Las espermatogonias son capaces no solo de auto-renovarse y proliferar para mantener las poblaciones de stem cells sino también son capaces de generar células progenitoras   que entran en el proceso de espermatogénesis para formar espermatozoides maduros.  La población de espermatogonias está determinada por complejas interacciones entre las células germinales, las células somáticas y diferentes tipos de factores de crecimiento.

   La transformación de espermatogonias indiferenciadas en  espermatogonias diferenciadas y la espermatogénesis normal requieren la acción de gonadotropinas. La secreción de gonadotropinas, incluyendo hormona luteinizante (LH) y hormona folículo-estimulante (FSH) por la hipófisis está bajo el control de la hormona liberadora de gonadotropinas (GnRH) del hipotálamo. La espermatogénesis está regulada por señales de los efectos de las gonadotropinas sobre las células de Leydig y Sertoli que expresan receptores para LH y FSH, respectivamente. En ausencia de FSH y LH solamente células germinales y células de Sertoli están presentes en los túbulos seminíferos de los testículos. La fase prepuberal o juvenil del desarrollo de los testículos se caracteriza por un estado hipogonadotrópico en el cual el epitelio de los túbulos seminíferos solo tiene células de Sertoli y células germinales indiferenciadas. Todas las células germinales en el testículo juvenil son espermatogonias indiferenciadas que proliferan de una manera relativamente independiente de gonadotropinas. 

   Desde 1925, está demostrado que la vitamina A es requerida para la espermatogénesis normal y los animales con deficiencia de vitamina A (VAD) son infértiles. La deficiencia de vitamina A detiene la espermatogénesis en los estadios tempranos de la meiosis. En los animales VAD, solamente células de Sertoli y espermatogonias indiferenciadas están presentes en los túbulos seminíferos del testículo. Sin embargo, el bloqueo de la diferenciación en los animales VAD puede ser removido con retinol. Los estudios recientes, especialmente en roedores, revelan que el ácido retinoico (AR), una forma biológicamente activa de vitamina A, juega un rol esencial en el proceso de espermatogénesis. El AR es considerado responsable de la diferenciación cíclica de células germinales en el testículo adulto y la producción continua de espermatozoides. El AR es crítico para  la inducción de la diferenciación de células germinales, el inicio de la meiosis y la espermiogénesis normal. El AR es necesario para la transición de espermatogonia A a espermatogonia A1 y el inicio de la meiosis. Los estudios sugieren que el AR puede activar células blanco adyacentes de una manera paracrina. En el testículo de ratón, las células de Sertoli pueden generar AR y la espermatogonia A puede responder al AR. Si el AR, como factor extrínseco, contribuye a controlar el ciclo del epitelio seminífero en los testículos, la pregunta es: ¿cuáles células, enzimas y receptores son responsables de generar, responder y degradar el pulso de AR?

   Las gonadotropinas pueden disparar la diferenciación de espermatogonias y su entrada en la meiosis a través de la regulación de la señal AR en el epitelio seminífero de los testículos. Esto ha dado lugar a una nueva hipótesis acerca de los mecanismos de las gonadotropinas para el control de la espermatogénesis vía AR. Un estudio reciente revela que la expresión de algunas moléculas de señalización AR incluyendo todo-trans-retinol deshidrogenasa 7 (ADH7), factor de diferenciación inducido por todo-trans-ácido retinoico (ATRAID), retinol deshidrogenasa 10 (RDH10) y proteína de unión de ácido retinoico celular 2 (CRABP2) cambian significativamente después de la estimulación con LH y FSH por 48 y 96 horas. Otro estudio demuestra que CRABP1 y CRAPB2 son reguladas a la baja y al alza, respectivamente, después de estimulación con LH y FSH por 11 días.

   En ratones, la formación de los linajes de células somáticas y germinales ocurre independientemente en el testículo. Durante el desarrollo embrionario, las células gonadales bipotenciales se convierten en las células de Sertoli del testículo. La ausencia de expresión de la proteína Y determinante del sexo (SRY) provoca la formación de células granulosas en el ovario en desarrollo en las hembras. Las células germinales  primordiales (CGP) aparecen en el epiblasto y migran a la cresta gonadal en desarrollo. La interacción entre CGP y células de Sertoli provoca la formación de los cordones seminíferos embrionarios. Las CGP experimentan una proliferación mitótica y se convierten en gonocitos o pro-espermatogonias. En el testículo juvenil, las pro-espermatogonias están localizadas en la parte media de los cordones seminíferos y después de varias transiciones migran a la periferia para formar espermatogonias.

