Hormonas tiroideas y desarrollo del cerebelo

La expresión organizada de genes específicos en tiempo y es espacio es responsable de la organogénesis del sistema nervioso central (SNC). Los defectos en el desarrollo del cerebro son inducidos por anormalidades en cantidad, tiempo o área de expresión de genes.  La regulación epigenética de la expresión de  genes es regulada por un programa genético intracelular intrínseco en las células neuronales y por varios estímulos, locales y periféricos, de otros tipos de células. Los estímulos locales incluyen impulsos sinápticos y factores tróficos en el cerebro. Los estímulos periféricos incluyen impulsos sensoriales del sistema nervioso periférico e impulsos hormonales de células endocrinas. Estos factores trabajan en conjunto y contribuyen al desarrollo y plasticidad del cerebro. Adicionalmente, los factores ambientales son importantes moduladores. 

    El cerebro consiste de complejas redes interneurales. El cerebelo es uno de los pocos sitios en el cerebro en el cual la red neural ha sido extensamente estudiada. La estructura de su corteza está bien organizada, con un arreglo específico y uniforme de células y microcircuitos. Las hormonas como estímulos periféricos influyen en el desarrollo del cerebro incluyendo al cerebelo. Algunos receptores hormonales son expresaos en el cerebelo. Entre las numerosas hormonas circulantes, algunas hormonas lipofílicas incluyendo hormonas tiroideas (HT), hormonas gonadales y glucocorticoides están involucradas en el desarrollo del cerebelo. Estas hormonas son capaces de cruzar la barrera hematoencefálica (BHE),  sus receptores pertenecen a la familia de receptores nucleares (RN) y regulan la transcripción de genes de una manera dependiente de ligando.  Los RN están ampliamente distribuidos en el SNC con perfiles de expresión específicos. Particularmente, durante el desarrollo del cerebelo, los NR exhiben un patrón de expresión temporal y espacial. Los HT son reguladores conocidos del desarrollo del cerebelo. En roedores y humanos, el hipotiroidismo durante el período de desarrollo postnatal resulta en morfogénesis anormal y alteración de la función del cerebelo.

   Las HT son sintetizadas a partir de tirosina y yoduro en la glándula tiroides. La peroxidasa tiroidea y la oxidasa dual (DUOX) juegan roles centrales en la incorporación de yoduro en los residuos tirosina de la tiroglobulina.  Las HT incluyen L-triyodotironina (T3) y L-tetrayodotironina (tiroxina, T4). La T4 es la principal HT producida en la glándula tiroides. La T3 es producida directamente en la glándula tiroides o por desyodación de T4 en tejidos periféricos. La desyodasa tipo 2 (DIO2) es la enzima dominante responsable de la desyodación de HT en el cerebro. Las HT entran a la célula a través de transportadores de la membrana como el transportador monocarboxilato 8  (MCT8).

   Las HT se unen al receptor de hormona tiroidea (RT) en el núcleo y regulan la transcripción de genes. La T3 posee mayor afinidad por RT y es registrada como la forma activa de las HT. Los RT contienen un dominio de unión a ADN (DBD) y un dominio de unión a ligando (LBD), responsable de la dimerización del RT. Los RT son codificados por dos genes, THRA y THRB, localizados en los cromosomas 17 y 3 en humanos. Estos genes generan varias isoformas de RT. Tres isoformas RTα1, RTβ1 y RTβ2 unen HT y sirven como factores de transcripción dependientes de ligando. Estas isoformas son funcionalmente similares,  pero sus roles son distintos dependiendo de sus perfiles de expresión. El RTα2 carece de capacidad para unirse a HT y trabaja como un inhibidor endógeno de  otros RT. Adicionalmente, son producidas algunas proteínas truncadas como RT∆α1 y RT∆α2. Al menos en ratones, estas dos proteínas funcionan como supresores transcripcionales in vivo. Más aún, el RTβ3 y su proteína relacionada son registrados como isoformas menores.

  El RT ejerce funciones bilaterales similares al receptor de ácido retinoico y al receptor de vitamina D.  El RT se une a secuencias específicas de nucleótidos  conocidas como elementos de respuesta a RT (ERT) en sus genes blancos como homodímero, o como un heterodímero con  el receptor retinoide X. En ausencia de ligando, complejos correpresores se unen al RT y suprimen la transcripción. Cuando los complejos correpresores son liberados del RT, son reclutados complejos coactivadores, los cuales estimulan la transcripción. Los cofactores incluyendo correpresores y coactivadores pueden alterar la estructura de la cromatina modulando la modificación de histonas o la estabilidad de la maquinaria transcripcional basal. Estudios recientes indican que el intercambio de cofactores no sigue un modelo “todo o nada” in vivo sino que la expresión de genes blanco de RT es regulada por un desvío en la unión relativa de correpresores y coactivadores.

