Progesterona: mecanismos no-genómicos en el cerebro

Aunque el rol paradigmático de la progesterona (pregn-4-ene 3, 20-diona) está en la reproducción, también ejerce acciones extra-reproductivas significativas a través de múltiples rutas de señalización no nuclear (no-genómicas). Estas diferentes  funciones incluyen la inmunomodulación, la inhibición de la biosíntesis de colesterol y la neuroprotección.  El mecanismo clásico mediante el cual la progesterona ejerce sus acciones es vía  receptor de progesterona (RP), el cual ha sido descrito  como un factor de transcripción nuclear que actúa  a través de los elementos de respuesta  específicos de progesterona en la región promotora de los genes para regular la transcripción. Existen dos isoformas principales del RP clásico, el RP-B y su variante truncada en el extremo N-terminal, el RP-A. Este último ejerce un control negativo no sólo sobre la transcripción mediada por el RP-B sino también sobre la transcripción mediada por receptores de estrógenos y glucocorticoides. La regulación negativa de la función del receptor de estrógenos por un RP puede explicar, al menos en parte, el mecanismo por el cual las progestinas antagonizan funcionalmente los efectos de los estrógenos. Sin embargo,  la relación entre progesterona y receptor de estrógenos no siempre es antagónica. La progesterona también ejerce efectos vía mecanismos no-nucleares  a través de la activación  de rutas de señalización que pueden ser mediadas por RP distintos, incluyendo los RPs asociados  a membrana.

Los efectos celulares/fisiológicos de la progesterona mediados por el RP clásico generalmente no son rápidos, dado el tiempo requerido para inducir la transcripción de genes y el traslado de esos genes en proteínas. Por el contrario, las acciones no-genómicas son rápidas y ocurren en varios tejidos, incluyendo al cerebro,   a través de mecanismos alternativos. Estos efectos “no-clásicos” de la progesterona pueden  iniciarse   en la superficie celular y activar rutas de  señalización intracelular, a través de la modulación de receptores de superficie, canales iónicos y segundos mensajeros citoplasmáticos. Es conveniente hacer notar que aunque estos efectos son llamados no-genómicos, la activación rápida de kinasas citoplasmáticas puede resultar en efectos tanto independientes como dependientes de la transcripción de genes. Entre las rutas de señalización  no-nucleares activadas por la progesterona están: la kinasa relacionada con señal extracelular (ERK), la  AMPc/proteína kinasa A (PKA), la proteína kinasa G (PKG),  la entrada de Ca²⁺/activación de  la proteína kinasa C (PKC) y la fosfatidilinositol 3 kinasa (PI3K) /Akt. Adicionalmente, la progesterona (o sus metabolitos) puede actuar directa y rápidamente  sobre receptores de neurotransmisores como los receptores GABA _A y sigma-1/2 para regular la función celular.   Con respecto a la señal de Ca²⁺, varios reportes sugieren un enlace funcional entre la progesterona y los niveles intracelulares de Ca²⁺. Las consecuencias de la activación de  estas rutas de señalización son numerosas e incluyen influencias sobre la liberación de neurotrofina, proliferación  del progenitor neural, regulación de los niveles intracelulares  de Ca²⁺ y regulación de la viabilidad celular.

Los efectos neuroprotectores de la progesterona no pueden  explicarse por una sola ruta de señalización porque requieren la activación complementaria de múltiples rutas, incluyendo las que involucran RP de membrana. En efecto, varias líneas de evidencias apoyan el rol de los RP asociados a la membrana celular en la mediación de los efectos de la progesterona sobre el cerebro. Al presente han sido identificadas dos tipos de proteínas asociadas a la superficie  celular: RP de membrana  (mRP) y el componente receptor de membrana de progesterona (Pgrmc). Los mRP (aproximadamente 40 KDa) comprenden tres subtipos: mRP α, β y γ, los cuales pertenecen a la familia  de receptores  acoplados a proteína G.  Recientemente, se han caracterizados en el cerebro dos nuevos subtipos, mRPδ y mRPε. Los mRPs se unen a la progesterona con alta afinidad y median importantes funciones fisiológicas en tracto reproductivo, hígado, tejidos neuroendocrinos y sistema inmune.  Aunque los RP clásicos y los mRPs son co-expresados en algunas regiones cerebrales (hipocampo, corteza, hipotálamo y cerebelo), su perfil de especificidad por el ligando no es idéntico.  Por ejemplo, los mRPs se unen  a la 17α-hidroxiprogesterona y a la 5-dihidroxiprogesterona  con mayor afinidad que los RP clásicos.  En términos de distribución celular, la isoforma mRPα normalmente es expresada  por neuronas, pero no por oligodendrocitos  o astrocitos. Sin embargo, en casos de injuria cerebral traumática,  puede ser expresada por astrocitos, oligodendroccitos y microglía. Este incremento en la expresión de mRP ha sido propuesto para  mediar los efectos anti-inflamatorios de la progesterona en casos de injuria cerebral. Por lo tanto, el complemento de RPs expresado en el cerebro puede ser manejado  por la salud del tejido.

Las proteínas  transmembrana pgrmc1 y pgrmc2  son parte de un complejo multiproteico que se  une a la progesterona y otros esteroides. El  Pgrmc1 (conocido como 25-Dx en ratas y Hpr6 en humanos) fue descubierto en hígado y musculo liso vascular porcinos y más tarde clonado en otras especies, incluyendo humanos. El Pgrmc1 tiene un dominio N-terminal transmembrana y un dominio citoplasmático para la unión de proteínas con  dominios SH2 y SH3 así como también tirosinas kinasas. Esto sugiere un potencial rol del Pgrmc1 como un adaptador involucrado en interacciones de proteínas  y señales de transducción intracelulares.

Los mRPs y los Pgrmc son expresados en altos niveles en el cerebro, pero sus funciones   en los efectos de la progesterona en el sistema nervioso central apenas comienzan a ser reveladas. Por ejemplo, un reporte reciente señala que la alopregnanolona y otros  neuroesteroides se unen a mRPδ y disminuyen la apoptosis inducida por el ayuno en neuronas del hipocampo. Adicionalmente, mRPα, mRPβ y pgrmc1 han sido implicados  en el efecto represor de la progesterona sobre la liberación de GnRH en neuronas hipotalámicas. El efecto positivo de la progesterona sobre la proliferación del progenitor neural puede ser mediado por el Pgrmc1. En el sistema nervioso central, la función de los RPs asociados a membrana  no se limita a las neuronas.  En efecto, la progesterona dispara la liberación del factor neural  derivado del cerebro (BDNF), vía Pgrmc1, en las glías. Es importante señalar que los dos receptores no siempre trabajan de manera independiente. Por ejemplo, la activación de los mRPα y β en el miometrio humano provoca la transactivación del RP-B. Los RP clásicos  pueden también mediar los efectos de la progesterona  a través de mecanismos no-genómicos/extranucleares. El RP-B humano contiene un residuo poliprolina en su dominio amino-terminal que interactúa con el dominio SH3 de Src. Por lo tanto,  el RP citoplasmático puede mediar la activación rápida de c-Src inducida por la progesterona. Los RPs  también  pueden mediar los efectos  de la progesterona  sobre el desarrollo y progresión del cáncer de mama  a través de la activación de las rutas Src/ERK1/2 o PI3K/Akt.