   En la espermatogénesis, en el testículo de ratón, las pro-espermatogonias negativas a neurogenina 3 (NGN3) se transforman en espermatogonias A1, mientras las pro-espermatogonias positivas a NGN3 permanecen como “stem cells”/progenitoras indiferenciadas.  Las espermatogonias A1 luego se diferencian en espermatogonias A2, A3, A4 y tipo B. La espermatogénesis prosigue con la expansión mitótica de las stem cells/progenitoras, lo cual permite la continua producción de células germinales más indiferenciadas definidas como espermatogonias A apareadas (Apr). Las Apr se dividen para formar espermatogonias A alineadas (Aal). Las células Apr y Aal son consideradas como células germinales transitorias que posteriormente se diferencian en espermatogonias A1 que entran en la ruta de diferenciación y meiosis. En ratones, las células Aal se transforman en espermatogonias A1 diferenciadas sin división celular. La transición de células Aal a espermatogonias A1 parece ser irreversible. La transformación de células Aal en espermatogonias A1 es seguida por seis divisiones celulares para producir espermatogonias A2, A3, A4, In, espermatogonia B y espermatocitos preleptotene.

   La espermatogénesis normal en mamíferos requiere actividad neuroendocrina del eje hipotálamo-hipófisis-testículo (HHT). En roedores, la primera etapa de la espermatogénesis y la diferenciación de espermatogonias ocurren inmediatamente después del nacimiento. Mientras, en primates superiores hay tres diferentes fases de actividad postnatal antes de la adultez que incluyen las etapas neonatal, juvenil y pubertad. La fase neonatal exhibe actividad del eje HHT como el adulto, pero sin espermatogénesis. Durante la fase juvenil, el eje HHT es quiescente. En la fase de la pubertad, la actividad del eje HHT es reiniciada y comienza la espermatogénesis.

   La GnRH es una señal hipotalámica central para la hipófisis que expresa receptores para GnRH. Dos gonadotropinas distintas, LH y FSH, son liberadas de manera pulsátil en respuesta a la GnRH. En los testículos, dos receptores transmembrana específicos, FSHR y LHR, median las acciones de  FSH y  LH, respectivamente. En el testículo, el FSHR es expresado selectivamente por las células de Sertoli en los túbulos seminíferos, mientras el LHR es expresado por las células de Leydig en el espacio intersticial. Por tanto, la FSH directamente y la LH indirectamente vía  receptor de andrógenos (AR) actúan en la espermatogénesis a través de la regulación de factores de las células de Sertoli. En respuesta a la señal LH, la testosterona es producida por las células de Leydig de una manera pulsátil. En respuesta a FSH, inhibina α, una hormona no esteroide, es producida por las células de Sertoli de una manera no pulsátil. Las hormonas gonadales, testosterona e inhibina, actúan como señales de retroalimentación para mantener la acción fisiológica del eje hipotálamo-hipófisis. El mayor rol de la FSH y la LH es establecer la espermatogénesis normal y la producción de espermatozoides durante la pubertad y la adultez.  En hombres y primates no humanos, la FSH actúa a través de las células de Sertoli para facilitar la proliferación y auto-renovación de espermatogonias y su transición a espermatocitos. La FSH es esencial para mantener la fertilidad en hombres. La pubertad no ocurre en varones con pérdida de la función en el FSHR. Los estudios de hombres con deficiencia de FSH de etiología desconocida demuestran que la FSH está asociada con el inicio de la espermatogénesis y la fertilidad.

   El ciclo del epitelio seminífero es definido como el continuo ingreso de la espermatogonias indiferenciadas a la meiosis y la formación de espermátides alargadas. En el testículo de ratón, el inicio del proceso espermatogénico ocurre cada 8,6 días y la duración del desarrollo de espermatogonias A1 a la espermiación es de 35 días. En primates, dos tipos de espermatogonias indiferenciadas, A-oscuras y A pálidas, están presentes en el testículo. En monos Rhesus, el ciclo del epitelio de túbulo seminífero comprende 12 estadios distintos y la diferenciación de espermatogonias Apr a espermatogonias B1 diferenciadas ocurre durante una rápida división en el estadio IX del ciclo del epitelio de túbulo seminífero.