   Los genes blanco regulados al alza por el RT son responsables de los efectos celulares de las HT. Estos efectos incluyen algunas funciones celulares básicas como proliferación,  migración y diferenciación, necesarias para el desarrollo y la plasticidad del cerebro. Algunos estudios sugieren que la acción no genómica de las HT a través de las integrinas αvβ3 de la membrana es responsable de la proliferación celular. Las HT juegan roles importantes en la maduración y diferenciación de numerosos tipos de células incluyendo neuronas y células gliales. La diferenciación neural por HT contribuye a múltiples fenómenos como alargamiento de axones, sinaptogénesis y arborización de dendritas. Algunos ejemplos de genes blancos de HT responsables del desarrollo del cerebelo son la proteína de célula de Purkinje-2 y la proteína básica de mielina. Adicionalmente, los genes blancos regulados al alza por HT inducen efectos secundarios o terciarios.

   La deficiencia de HT durante el período postnatal causa hipotiroidismo congénito (HC) en humanos. El HC no tratado causa un pobre desarrollo neural en niños con retardo metal, ataxia cerebelosa, sordera y alteración del crecimiento corporal. El cerebelo ha sido identificado como una región sensible a HT durante el desarrollo cerebral. Una de las principales causas de hipotiroidismo primario es la anormalidad en el desarrollo de la glándula tiroides (disgenesia tiroidea). Otra causa son los errores  en la génesis de HT (dishormonogénesis). Los modelos más comunes de HC en roedores son inducidos por drogas anti-tiroideas como propiltiouracilo o 2-mercapto-1-metilimidazol (MMI).  Los estudios con estos modelos reportan reducción del peso del cerebelo, prolongada proliferación celular en la capa de células granulares externa, retardo en la diferenciación celular en las capas molecular y granular interna, incremento en el número de células granulares y astrocitos y disminución en el número de células en cesta. Otros estudios reportan retardo en la mielinización, desconexiones sinápticas entre neuronas del cerebelo y fibras aferentes de otras regiones del cerebro, disminución de la arborización dendrítica de células de Purkinje, fibras paralelas más cortas con pocos contactos sinápticos con las células de Purkinje.

   Además del hipotiroidismo inducido por drogas en modelos animales, las mutaciones o modificaciones de genes que regulan el desarrollo de la glándula tiroides han sido reportados como modelos de HC. Por ejemplo, el gen PAX8 es requerido por las células foliculares de la glándula tiroides de humanos y roedores.  Los ratones Pax8^-/- muestran un defecto en la organización y una reducción en la elaboración de dendritas que puede ser restaurado por el tratamiento con HT. Los ratones “knockout” de gen Duoxa (Duoxa^-/-), el cual juega un rol en la síntesis de HT, muestran cambios morfológicos similares en el cerebelo a los dos semanas postnatales con severo hipotiroidismo  y la disfunción persiste a lo largo de la vida.

   La resistencia a HT (RHT) es la categoría más común de sensibilidad alterada a HT en humanos. La RHT es un síndrome que se caracteriza por reducida acción intracelular de T3. Aproximadamente 85% de las familias con RHTβ tienen mutaciones en el RTβ. Debido a defectos en la regulación por retroalimentación del eje hipotálamo-hipófisis-tiroides (HHT), los pacientes con RHTβ tienen altos niveles de T4 y T3 con niveles normales o bajos de hormona estimulante de la tiroides (TSH). Los pacientes con RHTβ presentan varios síntomas, algunos pacientes muestran hipertiroidismo mientras otros exhiben hipotiroidismo. La diversidad de los síntomas puede deberse a las diversas respuestas a los altos niveles de HT. Algunos estudios reportan que los pacientes con RHTβ presentan una alta prevalencia de desórdenes de déficit de atención y dificultades para el aprendizaje, similares a los síntomas de hipertiroidismo. Dado que el RTα no está involucrado en la regulación del eje HHT, los pacientes con RHTα tienden a tener bajos niveles de T4, niveles altos de T3 y niveles bajos de T3 reversa (rT3). Los principales hallazgos clínicos registrados en el SNC de pacientes RHTα son retardo mental y alteraciones motoras, similares a los síntomas del HC. Los ratones con mutaciones RTα, similar a los pacientes con RHTα, exhiben hipotiroidismo. El fenotipo cerebelar de modelos animales con RHT es más severo que en los animales con RT “knockout”, indicando que el desarrollo anormal del cerebelo que se observa en animales hipotiroideos puede ser inducido principalmente por RT sin ligando. Más aún, el efecto puede no ser un resultado de resistencia a HT generalizada sino una resistencia específica de células del cerebelo a la acción de las HT. Esta hipótesis es apoyada por estudios en modelos animales que expresan células del cerebelo RT negativas-dominantes, con desarrollo aberrante del cerebelo.