Otro mecanismo por el cual la progesterona puede ejercer efectos neuroprotectores es a través de sus metabolitos, los cuales a su vez, pueden interactuar con receptores asociados a membrana acoplados  a canales iónicos como el receptor GABA_A. Tales metabolitos incluyen a la alopregnanolona (3α, 5α tetrahidroprogesterona) que puede unirse a sitios discretos  en el dominio hidrofóbico  del receptor GABA_A y producir la potenciación de la conductancia de Cl^- inducida por el GABA.  Adicionalmente, la alopregnanolona puede llevar a cabo efectos protectores a través de sus acciones sobre la mitocondria. Por ejemplo, la alopregnanolona  inhibe corrientes asociadas con la permeabilidad mitocondrial. Más aún, la alopregnanolona  ejerce efectos significativos sobre la  neurogénesis. La alopregnanolona puede también ejercer efectos neuroprotectores mediante la regulación del BDNF. 

Por otra parte, se ha demostrado que la progesterona  puede tener influencias no alostéricas sobre el receptor GABA_A. La progesterona puede influenciar al receptor GABA_A vía activación de una ruta de señalización  que a su vez influye en las corrientes disparadas por  el GABA  a través de la fosforilación  de sitios discretos en ciertas subunidades del receptor GABA_A. En vista de la importancia que tiene la regulación  del receptor GABA_A para la supervivencia celular, particularmente en modelos de excitotoxicidad,  la acción de la progesterona sobre este receptor puede ser relevante para su efecto neuroprotector. Otra acción no-clásica de la progesterona  consiste en un efecto protector a través de la interacción con el receptor  sigma 1(σ₁), dado el rol  de este receptor en la neuroproteción.

En resumen, la progesterona tiene una diversidad de tejidos blanco, los mecanismos a través de los cuales ejerce sus efectos son igualmente diversos. Por ejemplo, la progesterona puede activar receptores alternativos, distintos de los clásicos RP, como los receptores asociados a membrana y a través de ellos activar rutas de señalización intracelular que a su vez pueden influir en la función celular. Numerosos reportes apoyan la importancia de estos mecanismos no-genómicos en los efectos de la progesterona sobre el sistema nervioso central, especialmente  aquellos que influyen en la viabilidad celular en el cerebro.

Fuente: Singh M et al (2013). Non-genomic mechanism of progesterone action in the brain.  Frontiers in Neuroscience volume 7, Article 159.

Los ácidos grasos  y el sistema canabinoide endógeno

El sistema canabinoide endógeno está implicado en la homeostasis y en la ingesta hedónica de alimentos, la activación del sistema produce un incremento en el hambre. Específicamente, el N-araquidonoíletanolamida(o anandamida, AEA) yel 2-araquidonoíl glicerol (2-AG), ambos derivados del ácido araquidónico, se unen a dos tipos de receptores de canabinoides: CB₁ y CB₂,  para estimular la ingesta de alimentos a través de la activación  de rutas de señalización en  sistema límbico, hipotálamo,  y cerebro anterior.  CB₁ y CB₂ pertenecen a la clase de receptores acoplados a proteína G.  El AEA  es un ligando para el CB₁, con baja afinidad  por el CB₂, mientras que el 2-AG  se une a ambos receptores.  La modulación de la función de los receptores de canabinoides  puede ocurrir  través  de modificaciones en la ingesta de ácidos grasos.

Los canabinoides endógenos (o endocanibinoides) son productos de los ácidos grasos de la dieta y aunque originalmente se pensaba que eran generados por demanda,  actualmente se sabe que el AEA puede ser almacenado en gotas de lípidos intracelulares. Dado que las grasas de la dieta son la única fuente  de los ácidos grasos requeridos para la síntesis de los canabinoides endógenos, es posible que las grasas consumidas puedan modular los niveles circulantes de endocabinoides.  Las recomendaciones dietéticas promueven el consumo de grasa de origen vegetal en detrimento de las grasas de origen animal, lo cual produce un incremento en la ingesta de ácidos grasos poli-insaturados, especialmente de ácido linoleico. En los humanos, el ácido linoleico es fácilmente  convertido en ácido araquidónico, vía ácido γ-linoleico y ácido eicosatetranoico,  una ruta que depende de la acción  de dos enzimas desaturasas y una enzima elongasa.  El ácido araquidónico puede ser convertido en AEA por varias rutas, incluyendo la condensación  de ácido araquidónico  y etanolamida mediante la actividad  de la enzima ácido graso amida hidrolasa. Esta enzima es también la responsable  de la degradación del AEA, por lo que su acción  es capaz de disminuir la activación del receptor de canabinoide a través de una reducción  en la disponibilidad del  agonista. Otra ruta anabólica, considerada como la principal fuente de AEA,   involucra la biosíntesis  de N-araquidonoílfosfatidiletanolamina, el cual puede ser convertido en AEA  y ácido fosfatídico  por la enzima N-acilfosfatidiletanolaminafosfolipasa D. Hay varias rutas  por las cuales se puede sintetizar 2-AG. Una de esas rutas involucra la conversión de diacilglicerol  en 2-AG,  vía diacilglicerol lipasa,con el diacilglicerol producido a partir  de fosfatidilinositol, fosfatidilcolina  o ácido fosfatídico, los dos últimos sintetizados por la fosfolipasa C y fosfatasas, respectivamente.  La fosfolipasa  C también es capaz  de convertir fosfatidilinositolbifosfato a diacilglicerol y lisofosfatidilinositol a 2-AG, aunque esto requiere  una isoforma específica de la fosfolipasa C.

La evidencia acumulada en los últimos años indica que existen claras asociaciones entre el peso corporal  y la modulación del sistema endocanabinoide. La más común deestas asociaciones  es que los niveles circulantes de 2-AG  aumentan significativamente en individuos obesos cuando se los compara con controles delgados. Hay también correlaciones positivas entre el 2-AG  y el índice de masa corporal, la circunferencia de la muñeca y la adiposidad intra-abdominal. Esto puede deberse a que la actividad de la monoacilglicerol lipasa, la enzima que degrada al 2-AG, no incrementa con el índice de masa corporal. El incremento  en 2-AG puede también ser un resultado del aumento de actividad de la enzima diacilglicerol lipasa en la obesidad, lo cual ha sido demostrado en adipocitos de animales y humanos. El peso corporal también influye en la expresión de los receptores de canabinoides, se han encontrado correlaciones significativas entre la expresión de CB₁ y el índice de masa corporal, el porcentaje de grasa corporal y la presencia de síndrome metabólico (independiente del índice de masa corporal). Los individuos obesos o con sobrepeso a menudo presentan disrregulaciones del sistema endocanabinoide en tejidos periféricos que afectan el metabolismo  de la glucosa y los lípidos. La captación deglucosa en los adipocitos aumenta con el tratamiento  con 2-AG o AEA. Más aún, la expresión de CB₁  aumenta en los adipocitos durante la diferenciación y esto es perpetuado por condiciones de hiperglucemia. La estimulación crónica  de CB₁  puede dar lugar a un ciclo con diferenciación aumentada de los adipocitos  y esto a su vez incrementar la expresión de CB₁.