   La actividad del AR en el testículo provoca la generación del ciclo del epitelio seminífero y la onda espermatogénica normal. Estudios recientes revelan que el AR actúa de manera pulsátil y periódicamente maneja el inicio de la meiosis. La vitamina A en la forma de retinol en la sangre es transportada a los testículos a través de la proteína de unión a retinoides 4 (RBP4). Una proteína de la membrana plasmática, estimulada por AR (Stra6) es el receptor para el complejo RBP4/retinol en el testículo. La Stra6 media la captación del retinol de la sangre en las células. La Stra6 solamente es expresada en la superficie de la membrana basal de células de Sertoli en el testículo de ratón adulto de manera específica en los estadios VIII-IX. El análisis de la expresión de genes involucrados en la señal AR en testículos de monos juveniles revela que la expresión de Stra6 aumenta en los testículos tratados con gonadotropinas después de 11 días. Sin embargo, está demostrado que la Stra6 no es esencial para el mantenimiento de la homeostasis de vitamina A en el tejido testicular y los ratones con deficiencia de Stra6 son fértiles.

   La vitamina A (retinol) es importante para la reproducción y el desarrollo de la vida postnatal. El retinol (ROH) es transportado en la circulación sanguínea  como  retinil ester unido a la proteína ligadora de retinol (RBP), codificada por el gen Rbp4. La FSH promueve la biosíntesis de AR a partir de retinol y también el almacenamiento de retinol ester en las células de Sertoli. En las células granulosas del ovario, la FSH induce la diferenciación y el desarrollo folicular a través de un incremento en la captación de retinol sanguíneo y la biosíntesis de AR. La primera etapa de la oxidación de ROH es controlada por la retinol deshidrogenasa 10 (RDH10), una enzima crítica para la señal AR en la embriogénesis. El testículo tiene una capacidad intrínseca para producir AR, tanto las células de Sertoli como las células germinales contienen RDH10 para oxidar el ROH a retinal. Estudios recientes revelan que la expresión de RDH10 es regulada al alza después de 48 y 96 horas de estimulación con LH y FSH en testículos de mono Rhesus juvenil. Estos hallazgos demuestran que la RDH10 puede jugar un rol importante en la biosíntesis y señal de AR y está involucrada en el desarrollo de células germinales masculinas y la espermatogénesis en testículo de monos.

   Tres enzimas retinaldehido deshidrogenasa, ALDH1A1, ALDH1A2 y ALDH1A3, son expresadas en testículo de ratón. En los testículos de ratones en desarrollo y adultos, los transcriptos Aldh1a1y Aldh1a3 son expresados en células de Leydig y de Sertoli, mientras los transcriptos Aldh1a2 están localizados en un estadio específico (VII-XI) en espermatocitos paquitene después del día 20 postnatal. Sobre la base de la abundancia y localización específica de Aldh1a1 en las células de Sertoli, se ha sugerido que la ALDH1A1 es la principal fuente de AR en el epitelio seminífero. Las localizaciones celulares únicas de Aldh1a1 y Aldh1a2 en el tejido intratesticular implica que pueden tener roles específicos en la formación de AR. La acción paracrina del AR de las células de Sertoli sobre las células germinales es esencial para iniciar la transición de espermatogonias A en A1.

   Los niveles elevados de LH y FSH están asociados con niveles bajos de la proteína ALDH1A2 en los testículos. La ALDH1A2 ha sido detectada en espermatogonias indiferenciadas, espermatocitos y espermatides en testículos humanos. Un estudio que investigó la expresión de enzimas que metabolizan el AR durante el desarrollo testicular postnatal en perros revela que el nivel de mARN de ALDH1A2 en los testículos peripuberales es mayor que en los testículos de adulto. Otro estudio demuestra que la expresión de mARN de ALDH1A2 es regulada a la baja en testículo de mono adulto después de tratamiento con gonadotropinas por 11 días. La ALDH1A2 es la principal enzima involucrada en la biosíntesis de AR en células germinales humanas, y niveles relevantes de esta proteína se correlacionan con el número de células germinales y la fertilidad masculina.

