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.