Las dietas  con alto contenido de grasas son capaces de modular los niveles circulantes de los endocanabinoides con respecto a su composición de ácidos grasos.  En animales, las dietas ricas en grasas (aproximadamente 40% de energía)  producen incrementos significativos en los niveles de AEA y 2-AG debido a la disminución de la actividad de las enzimas monoacilglicerol lipasa y ácido graso amida hidrolasa  y al aumento de la acción de la N-acilfosfatidiletanolaminafosfolipasa D. La investigación sobre los efectos de las grasas saturadas sobre el sistema endocanabinoide es extremadamente limitada. Sin embargo, un estudio reciente reporta que ellauroiletanolamida, precursor del ácido laurico,  es capaz de parar la síntesis de  AEA en basófilos de  rata. Esto es apoyado por estudios en humanos que han encontrado que la infusión intraduodenal de ácido laurico disminuye el apetito y la ingesta de energía. El ácido graso mono-insaturado más estudiado con relación a la síntesis de endocanabinoides  es el ácido oleico, el principal ácido graso del aceite de oliva.  El ácido oleico es el precursor de la oleoíletanolamida (OEA), la cual reduce los niveles de grelina y neuropéptido Y, disminuyendo por consiguiente  la ingesta de alimentos. La administración oral de OEA  en ratones  resulta en la disminución  de la ingesta de alimentos y de la masa de tejido adiposo indicando una reducción de agonistas  CB1. También se observa disminución del contenido delípidos en el hepatocito, y de los niveles plasmáticos de triglicéridos y colesterol. Más aún, la OEA incrementa la saciedad,  a través de la activación  del PPARα, y  disminuye los niveles circulantes de ácidos grasos (precursores de la síntesis de endocanabinoides), a través de un incremento en la β-oxidación.  La OEA también disminuye la captación y oxidación de ácidos grasos  en el músculo esquelético sin afectar la utilización de glucosa. El rol de los ácidos eicosapentaenoico (EPA) y docosahexaenoico (DHA) de la dieta en la modulación de la síntesis de endocanabinoides ha sido investigado extensamente debido a su capacidad para desplazar al ácido araquidónico de los fosfolípidos de las membranas y reducir su síntesis, lo cual resulta en una mayor producción de eicosapentaenoíletanolamida  y docosahexaenoíletanolamida. El DHA es capaz de contrarrestar  la conversión de ácido araquidónico en AEA  y de detener la transferencia de ácido araquidónico a la posición n-1 de los fosfolípidos, a partir de la cual el ácido araquidónico puede ser convertido en AEA. Los estudios en humanos y animales  han encontrado que la suplementación DHA/EPA resulta en una disminución  de los niveles cerebrales de 2-AG y de la masa corporal, además de prevenir el desarrollo de obesidad. Esto puede ser debido a un incremento de la β-oxidación y a la reducción en la producción de AEA y 2-AG por lo que disminuye la estimulación del receptor CB₁ y, por consiguiente, disminuye el apetito y la ingesta de alimentos.

El ácido linoleico modula la síntesis  de endocanabinoides por su capacidad  de convertirse en ácido araquidónico  en el cuerpo humano. El contenido deácido linoleico en la dieta occidental ha aumentado significativamente en los últimos años  como resultado del mayor uso  de aceites de soya y de maíz en la producción de alimentos. Estos cambios en la dieta  resultan en una desviación de la relación de ácidos grasos n3/n6,   con mayor consumo degrasas poli-insaturadas en la forma de ácido linoleico, precursor del AEA.  Las dietas ricas en ácido linoleico promueven la obesidad  en animales y humanos y se correlacionan con aumentos de la glucemia e insulina en ayunas y resistencia a la insulina. Un estudio reciente  señala que el ácido linoleico   de en una dieta rica en grasas (60% de energía  en forma de lípidos) causó un incremento de ácido araquidónico  en hígado y eritrocitos de ratones. Esto se tradujo en incrementos en los niveles  de 2-AG y AEA,  de la ingesta de alimentos y de la adiposidad, posiblemente como resultado de la mayor activación del receptor canabinoide. Estos cambios fueron abolidos  con la adición en la dieta de ácidos grasos poli-insaturados n-3 en valores comparables a los de ácido linoleico, demostrando la capacidad de los ácidos grasos poli-insaturados n-3 de desplazar el ácido araquidónico y por lo tanto de disminuir la producción de endocanabinoides.

En resumen, los endocanabinoides son productos de las grasas de la dieta y la manipulación de los ácidos grasos de la dieta ha demostrado resultados positivos con respecto a la modulación de los endocanabinoides y la actividad del receptor CB₁ que, debido a su rol en el apetito, afectan la ingesta de energía y por lo tanto el peso corporal.  Así, los ácidos eicosapentaenoico y docosahexaenoico son capaces de desplazar el ácido araquidónico (precursor de los endocanabinoides) de las membranas celulares, reduciendo la producción de AEA y 2-AG. De manera similar, la oleoíletanolamida, un producto derivado del ácido oleico, induce saciedad, disminuye las concentraciones circulantes de ácidos grasos, incrementa la β-oxidación de ácidos grasos y es capaz de inhibir la acción de AEA y 2-AG en el tejido adiposo.

Fuente: Naughton SS et al (2013). Fatty acid modulation of the endocannabinoid system and the effect on food intake and metabolism.International Journal of Endocrinology, Article ID 361895.

Glutamato, GABA  y la regulación del apetito

El apetito es un fenómeno altamente regulado, con el hambre y la saciedad como factores cruciales en el control de la ingesta de alimentos. Dos grupos  de señales derivadas de la periferia informan al cerebro del estado energético del organismo: (a) señales de corto plazo producidas por el sistema gastrointestinal y (b) señales de largo plazo  producidas por el tejido adiposo. Una amplia variedad de  hormonas   causa pérdida del apetito: hormonas secretadas por el intestino como colecistoquinina, péptido similar a glucagón-1 (GLP-1), péptido YY y oxintomodulina;  hormonas derivadas del páncreas, como polipéptido pancreático, glucagón, insulina y amilina; y hormonas derivadas del tejido adiposo como leptina, adiponectina y resistina. Por otra parte, la grelina producida en el tracto gastrointestinal, es el único ejemplo conocido de hormona periférica con acciones orexigénicas.  Los estudios con lesiones discretas  en el hipotálamo o con transecciones quirúrgicas  de rutas neurales  han demostrado que la integración central de las señales periféricas ocurre principalmente en el hipotálamo.