   El AR es inactivado por tres formas de enzimas citocromo P-450 que incluye a citocromo P450, familia 26, subfamilia a, polipéptido 1 (CYP26A1); citocromo P450, familia 26, subfamilia b, polipéptido 1 (CYP26B1) y citocromo P450, familia 26, subfamilia c, polipéptido 1 (CYP26C1). La degradación de AR es crítica para la regulación de las concentraciones  de AR en el testículo y la diferenciación normal de espermatogonias. El balance entre síntesis de AR por enzimas retinaldehido deshidrogenasas y la degradación oxidativa de AR por enzimas citocromo P450 controla las concentraciones de AR en los tejidos. En testículo embrionario de ratón, la expresión de CYP26B1 en las células de Sertoli es responsable de la degradación de AR y, por tanto, previene que las células germinales inmaduras entre en meiosis. En testículo de ratón postnatal y adulto, la expresión de CYP26B1 está restringida a células miodes peritubulares. Un estudio reciente demuestra que la proteína CYP26B1 es detectada en el citoplasma de espermatogonias indiferenciadas de testículo de monos en desarrollo y, por tanto, puede prevenir su diferenciación y la entrada en meiosis. El patrón de expresión de la proteína CYP26B1 es estadio-especifica en el epitelio seminífero de testículo de mono adulto, con el más alto nivel de expresión en células germinales en estadios VII-IX del ciclo del epitelio seminífero donde las espermatogonias tipo A indiferenciadas y las espermatogonias tipo B diferenciadas entran en meiosis. Estos hallazgos sugieren que la expresión estadio-específica de CYP26B1 en el testículo de mono adulto es responsable de la señal pulsátil de AR en la espermatogénesis.

   La familia de proteínas ligadoras de AR (CRABP) son pequeñas proteínas citoplasmáticas que unen específicamente AR en diferentes tejidos y ayudan con la solubilización de sus ligandos hidrofóbicos. Las CRABP 1 y 2 son exclusivamente proteínas intracelulares y juegan roles importantes en el control del nivel intracelular de AR.  La CRABP1 está localizada exclusivamente en el citoplasma de gonocitos y espermatogonias de testículo postnatal y adulto, pero no en células de Sertoli. La exclusiva expresión de CRABP1 en gonocitos y espermatogonias indica su posible rol en la degradación de AR en células germinales y, por tanto, previene la activación de receptores de AR en espermatogonias. La CRABP 2 contribuye en la transferencia de AR en el núcleo y es considerada como un mediador molecular para los efectos biológicos del AR. La CRABP 2 puede ser responsable de la activación de la señal AR en las células de Sertoli y el inicio de la diferenciación de espermatogonias.

   Los efectos del AR son mediados por los receptores nucleares para AR (RAR) y retinoide X (RXR). RAR y RXR son proteínas que se unen a ADN y modulan la transcripción, involucradas en los mecanismos moleculares de las respuestas transcripcionales  en los genes. El AR interactúa con el heterodímero RAR/RXR y se une a los elementos de respuesta en los genes blanco y regula la transcripciones de genes. En los testículos, las célula de Sertoli y las células germinales responden al AR vía receptores RAR/RXR. Todas las isoformas de receptores RAR (RARA, RARB y RAR)  son expresadas en células de Sertoli y germinales. El RARα es responsable de la colonización,  proliferación y progresión a través de  la meiosis  de las células germinales. En las células de Sertoli,  el RAR es responsable de la diferenciación celular. De los RXR, solamente el RXRβ es crítico para la espermatogénesis normal. La FSH puede estimular la mitosis de células de Sertoli  antes de la pubertad vía control del  RARα. Un incremento en los niveles de FSH durante la pubertad estimula el traslado de RARα al núcleo donde es importante para la diferenciación de células de Sertoli.

   En roedores, la proteína STRA8 es considerada como un marcador para la acción del AR en células germinales y su función es requerida para iniciar la transición entre mitosis y meiosis. La STRA8 es expresada principalmente en espermatogonias conforme a su rol en el inicio de la meiosis.  El AR induce Strat8 en células germinales neonatales y causa el inicio de la meiosis. La proteína STRA8 solamente es expresada por la población de espermatogonias diferenciadas y es requerida para su entrada en la meiosis. El patrón de expresión de STRA8 en células testiculares de primates no parce ser el mismo de roedores. Por otra parte, la expresión de STRA8 no es detectada en  células testiculares humanas, aunque un estudio reporta una detección débil en el núcleo de espermtogonias B diferenciadas y espermatocitos en testículo de humano adulto.

   La barrera hemato-testicular (BTB) divide el epitelio seminífero en las partes basal y adluminal. La renovación y diferenciación de espermatogonia más allá  del estadio de espermatocito preleptotene tiene lugar fuera de la BTB en el compartimento basal del epitelio, pero la meiosis, la espermiogénesis y la espermiación tienen lugar en un microambiente detrás de la BTB en la parte adluminal. La expresión de genes asociados con el establecimiento de la BTB es regulada al alza siguiendo la estimulación con gonadotropinas por 48 o 96 horas en testículo de mono juvenil. Por ejemplo, claudina 11, un componente de la BTB es sobre expresada debido a la estimulación con gonadotropinas.

