Proteína de unión a vitamina D y secreción de glucagón

El glucagón es la principal hormona contra reguladora que previene la hipoglucemia inhibiendo la secreción de insulina e incrementado la producción endógena de glucosa. Como el segundo tipo de células más abundante en los islotes de Langerhans, las células alfa son la principal fuente de (pro) glucagón y trabajan en cooperación con las células beta que secretan insulina y las células delta que secretan somatostatina en el control de la homeostasis de la glucosa.  Durante la diabetes tipo 2 (T2DM) y diabetes tipo 1 (T1DM), la función de las células alfa es desregulada, provocando inapropiada secreción de glucagón, exacerbación de los niveles sanguíneos de glucosa y alteración de la respuesta contra reguladora. Por otra parte, la hipersecreción de glucagón y la alteración de la contra regulación contribuyen a la insuficiencia de células beta y al desarrollo de T2DM. El gen GC/Gc en las células alfa codifica la proteína de unión a vitamina D (DBP), también conocida como globulina GC, es  considerada el mayor transportador de metabolitos de vitamina D en la circulación sanguínea. Sin embargo, la DBP es una proteína multifuncional que se une a ácidos grasos y activa macrófagos.

   Los islotes pancreáticos controlan la glucemia a través de una secreción muy coordinada  de hormonas. La hiperglucemia estimula a las células beta para secretar insulina, la captación de glucosa en el tejido muscular e inhibe la producción endógena de glucosa en el hígado, lo cual resulta en disminución de los niveles sanguíneos de glucosa hasta alcanzar la normoglucemia. En la medida que los niveles de glucosa continúan disminuyendo hasta llegar a la hipoglucemia, las células alfa comienzan a secretar glucagón, estimulando la glucogenolisis y la gluconeogénesis en el hígado, liberando glucosa a la circulación sanguínea como parte de la respuesta contra-reguladora. El control de la secreción de glucagón opera a través de rutas dependientes de glucosa (endógenas) y rutas independientes de glucosa (exógenas).

   Las células alfa expresan varios canales iónicos que en conjunto contribuyen a la despolarización de la membrana, entrada de iones y exocitosis. Con baja concentración de glucosa (1mM), los canales de K⁺ sensibles a ATP (K_ATP) son moderadamente activos, provocando un potencial de membrana de -60 mV. Esta despolarización es suficiente para abrir canales de Ca²⁺ tipo T, despolarizar la membrana a -40 mV y activar canales de Ca²⁺ tipo L, tipo N, tipo P/Q y canales de Na+. La apertura de estos canales de Ca²⁺ activados por voltaje permite la entrada de Ca²⁺ al citoplasma, generando potenciales de acción para disparar la exocitosis de glucagón. Por el contrario, el aumento en los niveles de los niveles sanguíneos de glucosa incrementa la relación ATP/ADP causando el cierre de los canales de K_ATP. Esta despolarización provoca la inactivación parcial de los canales de Na+ deprimiendo la amplitud del pico del potencial de acción, la activación de canales P/Q y, por tanto, inhibe la  secreción de glucagón.

   Otro mecanismo opera  de manera independiente de K_ATP vía canales de Ca²⁺ operados por almacenamiento (SOC). Con bajos niveles de glucosa, los SOC se abren, manteniendo un potencial despolarizante. Cuando los niveles de glucosa y ATP/ADP aumentan, el Ca²⁺ es secuestrado en el retículo endoplásmico vía Ca²⁺-ATPasa (SERCA), causando el cierre de los canales SOC y la repolarización de la membrana de la célula alfa. Esto provoca una baja frecuencia de potenciales de acción  y la inhibición de la secreción de glucagón. La concentración de glucosa en el rango de hipoglucemia incrementa los niveles de cAMP, el cual ejerce numerosos efectos sobre la función de la célula alfa, incluyendo liberación de Ca²⁺ de los depósitos intracelulares e incremento de la entrada de Ca²⁺ vía canales tipo L.  

   Los mecanismos paracrinos activados por los altos niveles de glucosa contribuyen a la inhibición de la secreción de glucagón. Las células alfa expresan receptores para insulina y somatostatina, los cuales son activados por las células beta y delta, respectivamente, suprimen la secreción de glucagón, disminuyen los niveles sanguíneos de glucosa y glucagón postprandial. Otros secretagogos de células beta incluyen zinc, amilina, GABA y 5-HT, los cuales inhiben la secreción de glucagón en grados variables. Por el contrario, el glucagón es un potente estimulador de la secreción de insulina. Por otra parte, el sistema nervioso parsimpático es un fuerte disparador de la liberación de glucagón vía mecanismos colinérgicos y no colinérgicos.

   El péptido similar a glucagón-1 (GLP-1) y el polipéptido inhibidor gástrico (GIP) ejercen efectos glucagonostático y glucagonotrópico, respectivamente. Los agonistas del receptor  de GLP-1 (GLP-1R) suprimen la secreción de glucagón, mientras aumentan la liberación de insulina de una manera dependiente de GLP-1R. El GLP-1R está ausente en las células alfa y los efectos de los agonistas son indirectos vía otros tipos de células de los islotes pancreáticos, aunque estudios electrofisiológicos han demostrado efectos directos del mismo GLP-1, posiblemente vía productos de degradación  que actúan  vía receptor de glucagón.