En los últimos años, se han identificado varios neurotransmisores  involucrados en la regulación hipotalámica del apetito. En el núcleo arcuato, dos poblaciones de neuronas expresan los neuropéptidos orexigénicos neuropéptido Y (NPY)  y péptido relacionado con el Agouti (AgRP), o los neuropéptidos anorexigénicos pro-opiomelanocortina (POMC) y transcripto relacionado con cocaína y anfetamina (CART). El NPY es sintetizado en neuronas de la subdivisión ventromedial del núcleo arcuato y las fibras que expresan NPY  se proyectan al núcleo paraventricular, donde es liberado el péptido que actúa incrementando  la ingesta de alimentos.  Las poblaciones neuronales que expresan NPY se colocalizan con neuronas que liberan AgRP. Las neuronas localizadas en la subdivisión ventrolateral del núcleo arcuato contienen el péptido CART y  POMC. El gen  que codifica a la POMC  da origen a sus productos peptídicos: hormona adrenocorticotropa (ACTH), las hormonas estimulantes de melanocitos (MSH) α, β, γ y β-endorfina. La activación de las neuronas que expresan POMC en el núcleo arcuato dispara la liberación de   α-MSH, la cual activa receptores melanocortina MC4R provocando la supresión de la ingesta de alimentos. Por otra pare, la estimulación de las neuronas que expresan AgRP en el núcleo arcuato  libera el AgRP que antagoniza el  efecto de la α-MSH sobre  MC4R   y por lo tanto incrementa la ingesta de alimentos. Las neuronas  NPY/AgRP  y POMC/CART reciben abundante señales excitadoras e inhibidoras. Los dos neurotransmisores que actúan sobre la mayoría de neuronas hipotalámicas son los aminoácidos glutamato y ácido γ-aminobutírico (GABA) y la administración de agonistas de sus receptores en los núcleos hipotalámicos estimula la ingesta de alimentos.

El glutamato es el neurotransmisor excitador dominante en el sistema nervioso central. Para que una neurona libere glutamato, el neurotransmisor  debe primero ser empacado  en altas concentraciones  en vesículas sinápticas por medio de transportadores vesiculares específicos (VGLUT 1, VGLUT 2 y VGLUT 3). El glutamato es liberado en la hendidura sináptica para que se una a receptores postsinápticos ionotrópicos (N-metil-D-aspartato (NMDA), α-amino-3hidroxi-5-metil-isoxazole ácido propiónico (AMPA), ácido kaínico) o metabotrópicos (mGLUR),  presentes tanto en neuronas como en astrocitos.  Dado que el glutamato liberado en la sinapsis excede grandemente la cantidad necesaria para la neurotransmisión, el exceso de neurotransmisor  debe ser reciclado del espacio extracelular por transportadores de aminoácidos excitadores (GLY-1 y GLAST) expresados predominantemente en los astrocitos. En los astrocitos, el glutamato  puede ser metabolizado a glutamina vía glutamina sintetasa o puede ser asimilado en el ciclo de Krebs. La glutamina liberada por los astrocitos  es tomada por las neuronas donde es reconvertida en glutamato por la enzima glutaminasa. Las neuronas debido a que carecen  de la enzima piruvato carboxilasa son incapaces de llevar a cabo la síntesis de novo de glutamato a partir de glucosa. Por tanto, el ciclo glutamato-glutamina asegura un adecuado reemplazo de glutamato en el sistema nervioso central. En los astrocitos, el aspartato funciona como  donador de grupo amino, requerido para la síntesis de novo  de glutamato y glutamina. Los requerimientos  de energía para el reciclaje de glutamato derivan exclusivamente del metabolismo de la glucosa  con la concomitante producción de lactato, el principal combustible oxidativo para las neuronas.

La inyección intracerebroventricular  de glutamato en ratas produce una rápida e intensa ingesta de alimentos y estudios recientes han identificado la presencia de un denso plexo  de fibras glutamatérgicas en áreas hipotalámicas involucradas en la regulación del apetito. Por ejemplo, una elevada expresión de VGLUT2  ha sido encontrada  en neuronas localizadas en el núcleo  ventromedial  y en la porción ventrolateral del núcleo arcuato.  La presencia de VGLUT2  ha sido demostrada en las neuronas  que expresan POMC/CART  del núcleo arcuato que  reciben impulsos  de las neuronas glutamatérgicas  del núcleo ventromedial. En el núcleo arcuato, también se  demostrado la existencia de inervación glutamatérgica en las neuronas que expresan NPY.  Los receptores NMDA de las neuronas AgRP, pero no de las neuronas que expresan POMC, juegan un rol crítico en el control del balance energético, lo que indica que la activación inducida por el ayuno de las neuronas que liberan AgRP  está asociada con un marcado incremento en la descarga glutamatérgica. Más aún, está demostrado que la privación de alimentos eleva la actividad sináptica excitatoria. Estos hallazgos han llevado a algunos autores a sugerir que la grelina actúa sobre  receptores presinápticos para incrementar la liberación de glutamato y activa las neuronas que expresan NPY/AgRP a través de receptores ionotrópicos de glutamato.

En la última década, varios reportes han señalado que los astrocitos participan en algunos procesos neuroendocrinos, pero sólo recientemente  se ha establecido su importancia en el control del apetito y la homeostasis de energía. Los astrocitos expresan receptores para numerosos neuropéptidos, neurotransmisores y factores de crecimiento; producen sustancias neuroactivas  y expresan enzimas claves  necesarias para procesar señales nutricionales. Por ejemplo, la leptina, una hormona anorexigénica, modula la captación de glutamato en los astrocitos, estimulando un rápido incremento el cual es atenuado con la exposición crónica.  El rápido incremento inicial de la captación de glutamato en los astrocitos  indica que la leptina podría reducir el efecto estimulador del glutamato en las sinapsis y, por tanto, reducir el apetito. Los roedores hiperfágicos deficientes de leptina se caracterizan por presentar elevada oxidación neuronal y neurotransmisión glutamatérgica con incremento del ciclo glutamato-glutamina.  

Los astrocitos recapturan el exceso de glutamato liberado en la hendidura sináptica conjuntamente con iones Na⁺  a través de los cotransportadores GLAST.  Los iones Na⁺ incorporados en el astrocito regresan al espacio extracelular a través de  cotransportadores electrogénicos (Na⁺/K⁺ ATPasa y Na⁺K⁺2Cl^-), lo que produce un incremento  intracelular de iones K⁺. El incremento en la concentración intracelular de K⁺ dispara el transporte de agua mediado por acuaporina 4 que causa hinchazón del astrocito. Sobre la base de estos hallazgos se ha propuesto una hipótesis que indica que mientras la captación inicial de glutamato en el astrocito estimulada por  la leptina tiene un potencial anorexigénico (menos glutamato en neuronas y por tanto disminución de la neurotransmisión glutamatérgica),  la excesiva captación de glutamato, como ocurre en condiciones de ayuno, causa hinchazón del astrocito y una eventual respuesta por el glutamato liberado en la hendidura sináptica  (aumento de la neurotransmisión glutamatérgica asociada con incremento del apetito).