   La FSH se une a FSHR expresados en las células de Sertoli en los túbulos seminíferos y provoca la activación de genes necesarios para la regulación de la espermatogénesis. La diferenciación de espermatogonias  y su entrada en la meiosis también es controlada por varios factores de crecimiento que actúan en los estadios tempranos de la espermatogénesis de mamíferos. Las células de Sertoli producen factores de crecimiento que estimulan la auto-renovación y diferenciación  de espermatogonias en el testículo postnatal, incluyendo activina A, factor neurotrófico derivado de células gliales (GDNF), ligando kit KL), proteína morfogenética de hueso 4 (BMP4) y neuroregulinas (NRG).

   En conclusión, la espermatogénesis es un proceso complejo de producción de espermatozoides que es controlado por interacciones entre células germinales y somáticas. En mamíferos, este proceso se inicia en la pubertad con la diferenciación de espermatogonias indiferenciadas y su entrada en meiosis. Las células espermatogénicas están en contacto con las células de Sertoli que proporcionan soporte estructural y factores paracrinos para regular la auto-renovación y diferenciación de las espermatogonias. El AR es responsable de la diferenciación cíclica de células germinales y la producción continua de espermatozoides en el testículo adulto. El AR es sintetizado primariamente por las células de Sertoli en el testículo. La FSH induce la activación de la ruta de señalización del AR a través del incremento de Rdh10, Aldh1a1, Crabp2 en las células de Sertoli y disminución de Crabp1 en las espermatogonias, proporcionando un factor paracrino necesario para la inducción de la diferenciación de espermatogonias. Durante la pubertad, la FSH induce componentes de las rutas de señalización reguladas por AR como GDNF, Kl, BMP4 y NRG que son importantes para la proliferación y diferenciación de espermatogonias y su entrada en la meiosis. La señal FSH puede causar la expresión periódica de genes involucrados en la señal AR y, por tanto, disparar el inicio del ciclo de epitelio seminífero de una manera estadio-específica.

Fuente: Khanehzad M et al (2021). FSH regulates RA signaling to comming spermatogonia into differentiation pathway and meiosis. Reproductive Biology and Endocrinology 19:4.

 

Expresión y funciones de los 19-hidroxi esteroides

La enzima aromatasa es un producto del gen CYP19A1 y contiene 503 residuos de aminoácidos y un grupo heme (protoporfirina IX).  La aromatasa es una monooxigenasa que transfiere 1 átomo de oxígeno del dioxígeno molecular  al sustrato y 1 átomo  de oxígeno al agua. Hay varios sustratos endógenos para la aromatasa: androstenediona (AD), testosterona (T), 16-α hidroxitestosterona y dihidrotestosterona (DHT), aunque la DHT solo es oxidada y no es aromatizada.

   El complejo aromatasa tiene dos componentes: P40 aromatasa  y NADPH P450 reductasa, un producto del gen POR. La expresión de POR comienza en el estadio de dos células en el desarrollo embrionario y contiene flavina adenina dinucleotido (FAD) y flavina mononucleotido (FMN) que sirven como puerta de entrada y salida, respectivamente, para los electrones transferidos por NADPH al gen POR. La unión de NADPH induce un cambio conformacional en POR a una “forma cerrada” lista para la transferencia de electrones interflavina. Cuando el asa del dominio de conexión se extiende, la estructura completa cambia a una “forma abierta”, una forma adecuada para interactuar con la aromatasa.

   La enzima aromatasa cataliza una transformación  irreversible y compleja de andrógenos a estrógenos y es la única enzima conocida en vertebrados que cataliza la aromatización de un anillo de seis miembros. Esta reacción, reportada por primera vez en 1959, involucra tres hidroxilaciones consecutivas. Cuando el sustrato es la AD, las primeras dos etapas producen dos 19-hidroxi esteroides, 19-hidroxiandrostenediona (19-OH AD) y 19-oxoandrostenediona (19-oxo AD). La tercera etapa de la reacción aromatasa es la aromatización del anillo A del esteroide, la cual resulta en la formación de estrona (E1) y ácido fórmico. La interacción entre aromatasa y POR  es crítica para esta reacción y la extensión de hidroxilaciones depende de esta reductasa. La limitación de POR resulta en un reducido aporte de electrones y un incremento en la producción de 19-OH AD y 19-OXO AD con relación a la producción de E1. La aromatasa existe como homodímero y oligómero y forma heterodímero solo con POR. La relación sugerida es de 2:2 (1:1 homodímero aromatasa x 2 POR), la cual permite la mayor actividad y reduce la liberación de 19-hidroxi esteroides).