   Las HT requieren de transportadores para pasar la BHE y alcanzar las neuronas en el cerebro. Dos transportadores transmembrana, MCT8 y el polipéptido transportador de aniones orgánicos 1C1 (OATP1C1) transportan T4 y T3 de manera específica. El OATP1C1 tiene alta afinidad por T4 y rT3, pero baja afinidad por T3. Los transportadores MCT8 y OATP1C1 están localizados en células neurales, células endoteliales de microvasos y plexo coroideo. En particular, el MCT8 es esencial para transportar HT a través de la BHE. Las mutaciones en MCT8 causan el síndrome Allan-Herndon-Dudley (AHDS) que se caracteriza por función tiroidea alterada (niveles bajos de T4 y niveles altos de T3) y neurodesarrollo severamente alterado. Los patrones de expresión espaciotemporal de MCT8 contribuyen a la alta demanda de HT en el cerebro en desarrollo. Los ratones Mct8^-/- muestran un perfil tiroideo con niveles relativamente bajos de T3 en diferentes áreas del cerebro, pero no muestran mayores defectos en la histopatología cerebral ni cambios conductuales. En particular, los ratones Mct8^-/- no revelan efectos sobre la morfología  de las células de Purkinje en el cerebelo. Las diferencias entre humanos y ratones sugieren que los ratones MCT8^-/- pueden tener un mecanismo compensatorio para suplir HT a las neuronas como OATPC1 y DIO2. Esta hipótesis es apoyada por la mayor expresión de OATPC1 en la BHE de roedores en comparación con humanos.

   Las enzimas desyodasas juegan roles importantes en la activación y desactivación de HT. En el SNC, la DIO2 es predominantemente expresada en astrocitos y convierte la prohormona T4 en la hormona activa T3. Por el contrario, la DIO3 es expresada principalmente en neuronas y convierte T4 en rT3 y T3 en T2 en la inactivación de HT. El balance entre actividad DIO2 y DIO3 puede determinar la concentración local de T3. Adicionalmente, es conocido que el balance de DIO2/3 controla dinámicamente el desarrollo del cerebelo en ratas. En la segunda semana postnatal, la DIO2 es regulada al alza mientras la actividad DIO3 es regulada a la baja. Estos cambios se correlacionan con las demandas de HT como mielinización y sinaptogénesis en un período sensible en el cerebelo de ratones.

   La acción de HT es mediada por RT y varios factores transcripcionales. Los coactivadores de receptores nucleares (NCoA) y correpresores (NCoR) se unen a receptores nucleares, incluyendo RT, de una manera dependiente de ligando y median las actividades transcripcionales. Los NcoA son expresados en el SNC, pero poco se conoce de sus roles fisiológicos en las neuronas. Recientemente, comienzan a emerger reportes de variantes genéticas de NCoA en condiciones relacionadas con el SNC en humanos. Por ejemplo, variantes genéticas en NCoA han sido encontradas en pacientes pediátricos con discapacidad intelectual o desórdenes del espectro autista. El NCoA1 es predominantemente expresado en células de Purkinje y células granulares del cerebelo en desarrollo de ratas.

   El RT, además de NCoA y NCoR, puede interactuar con otros RN que regulan la expresión de genes como el receptor orfan relacionado con ácido retinoico α (RORα). El RORα es expresado en células de Purkinje y juega un rol crítico en el desarrollo del cerebelo. El RORα puede estar involucrado en  la expresión de genes regulados por HT en el desarrollo del cerebelo. En efecto, en ratas, las HT regulan la expresión de RORα en las primeras dos semanas postnatales, indicando que las HT pueden alterar la expresión de genes críticos para el desarrollo del cerebelo a través de la regulación de RORα. Más aún, el RORα aumenta la transcripción mediada por RT. El RORα también puede interactuar con el RT sin unirse a los ERT. Los resultados de los estudios indican que el RORα es requerido para la función completa del RT en el cerebelo en desarrollo.

   En conclusión, la expresión organizada de genes específicos en tiempo y espacio es responsable de la organogénesis del SNC incluyendo al cerebelo. Está establecido que las HT juegan un rol critico en el desarrollo del cerebelo. En humanos y roedores, el hipotiroidismo durante el desarrollo postnatal resulta en morfogénesis anormal o función alterada del cerebelo. Las HT se unen a RT en el núcleo y con la ayuda de cofactores  regulan la transcripción de genes. La regulación de genes por RT induce proliferación, migración y diferenciación que son necesarias para el desarrollo y la plasticidad del cerebro. Por tanto, la carencia de mediadores de la acción de HT puede causar directamente un desarrollo aberrante del cerebelo.

Fuente: Ishii S et at (2021). The role of thyroid hormone in the regulation of cerebellar development. Endocrinology and Metabolism  36: 703-716.