El GABA es el principal neurotransmisor inhibidor  en el sistema nervioso central. La regulación del GABA es activada  por varios mecanismos moleculares que intervienen en el transporte, secuestro, síntesis y degradación del neurotransmisor. Las neuronas GABAergicas expresan  la enzima glutamato descarboxilasa  que convierte  el glutamato en GABA. Más aún, la glutamina puede ser usada  como fuente alternativa de GABA. Por tanto, el incremento en la síntesis de GABA  involucra un aumento en la actividad del ciclo glutamato-glutamina-GABA, pues el glutamato y la glutamina  son considerados los principales precursores del GABA.  El aclaramiento  de GABA de la hendidura sináptica es mediado por transportadores específicos de alta afinidad, dependientes de sodio y cloruro, (GAT1, GAT2, GAT3) y por el transportador vesicular de GABA (VGAT). Después de su liberación, el GABA produce una respuesta bifásica a través de la activación  de dos clases de receptores de membrana: ionotrópicos (GABA_A) o metabotrópicos (GABA_B). Más del 90% del GABA del sistema nervioso central es degradado por transaminación  de GABA y α-cetoglutarato  a succinil semialdehído  y glutamato en las mitocondrias de astrocitos y neuronas.

La mayoría de las  neuronas NPY/AgRP del núcleo arcuato expresan en gran extensión el transportador VGAT así como las enzimas GAD65/GAD67 que sintetizan GABA. El VGAT no ha sido detectado en las neuronas POMC. La liberación sináptica de GABA por las neuronas del núcleo arcuato  que expresan AgRP es requerida para la regulación normal del balance energético. Por otra parte, los impulsos GABAergicos  de las neuronas del núcleo arcuato que expresan AgRP que se proyectan hacia el núcleo parabraquial son requeridos para mantener un nivel crítico de apetito.  El estado de ayuno está asociado con el uso de lactato  como combustible neuronal y con un incremento de la neurotransmisión GABAergica en el hipotálamo. El  incremento en la concentración de GABA en el hipotálamo de animales en ayuno parece deberse  más a  la reducción de las rutas que lo metabolizan  que al incremento en su síntesis.

Fuente: Delgado TC (2013). Glutamate and GABA in appetite regulation.  Frontiers in Endocrinology 4: Article 103.

El BDNF y el control de la ingesta de alimentos

El factor neurotrófico derivado  del  cerebro (BDNF) es una proteína  sintetizada en  niveles bajos durante  el desarrollo del sistema nervioso central y en niveles altos  durante el período postnatal. En el cerebro del adulto, el BDNF es la neurotrofina más abundante y más ampliamente distribuida.  Desde un punto de vista funcional, el BDNF es muy versátil y actúa promoviendo la supervivencia y diferenciación de las neuronas  y la conectividad sináptica durante el desarrollo así como la plasticidad sináptica y la eficacia en el cerebro maduro. El BDNF, a través del receptor kinasa B relacionada con la tropomiosina (TrkB), activa las cascadas de señalización  intracelular fosfolipasa C gamma (PLC-γ), proteína kinasa  activada por mitógeno (MAPK) y fosfatidilinositol-3-kinasa (PI3K). El hallazgo que la administración intracerebroventricular de BDNF reduce la ingesta de alimentos y el peso corporal en ratas proporcionó la primera indicación de que esta neurotrofina puede participar en la regulación de la ingesta de alimentos.

La ingesta de alimentos es una conducta compleja gobernada por mecanismos homeostáticos centrales  que regulan el balance entre las necesidades nutricionales y el estatus calórico. Consistente con un rol en la regulación de la ingesta de alimento, BDNF y TrkB son expresados en varios centros relacionados con la homeostasis de energía en el hipotálamo (núcleo ventromedial, hipotálamo dorsomedial, hipotálamo lateral y núcleo paraventricular). Adicionalmente, el TrkB es expresado en el núcleo arcuato, el cual contiene dos poblaciones de neuronas  funcionalmente distintas que contienen neeuropéptido Y y  proopiomelanocortina, las cuales promueven e inhiben la ingesta de alimentos, respectivamente.  En el cerebro anterior, los cuerpos celulares y fibras que contienen BDNF y TrkB están presentes en  el núcleo del tracto solitario del complejo dorsal del vago. El TrkB también está presente en el área postrema Estas regiones cerebrales integran señales periféricas  de saciedad,  hambre y adiposidad y, en respuesta,  regulan la ingesta de nutrientes y la utilización de energía. La expresión de BDNF y TrkB en algunas de las regiones hipotalámicas es sensible al estatus  energético. Así, la privación de alimento resulta en una amplia depleción de BDNF en el núcleo ventromedial, el sitio con más abundancia de la neurotrofina. Más aún, la glucosa induce rápidamente elevaciones importantes en el contenido de BDNF y TrkB en ese núcleo hipotalámico.  En el cerebro anterior, el contenido de BDNF también es influenciado por  señales energéticas, mientras el ayuno prolongado disminuye  el contenido de BDNF, la realimentación resulta en niveles elevados de la neurotrofina.  

En ausencia de requerimiento homeostático, la ingesta de alimento puede ser manejada por las cualidades de los alimentos ricos en azúcar o grasa.  Los sistemas cerebrales involucrados  en las conductas de motivación y recompensa, incluyendo la ruta dopaminérgica  mesolímbica, están involucradas en esta forma hedónica de alimentación.   El sistema mesolímbico comprende neuronas dopaminérgicas  en el área tegmental ventral y sus proyecciones al núcleo acumbens y la corteza prefrontal medial. Consistente con un rol en la forma hedónica de alimentación, el BDNF es expresado  en las neuronas dopaminérgicas  en el área tegmental ventral y la corteza prefrontal medial, desde donde es transportado anterogradamente al núcleo acumbens, una región con poca o ninguna expresión de BDNF. El  TrkB  es expresado en las neuronas dopaminérgicas  del área tegmental ventral, en la corteza prefrontal y en las neuronas GABAergicas  del núcleo acumbens.  

Varios estudios en animales han investigado la interacción funcional del BDNF con las rutas de señalización involucradas en la regulación de la ingesta de alimentos incluyendo leptina, melanocortina, hormona liberadora de corticotropina (CRH) y neuropéptido Y (NPY).  Un estudio reciente señala que la interacción BDNF-leptina suprime el apetito y que la leptina (e insulina) induce la expresión de BDNF en las neuronas del núcleo ventromedial. Los efectos de la leptina sobre la expresión de BDNF parecen ser mediados por la red hipotalámica porque los receptores de leptina y BDNF  no se colocalizan en esta región.  El BDNF también actúa  como  efector de la señal anorexigénica de la melanocortina en el núcleo ventromedial y el complejo dorsal del vago. En el núcleo paraventricular, el BDNF regula la señal CRH  y urocortina.  La CRH es una hormona que inhibe la ingesta de alimentos  e incrementa el gasto de energía a través del incremento de la actividad del sistema nervioso simpático.  La urocortina es un miembro de la familia de péptidos CRH y suprime el apetito con mayor potencia que la CRH. Los receptores TrkB se colocalizan con los receptores CRH  en el núcleo paraventricular y la infusión intracerebroventricular crónica  de BDNF incrementa dramáticamente los niveles de CRH y urocortina en esta región.  Por otra parte, los péptidos intestinales anorexigénicos liberados en la circulación durante  estados de balance energético positivo tienen efectos sobre la expresión central de BDNF.  Mientras el polipéptido pancreático induce la expresión de BDNF en el núcleo ventromedial, la colecistoquinina eleva el contenido de BDNF en el complejo dorsal del vago y el hipotálamo. El efecto de la colecistoquinina sobre la expresión de BDNF parece tener significado funcional, porque la actividad TrkB  es requerida para el efecto supresor del apetito de la colecistoquinina. Además de facilitar las señales anorexigénicas, el BDNF impide rutas orexigénicas.  Específicamente,  el BDNF previene la elevación de la expresión de NPY en el núcleo arcuato inducida por el ayuno y reduce la ingesta de alimentos estimulada por el NPY. Los estudios en ratas indican que el NPY recíprocamente disminuye la expresión hipotalámica de BDNF. 