   La aromatasa actúa sobre sustratos de AD y T, produciendo una variedad de 19-hidroxi esteroides.  Las enzimas 17β hidroxiesteroide deshidrogenasa 2 y 3 (17β HSD2, 17β HSD3) catalizan la conversión de T en AD y AD en T,   respectivamente. Las 17β HSD1 y 17β HSD2 catalizan la conversión de E1 en estradiol (E2) y de E2 en E1, respectivamente. La enzima 3βHSD media la oxidación de dehidroepiandrosterona (DHEA) en AD. El tercer sustrato para la reacción aromatasa es 16α-hidroxitestosterona, de la cual se conoce muy poco. La T es convertida en DHT por la enzima SRD5A2 (5-α reductasa).

   La oxidación de AD en E1 por el complejo aromatasa involucra NADPH, NADPH 450 reductasa y aromatasa. La reacción no sigue  una trayectoria claramente lineal de secuencia de reacciones sino que tiene un carácter distributivo, donde 19-OH AD y 19-OXO AD se disocian libremente del sitio de unión de la aromatasa  y entran a la circulación sanguínea y/o tejido, o entran nuevamente a la reacción aromatasa para una posterior oxidación y producción de E1. El análisis detallado de las etapas de la  reacción aromatasa demuestra que la aromatasa permite una libre disociación de 19-hidroxi esteroides que ha sido atribuida a su naturaleza distributiva-disociativa. Resultados similares se han obtenido en estudios cinéticos y en ensayos de reconstitución. Entonces, la aromatasa es una enzima distributiva, y 19-OH AD y 19-OXO AD como productos de la reacción aromatasa pueden disociarse del complejo y acumularse en la sangre y los tejidos.

   La enzima aromatasa es expresada en cerebro, ovario, testículo, placenta, glándula adrenal, tejido adiposo, hueso, sistema olfatorio y en algunos canceres (por ejemplo, cáncer de mama y cáncer de próstata) y su expresión es regulada por promotores tejido-específicos. Todas las enzimas esteroidogénicas son detectadas en cerebro fetal y adulto y la aromatasa en particular está presente en hipotálamo, área preóptica (POA), lóbulo límbico, bulbo olfatorio, hipocampo, septum lateral, amígdala, núcleo del lecho de la estría terminal y núcleo acumbens. La AD,  sustrato de la aromatasa, también es expresada en el cerebro adulto humano. Más aún, la 3β HSD, la enzima que convierte DHEA en AD, también ha sido detectada, indicando que la oxidación de DHEA en AD es posible en el cerebro adulto. El análisis con espectrometría de masa del proteoma humano detectó 3β HSD en cerebro fetal, indicando que la AD puede ser sintetizada en el cerebro fetal. Estos resultados también sugieren la potencial presencia de 19-hidroxi esteroides en cerebro fetal y adulto.

   En humanos, La aromatización de AD por el hipotálamo y la amígdala fetales fue reportada por primera vez en 1971. Los estudios revelaron que la aromatización era dos veces mayor en el hipotálamo masculino que en el femenino. Estos resultados proporcionaron una base para la hipótesis de la aromatización según la cual la T sintetizada por el testículo fetal difunde en el cerebro masculino, donde es localmente aromatizada e inicia el proceso de masculinización. La expresión de aromatasa en las regiones sexualmente dimórficas del cerebro tiene su más alto nivel durante el período perinatal, indicando su rol crítico en el desarrollo de un patrón sexualmente dimórfico. Un aspecto difícil de explicar en la hipótesis de la aromatización implica que solo la T circulante es precursor de estrógenos, debido a que la T no es detectable en el cerebro fetal femenino. Este resultado sugiere potenciales roles para los productos de la reacción aromatasa derivados de la AD. Un estudio reciente reporta la represión activa de genes típicamente masculinos mediada por metilación de ADN durante el proceso de feminización del cerebro. Entonces, el proceso de diferenciación cerebral no está claramente definido y nuevos mecanismos, como el control epigenético están siendo activamente investigados.