   La sensibilidad  de las células alfa a la glucosa está comprometida en  T2DM y la alteración de la secreción de glucagón exacerba la hiperglucemia, lo cual altera la función de las células beta.  La hiperglucagonemia persistente en el ayuno y el estado postprandial es comúnmente observada en diabetes, indicando pérdida de inhibición de células alfa en estados hiperglucémicos. Se ha sugerido que la hiperglucagonemia se debe al desarrollo de las células alfa de resistencia a la insulina y la hiperglucemia. Estudios recientes en células alfa humanas demuestran que  la glucosa (intrínseca) y las señales paracrinas (extrínseca) interactúan para regular la exocitosis de gránulos de glucagón y esta interacción se vuelve disfuncional durante la T2DM. Cambios en la masa de células alfa han sido reportados durante la diabetes con estudios en T1DM y T2DM que demuestran un incremento en la masa de células alfa. Los cambios en la masa de células alfa generalmente ocurren tempranamente en la progresión de la enfermedad.

   La GC, inicialmente aislada del hígado en 1959, es una proteína polimórfica del suero. En 1979, se demostró que une vitamina D y fue referida como DBP. Los estudios posteriores indican que la DBP está estructuralmente relacionada con la albúmina y la α-fetoproteína, con el gen GC como miembro de la familia de genes albúmina/α-proteína en el cromosoma 4. La DBP es el mayor transportador de metabolitos de vitamina D en suero. La principal forma circulante de vitamina D, 25(OH)D, muestra la más alta afinidad de unión por DBP, resultando en 85% de 25(OH)D unido a DBP, 15% unido a albúmina y menos del 1%  libre en la circulación sanguínea. La unión de 25(OH)D es fundamental para la endocrinología de la vitamina D con captación por endocitosis facilitada de 25(OH)D-DBP vía complejo megalina-cubilina, esencial para la síntesis renal de 1,25(OH)2D en los túbulos proximales.  Fuera de los riñones, un amplio rango de tejidos expresan megalina-cubilina y, por tanto, son capaces de adquirir metabolitos de vitamina D unidos a DBP vía captación por endocitosis. Sin embargo, la expresión de megalina-cubilina no es universal y se requieren otros mecanismos para la captación  de 25(OH)D y 1,25(OH)2D en muchas células. La hipótesis de hormona libre describe la hormona no unida como la fracción biodisponible para la captación celular. La naturaleza lipofílica de  los metabolitos de vitamina D no unidos a DBP permite la libre difusión a través de la membrana plasmática para alcanzar blancos intracelulares como la enzima 25-OHD-1 α-hidroxilasa (CYP27B1) o l receptor nuclear de vitamina D (VDR). La DBP también se une a G-actina y ácidos grasos. Adicionalmente, una forma desglucolsilada de DBP puede actuar como factor activador de macrófagos.  El complejo DBP-macrófago activa macrófagos y células relacionadas, como los osteoblastos, y juega un rol en la inflamación y remodelación ósea.

   En humanos, la DBP está compuesta por 458 aminoácidos con tres dominios α-hélices. El dominio I contiene la región de unión de vitamina D, mientras la unión de G-actina ocurre entre los dominios II y III, sugiriendo que la G-actina no compite con la unión de vitamina D. La DBP también se une a  grasas monoinsaturadas, poliinsaturadas y saturadas.  La DBP también tiene un rol en la morfología de las células alfa. La pérdida de DBP provoca alteración de la morfología, función y liberación de glucagón  por las células alfa y puede representar un marcador de inicio tardío de T1D. La DBP está presente en los gránulos de glucagón en células alfa humanas, también actúa  directamente sobre filamentos de actina cerca de la membrana plasmática. Se especula que la DBP es liberada en el espacio extracelular con glucagón en respuesta a bajos niveles de glucosa, donde puede ejercer efectos paracrinos sobre poblaciones de células vecinas o efectos autocrinos sobre las mismas células alfa. La DBP también es expresada en las células delta de los islotes pancreáticos.

   Los patrones de expresión de genes en los tejidos demuestran que GC es expresada predominantemente en el hígado, con los islotes pancreáticos como un órgano con una significativa expresión de GC.

En conclusión, el glucagón juega un rol importante contra la acción  de la insulina, incrementando la producción endógena de glucosa y balanceando los niveles de glucosa. La DBP es un importante contribuyente de la liberación de glucagón. Conocida primariamente por sus propiedades  de unión a vitamina D y otros sustratos como actina y ácidos grasos, la DBP tiene un rol multifuncional. Durante los estados de enfermedad, las células alfa responden inapropiadamente al estímulo, provocando un desregulación de la secreción de glucagón, alteración de la tolerancia a la glucosa e hipoglucemia. La pérdida de DBP provoca células alfa más pequeñas e hiperplásticas que secretan menos glucagón a pesar de contar con suficiente vitamina D. Las células alfa que carecen de DBP exhiben alteración de los flujos de Ca²⁺ y la conductancia de Na⁺, así como cambios en la distribución de los gránulos de glucagón.

Fuente: Viloria K et al (2022). Vitamin D binding protein/GC-globulin: a novel regulator of alpha cell function and glucagon secretion.  Journal of Physiology  600:1119-1133.