En resumen,  independientemente de sus efectos  durante el desarrollo, el BDNF actúa como un factor de saciedad en el cerebro adulto, al menos en parte, a través de interacciones con las rutas de señalización que tienen roles reconocidos en la regulación del balance energético.  El núcleo ventromedial del hipotálamo conjuntamente  con el área tegmental ventral son fuentes esenciales de esta neurotrofina para el control de la ingesta de alimentos.

Fuente: Ríos M (2013). BDNF and the central control of feeding: accidental bystander or essential player?  Trends in Neurosciences 36: 83-90.

El músculo esquelético: un órgano endocrino

Es bien conocido que el músculo esquelético es el blanco  de numerosas hormonas, pero estudios recientes han demostrado que los músculos esqueléticos también producen una variedad de moléculas (citoquinas y otros péptidos), denominadas “mioquinas”, las cuales actúan de manera autocrina, paracrina o endocrina. Las más importantes e etas sustancias son: las interleuquinas (IL) 6, 8 y 15; el factor neurotrófico derivado del cerebro (BDNF) y el factor inhibidor de leucemia  (LIF).

El hallazgo que los músculos producen y liberan mioquinas proporciona una explicación biológica a la observación de que el ejercicio influye en el metabolismo y los eventos anti-inflamatorios. Los músculos esqueléticos al contraerse liberan algunas mioquinas, las cuales trabajan  como hormonas ejerciendo efectos endocrinos sobre la grasa visceral. Otras mioquinas actúan localmente,  a través de mecanismos paracrinos, en rutas de señalización intracelular  involucradas en la oxidación de los  lípidos.

La IL-6 fue la primera citoquina propuesta como mioquina. En el año 2000 se reportó que los niveles plasmáticos de IL-6 aumentan con el ejercicio y las investigaciones posteriores establecieron que la IL-6 de origen muscular tiene un importante papel  en el metabolismo. La producción de IL-6 durante el ejercicio es particularmente alta cuando los niveles de glucógeno muscular  son bajos, una respuesta del músculo a una demanda  metabólica específica.  La IL-6 es producida por las fibras musculares tipo I y II en respuesta a la contracción muscular y ejerce sus efectos localmente y remotamente. En el músculo esquelético, la IL-6 activa la ruta de señalización AMPK y/ o PI3 quinasa para incrementar la captación de glucosa y la oxidación de lípidos, pero también es liberada a la circulación  para actuar en el hígado, donde incrementa la producción de glucosa durante el ejercicio y, en el tejido adiposo, donde aumenta la lipólisis. En resumen, las acciones locales  y distantes de la IL-6 derivada del músculo incrementan la disponibilidad de sustratos energéticos para la función  muscular.

La evidencia reciente señala que la IL-6  inhibe la glucógeno sintetasa y acelera la actividad de la glucógeno fosforilasa. Adicionalmente, la IL-6 puede incrementar la captación de glucosa estimulada por insulina mediante el aumento  de la translocación de GLUT 4 desde el compartimento intracelular a la membrana plasmática de la fibra muscular, lo que sugiere un importante papel de esta mioquina y del músculo esquelético en el mantenimiento de la homeostasis  de la glucosa. Estos datos han sido confirmados en estudios  que demostraron retardo en el inicio de la diabetes mellitus y mayor supervivencia   en ratones diabéticos no obesos  con sobre expresión de IL-6  en comparación con ratones  con expresión normal de IL-6. Por otra parte, ratones deficientes en IL-6 tienen mayores niveles de glucemia y tolerancia a la glucosa alterada. Estos hallazgos sugieren que la IL-6 podría ser producida por el músculo esquelético para mantener la homeostasis  de la glucosa durante los períodos de demanda metabólica alterada.

La IL-6 siempre ha sido considerada una citoquina pro-inflamatoria, esto es, producida por los macrófagos en respuesta a un estímulo infeccioso. Sin embargo, la producción de IL-6 inducida por la contracción en los músculos esqueléticos ocurre en ausencia de otros mediadores inflamatorios,  lo que indica que la cascada de citoquinas inducida por la actividad física no se asemeja a la inflamación. Por el contrario, el ejercicio incrementa los niveles circulantes de citoquinas anti-inflamatorias. Durante el ejercicio, la IL-6 por sí misma puede tener efectos anti-inflamatorios, suprime la síntesis de IL-1 y TNF-α. En conclusión, la actividad física, a través de la estimulación de la producción de IL-6, contrarresta la inflamación sistémica y modula el metabolismo de carbohidratos y lípidos.

La IL-15 fue identificada como un factor anabólico porque puede estimular el crecimiento muscular. Adicionalmente, se ha demostrado que existe una correlación inversa entre los niveles plasmáticos de IL-15 y la masa grasa del tronco. La sobre expresión de IL- 15 de origen muscular determina una reducción  de la grasa visceral.  Por otra parte, el BDNF es una proteína  que juega un rol crucial en la regulación de la supervivencia, crecimiento y mantenimiento de las neuronas. Los individuos con enfermedad de Alzheimer tienen bajos niveles  plasmáticos de BDNF y, en  estudios postmorten,  se ha encontrado disminución de la expresión de BDNF en el hipocampo  de   estos pacientes. La disminución de los niveles sanguíneos de BDNF se encontrado también  en sujetos con depresión, síndrome coronario agudo y diabetes mellitus tipo 2. Aunque el BDNF aumenta en el músculo durante el ejercicio físico, esta mioquina no es liberada en la circulación, su efecto biológico es aumentar la oxidación de grasas en los músculos esqueléticos, de una manera dependiente de AMPK,  con la   consiguiente reducción de tejido adiposo.  En resumen, la evidencia disponible indica que la actividad muscular al estimular la producción de IL-15 y BDNF puede mejorar el metabolismo de lípidos y reducir la grasa visceral, disminuyendo, al menos en parte,  el riesgo de enfermedades cardiovasculares, diabetes mellitus, demencia y algunos tipos de cánceres.

La IL-8 es conocida como una quimioquina producida por los neutrófilos que  también actúa como factor angiogénico. Los niveles plasmáticos de IL-8 aumentan  en respuesta al ejercicio exhaustivo que involucra contracciones musculares excéntricas, pero no durante la actividad física regular, lo que sugiere que se trata de una mioquina con actividad paracrina. Sin embargo, su rol en el músculo aún  no está claro. Por otro lado, el LIF es una citoquina con efectos positivos sobre la miogénesis, incrementando la supervivencia de los mioblastos.

Fuente: Pratesi A et al (2013). Skeletal muscle: an endocrine organ. Clinical Cases in Mineral and Bone Metabolism 16: 11-14.