    La actividad aromatasa en el cerebro es regulada y expresada y durante el desarrollo en diferentes regiones del cerebro de ratas machos. El número de neuronas aromatasa positivas en estudios con roedores de ambos sexos incrementa durante la gestación y alcanza un pico alrededor del nacimiento, con mayor expresión en los machos, pero el contenido de estrógeno (aunque aumenta en el nacimiento en el hipotálamo de los machos) disminuye significativamente dos horas después del nacimiento, cuando la actividad aromatasa es aún alta. Entonces, hay una carencia de correlación clara entre actividad aromatasa y contenido de estrógenos durante este período crítico, lo cual puede ser indicativo de una reacción aromatasa incompleta. Estos resultados indican una acumulación de 19-OH AD y 19-OXO AD en comparación con E1. Adicionalmente, está demostrado que la relación 19-hidroxilación/aromatización es similar en el hipotálamo de ratas neonatales y adultas en ambos sexos.

   Varios estudios sugieren que la conversión de T en AD por la enzima 17β-hidroxiesteroide deshidrogenasa (HSD17B2) puede ocurrir en el cerebro fetal. La HSD17B2 está presente en el cerebro fetal, donde puede convertir T en AD, haciéndola disponible como sustrato para la aromatización durante este período crítico. Experimentos recientes con modelos de ratones con carencia de aromatasa (ArKO) cerebro-específico demuestran la importancia de la aromatasa cerebral para la actividad sexual masculina dependiente de T y la regulación por retroalimentación de la T de origen testicular en  ratones adultos.

   Los folículos ováricos humanos sintetizan estrógenos de una manera compartamentalizada; los andrógenos son producidos en la capa de células tecales, mientras los estrógenos son producidos en la capa de células granulosas. Esta organización de “dos células” de la síntesis folicular de estrógenos puede tener su base en la competencia entre CYP17A1 y CYP19A1 por los equivalentes reductores proporcionados por POR si ambas enzimas son expresadas por la misma célula. La hormona estimulante del folículo (FSH) incrementa la actividad aromatasa y POR e induce la diferenciación de células granulosas en células esteroidogénicas en la rata.

   Las células germinales testiculares expresan aromatasa y los estrógenos juegan un rol importante en la maduración de espermatozoides. La asociación entre aromatasa y contaje y movilidad de los espermatozoides está claramente establecida y los 19-hidroxi esteroides 19-OH AD y 19-OH T han sido detectados en sangre de la vena testicular, sugiriendo su rol en la movilidad de los espermatozoides. Un estudio reciente demuestra que el tratamiento con letrozole disminuye los niveles de 19-OH AD en los testículos, aunque los efectos sobre la movilidad de los espermatozoides no fueron analizados.

   Cerca de 90 transcriptos de receptores olfatorios (OR) han sido encontrados en los espermatozoides humanos. Previamente, el receptor olfatorio hOR-17-4 había sido implicado en la quimiotaxis de los espermatozoides, y más recientemente varios OR han sido detectados en alta expresión en plasma seminal, espermatozoides, testículos y epidídimo. El OR51E2 es altamente expresado en acrosoma, pieza media y flagelo en espermatozoides. Un estudio reciente identifica a la 19-OH AD como un potente agonista del OR51E2. La activación de este OR por  19-OH AD puede contribuir a la movilidad de los espermatozoides. Adicionalmente, la secreción de 19-OH AD por los ovarios ha sido reportada en humanos. Estos estudios sugieren: (1) 19-OH AD y 19-OH T derivados de los testículos pueden contribuir  a la movilidad de los espermatozoides. (2) El 19-OH AD secretado por los ovarios puede activar al OR51E2 y contribuir a la quimiotaxis de los espermatozoides.

   En el embarazo, la concentración de 19-OH AD aumenta 6 veces al final del tercer trimestre. Este incremento de 19-OH AD en la sangre materna está combinado con una dramática disminución en la arteria umbilical en el parto, indicando que  el 19-OH AD es completamente transferido y tomado por el feto y/o la placenta en el parto. Altas cantidades de 19-OH AD también han sido detectadas en la placenta a término, indicando que la placenta puede la principal fuente de 19-hidroxi esteroides en el embarazo. La función de este esteroide y su importancia en el proceso del parto son aspectos aún sin aclarar. Por otra parte, en mujeres embarazadas normotensas, no se ha encontrado correlación entre los niveles de AD y embarazo. Sin embargo, en embarazadas hipertensas se ha demostrado una significativa correlación, Más aún, niveles aumentados de los niveles de T han sido encontrados en mujeres con preeclampsia y aunque los estudios iniciales reportan un incremento en los niveles circulantes de 19-OH AD en embarazadas hipertensas, los estudios recientes no apoyan este resultado. 