Eritropoyetina: blancos y acciones

La eritropoyetina (EPO), un miembro de la superfamilia de citoquinas tipo 1, fue aislada en 1977 y  su gen fue clonado en 1985. Inicialmente conocida como regulador humoral de la eritropoyesis, en la actualidad las acciones de la EPO se extienden a una variedad de tipos de células, tejidos y órganos. La identificación de la expresión del receptor de EPO (EPOR) en diferentes tipos de células ha dado lugar a los efectos no-eritropoyéticos de la EPO. Ahora sabemos que la EPO tiene efectos directos sobre  células inmunes, células endoteliales, células del estroma de la médula ósea, así como también sobre células de corazón, sistema reproductivo, tracto gastrointestinal, músculo, riñón, páncreas y sistema nervioso. La EPO también está involucrada en la regulación de la angiogénesis.

En los humanos y otros mamíferos, la eritropoyesis normalmente procede en una tasa basal baja, reemplazando los eritrocitos envejecidos  por reticulocitos jóvenes. Sin embargo, la producción de células rojas puede aumenta hasta  ocho veces su tasa basal en una variedad de situaciones como hemorragia, hemolisis y otros tipos de alteraciones de  oxigenación  de la sangre arterial o de aporte de oxígeno a los tejidos. La EPO es probablemente el único mediador de la inducción hipóxica de la eritropoyesis. La hormona  estimula a los progenitores eritroides en la médula ósea a madurar en eritrocitos, actúa sobre las unidades formadoras de colonias eritroides para prevenir su apoptosis e inducir la expresión de proteínas específicas de las células eritroides. Durante el desarrollo fetal, la EPO es producida principalmente en el hígado, pero después del nacimiento, el riñón produce aproximadamente 80% de la EPO circulante. En el hígado, la EPO es producida en hepatocitos y células intersticiales y en el riñón en los fibroblastos peritubulares de la corteza en los límites con la médula renal. La EPO circula en el plasma con una vida media de 7 a 8 horas.

La hipoxia induce un incremento de la producción de EPO en el riñón, la cual es liberada en la circulación  y se une a receptores expresados en la superficie de células progenitoras eritroides en la médula ósea para promover su viabilidad, proliferación y diferenciación produciéndose un incremento de la masa de células rojas. Como resultado, aumenta la capacidad de transportar oxigeno de la sangre  y se incrementa la tensión de oxígeno en los tejidos. Esto completa el asa de retroalimentación por lo que se detiene la producción de EPO en el riñón. El hallazgo de ARNm y proteína EPO  en los progenitores eritroides sugiere la posibilidad de que en la eritropoyesis tónica de bajo nivel, la EPO actúe de maneraautocrina, mientras que la EPO circulante  actuaría  en  la eritropoyesis durante el estrés hipóxico.

El gen de la EPO humana está localizado en el cromosoma 7q11-22, consiste de cinco exones y cuatro intrones y codifica un polipéptido de 193 residuos. Este polipéptido experimenta modificaciones postraslacionales como la N-glucosilación de tres residuos, la O-glucosilación de un residuo y la remoción de 28 aminoácidos, resultando en un polipéptido de 165 aminoácidos. La EPO como otras citoquinas hematopoyéticas se pliega en una estructura globular tridimensional que consiste en cuatro α hélices conectadas por asas estabilizadas por un puente disulfuro entre las hélices amino terminal y carboxilo terminal.

La inducción hipóxica de la EPO depende en gran parte de dos factores de transcripción: el factor inducible por hipoxia (HIF) y el receptor nuclear HNF-4. Estas dos proteínas  interactúan con el coactivadortranscripcional p300 disparando la activación transcripcional. El HIF es un heterodímero  compuesto por una subunidad α de 120 KD y una subunidad β de 91-94 KD. La proteína HIF-α solamente puede ser detectada en células desoxigenadas o expuestas a agentes quelantes de hierro o algunos metales de transición como el cobalto, los cuales inducen la transcripción de genes dependientes de HIF. En las células oxigenadas, la proteína  HIF-α es inestable, forma complejos con proteínas von Hippel–Lindau que  facilitan  su degradación  en los proteasomas.  La baja tensión de oxígeno elimina este proceso permitiendo  la acumulación de subunidad HIF-α  que entra al núcleo y forma un heterodímero estable que puede participar en la regulación de la transcripción  del gen de EPO. Específicamente, la porción carboxilo terminal de HIF-α se une a la proteína p300. Esta proteína no se une al ADN sino que interactúa con otras proteínas como la HNF-4.  El receptor orfan HNF-4 juega un rol crítico en la regulación el gen EPO.  La expresión de HNF-4  se limita a la corteza renal, hígado e intestino y se une a un incrementador EPO 3` contribuyendo a la inducción del gen EPO así como a su especificidad tisular. En resumen, el heterodímero HIF, activado por la hipoxia, participa en un ensamble macromolecular con p300 y HNF-4 para transducir una señal al promotor EPO que activa la transcripción del gen EPO.

La ruta de señalización  intracelular inducida por la EPO en las células progenitoras eritroides es mediada por la homodimerización EPOR-EPOR. Esto inicia la activación de la Januskinasa (JAK) 2  y del transductor de señal  y activador de  transcripción (STAT) 5, así como también de la proteína kinasa activada por mitógenos (MAPK) y del NF-κB. La activación del NF-κB a su vez inicia una serie de eventos, incluyendo la liberación de múltiples citoquinas. La señalización intracelular de la EPO puede también  ser vía receptor heterodímero compuesto por un monómero EPOR y un CD131. Este complejo heterodímero, cuya activación requiere concentraciones más altas de EPO que el EPOR homodímero, se encuentra en células no eritroides. Se desconoce si un tipo de célula puede expresar ambos EPORs y cómo esto puede afectar los efectos celulares e intracelulares inducidos por la EPO.

Los efectos de los EPO pueden variar en los diferentes tipos de células. Por ejemplo, aunque la EPO activa al NF-κB en las células eritroides, inhibe esta ruta en los macrófagos, lo cual produce   disminución de la producción de TNF y de la expresión de la sintetasa de óxido nítrico (NOS). Varios genes blanco de la EPO son factores importantes en el mantenimiento de las células progenitoras eritroides. La cascada de señalización EPO-EPOR en los efectos citoprotectores  de la EPO sobre las poblaciones  de eritroblastos involucra un eje serpina-lisosoma-catepsina.  Serpina 3g es un gen activado por la EPO a un nivel similar de los otros genes mayores que responden a la EPO como el oncostatina-M. Oncostatina-M es un factor homeostático para la proliferación de diferentes células progenitoras mieloides, incluyendo las células progenitoras eritroides. La activación de serpina 3g inhibe las catepsinas B y L, así como las proteasas  derivadas de lisosomas, con lo cual se protege a las células de la muerte. La EPO también protege contra diabetes tipo 1  y tipo 2. En modelos animales, esta protección es mediada por la señal JAK2 directamente en las células β del páncreas y se manifiesta a través de la proliferación y supervivencia de las células β, disminución de la inflamación e incremento de la angiogénesis en los islotes pancreáticos. 