   La esteroidogénesis adrenal es regulada por la inervación simpática, la ACTH y por complejas interacciones paracrinas de células de la médula y la corteza. La aromatasa es expresada en la glándula adrenal, la cual produce  19-OH AD. La  secreción de 19-OH AD aumenta durante la estimulación por ACTH y angiotensina II. Estos resultados apoya  el concepto que la 19-OH AD tiene un origen adrenal. La más alta expresión de aromatasa en la glándula adrenal es detectada en la zona reticular y la síntesis de 19-OH AD es más común en esta área. Diversos estudios reportan correlaciones positivas entre  los niveles basales 19-OH AD, AD y cortisol  en plasma y  la supresión de la secreción de 19-OH AD por dexametasona indica que la secreción de 19-OH AD es regulada por el eje hipotálamo-hipófisis-adrenal (HHA).

   Varios moduladores neuroendocrinos como noradrenalina y péptido intestinal vasoactivo (VIP) son liberados por los nervios adrenales, mientras la AD y otros C19-androgenos son liberados por células adrenocorticales, sugiriendo que estas células potencialmente pueden liberar 19-OH AD. Por el contrario, el péptido natriurético atrial (ANP) disminuye la secreción de 19-OH AD. Las citoquinas producidas por células inmunes en la glándula adrenal o por células adrenales también pueden afectar la esteroidogénesis adrenal. Por ejemplo, la IL-6 activa el eje HHA y estimula la liberación de ACTH por la hipófisis, así como también la liberación de aldosterona, cortisol y DHEA por la glándula adrenal. Entonces, las citoquinas indirectamente  incrementan la secreción de 19-OH AD vía ACTH.

   Las ratas tratadas con 19-OH AD desarrollan hipertensión arterial y los elevados niveles de 19-OH AD han sido reportados en pacientes con hipertensión esencial. 19-OH AD y 19-OXO AD también amplifican la acción de retención de sodio de la aldosterona. Estos resultados sugieren un potencial rol del sistema renina-angiotensina (RAS) en la secreción de 19-OH AD.

   La sobre expresión de aromatasa en tumores resulta de un desvío en el uso del promotor, lo cual permite la activación de la ruta de señalización dependiente de cAMP y provoca un incremento en la síntesis de estrógenos. La aromatasa y CYP17A1 requieren POR para el transporte de electrones y la catálisis, y son expresadas en la misma célula, como es el caso de la célula cancerosa, las dos enzimas citocromo compiten por el POR, los equivalentes reductores NADPH y el O₂. En el cáncer de próstata metastásico, la CYP19A1 incrementa 30 veces y la CYP17A1 incrementa 17 veces, mientras la enzima 5α reductasa, la cual convierte T en DHT, disminuye 9 veces. El desbalance de la relación T:E ha sido asociado con progresión del cáncer de próstata. Un incremento en la secreción de 19-OH AD ha sido detectado en células de cáncer de próstata después de la activación del OR51E2, indicando un potencial rol para los productos de la reacción aromatasa en la carcinogénesis de la próstata. Las hormonas esteroides estimulan la progresión del cáncer de próstata y los ratones ArKO tienen reducción de  hiperplasia prostática e incidencia de cáncer de próstata después de la exposición a T y estrógenos, indicando que los 19-hidroxi esteroides están involucrados en la carcinogénesis de la próstata.

   En conclusión, la reacción aromatasa a partir del sustrato androstenediona procede en tres etapas consecutivas. En las primeras dos etapas son producidos los 19-hidroxi esteroides. En la tercera etapa es producida la estrona. Los productos de la reacción aromatasa pueden disociarse del complejo enzimático y acumularse en los tejidos o entrar en la circulación sanguínea. Actualmente hay evidencia de la existencia de 19-hidroxi esteroides en cerebro, ovarios, testículos, glándulas adrenales, cáncer de próstata y durante el embarazo y el parto. Los datos disponibles en la literatura involucran a los 19-hidroxi esteroides en los procesos de diferenciación cerebral durante períodos críticos, la movilidad y quimiotaxis de los espermatozoides, la función del ovario, la hipertensión arterial esencial y el cáncer de próstata.

Fuente: Abaffy T, Matsunami H (2021). 19-hydroxy steroids in the aromatase reaction: Review on expression and potential functions. Journal of the Endocrine Society 5: 1-13.