En el desarrollo del cerebro, EPO y EPOR son expresados ampliamente en neuronas, astrocitos y células endoteliales. En modelos animales, la EPO confiere neuroprotección contra el shock, la compresión de la médula espinal, la neuropatía diabética y la encefalomielitis autoinmune.  Altas dosis de EPO recombinante confieren protección  en modelos animales de isquemia cardiaca e infarto de miocardio. Los efectos saludables de la EPO y sus derivados en los modelos experimentales de isquemia y otros tipos de daño pueden ser debidos  a su efecto sobre  el endotelio vascular. La EPO estimula la proliferación, movilización y diferenciación  de los células progenitores endoteliales  y también bloquea la apoptosis de   las células endoteliales, aumentando su viabilidad y supervivencia.  La EPO puede aumentar significativamente la neovascularización inducida por la inflamación y la isquemia.

A menudo una citoquina trabaja en combinación  con otra citoquina, creando eventos que pueden ser de mayor significado fisiológico que las acciones de una sola citoquina. En este sentido, aunque la EPO sola puede estimular  a los progenitoreseritroides,  la EPO en combinación con la citoquina factor stemcell  (SCF) induce la proliferación  de más progenitores eritroides inmaduros. De manera similar, la EPO en combinación con  IL-3 y  GM-CSF puede actuar sobre  más  progenitores eritroides inmaduros.  La influencia de otras citoquinas sobre los efectos de la EPO ha proporcionado nueva  y sorprendente información sobre la hormona. Así, por ejemplo, la enzima dipeptidilpeptidasa 4 (DPP4), la cual está presente  en la superficie de muchos tipos de células  y en forma soluble en la circulación, trunca la molécula de EPO en el extremo N-terminal cambiando su actividad biológica, lo cual la vuelve incapaz de inducir la eritropoyesis.  La EPO truncada bloquea la actividad eritropoyética de la EPO de longitud completa.

Fuentes: Broxmeyer HA (2013).  Erythropoietin:  multiple targets, actions, and modifying influences for biological and clinical consideration.  The Journal of Experimental Medicine 210: 205-208.

Bunn HF (2013). Erythropoietin. Cold Spring Harbor Perspectives in Medicine 3: 3:a011619.

FGF 21: un regulador metabólico emergente

La familia de los factores de crecimiento fibroblástico (FGF) se ha expandido en los últimos años y actualmente consiste de 22 miembros con un amplio rango de funciones biológicas que incluyen el crecimiento celular, la angiogénesis, la reparación de heridas y el metabolismo. El rol de los FGFs en el metabolismo ha sido de mucho interés en los años recientes, especialmente después de la clonación y la caracterización funcional de la subfamilia FGF 19 (FGF 19, FGF 21 y FGF 23). A diferencia de los FGF clásicos que requieren de heparina para su unión eficiente al receptor y poder actuar de manera paracrina o autocrina, el FGF 21 y lo demás FGF endocrinos carecen del dominio convencional de unión a la heparina y son secretados a la circulación.

El factor de crecimiento fibroblástico 21 (FGF 21) fue identificado y clonado a partir de embriones de ratón en el año 2000.  El FGF 21 humano es un polipéptido de 181 aminoácidos secretado principalmente por el hígado, pero también por otros tejidos involucrados en el metabolismo de la glucosa y los lípidos como el páncreas, el tejido adiposo y el músculo esquelético. Los estudios en roedores han sugerido que el FGF 21 tiene efectos beneficiosos en el metabolismo de la glucosa y los lípidos y es además  un regulador fisiológico de la respuesta al ayuno. Los efectos favorables observados en estudios con animales podrían apoyar un potencial rol del FGF 21 como agente terapéutico  para la diabetes y la obesidad. Sin embargo, en  sujetos obesos y en pacientes con desordenes relacionados  con la obesidad y la resistencia a la insulina se han encontrado altos niveles circulantes de FGF 21. Las causas de este incremento en los niveles de FGF 21 no son conocidas, aunque la presencia de resistencia al FGF 21 ha sido demostrada en ratones obesos. Estas observaciones implican que podrían ser requeridas dosis suprafisiológicas de FGF 21 para su eficacia terapéutica en humanos. Por otra parte, también se ha propuesto el potencial uso del FGF como biomarcador para la detección temprana de los desordenes relacionados con la obesidad.

El FGF 21 puede ser secretado como  factor endocrino para coordinar la respuesta adaptativa al ayuno o como factor autocrino inducido en el tejido adiposo durante el estado alimentado para regular la función del adipocito. En ratones, los niveles circulantes de FGF 21 aumentan tanto en el ayuno  como con dietas cetogénicas,  pero son rápidamente suprimidos por la ingesta de alimentos. El receptor nuclear PPAR-α juega un rol importante en la expresión hepática de FGF 21 inducida por el ayuno. Los adipocitos también expresan y secretan FGF 21. En la activación termogénica, el tejido adiposo marrón, además de ser un blanco  del FGF 21, es fuente de FGF 21 sistémico.  Esta respuesta es mediada por una ruta de señalización dependiente de AMPc que regula la transcripción  del gen FGF 21 en respuesta a la estimulación noradrenérgica. El grado de expresión  del FGF 21 en varios tipos de tejido adiposo aumenta marcadamente en ratones obesos y   es comparable con su expresión en el hígado. Con relación a la regulación del FGF 21 en los humanos, se dispone de pocos datos en comparación con los ratones. En un estudio reciente, la cetosis inducida por dos días de ayuno no incrementó los niveles circulantes de FGF 21 y solamente se observó un incremento significativo  después de siete días de ayuno. Sin embargo,  en pacientes con hipertrigliceridemia, el tratamiento con fenofibrate, un agonista del PPAR-α,   incrementó los niveles de FGF 21, lo que sugiere que el PPAR-α también  regula al FGF 21 en los humanos. En otro estudio con humanos, la expresión in vitro del gen FGF 21 aumentó con dos señales del ayuno, PPAR-α y glucagón-PKA. Por otra parte, los niveles circulantes de FGF 21 y la expresión del ARNm del FGF 21 en la grasa visceral aumentaron en sujetos con obesidad, una condición asociada con sobre nutrición. En conclusión,  es posible que en los humanos  el FGF 21 sea inducido en condiciones nutricionales extremas como el ayuno y la sobre nutrición.

El patrón oscilatorio de 24 horas de los  niveles circulantes de FGF 21es opuesto al de glucosa e insulina, pero se asemeja al de ácidos grasos y cortisol. En este contexto, se ha sugerido que el ritmo circadiano del FGF 21 circulante podría ser causado, al menos en parte, por las oscilaciones de ácidos grasos libres. Estos hallazgos proporcionan un soporte para el rol del FGF 21 como un importante regulador metabólico  que integra el ritmo circadiano con la homeostasis energética en los humanos. La relación inversa entre los niveles circulantes de FGF 21   con los cambios agudos en los niveles circulantes de glucosa e insulina bajo condiciones fisiológicas también ha sido observada  durante la prueba de tolerancia a la glucosa. Por otra parte, se ha reportado que la hiperglucemia  y la hiperinsulinemia están asociadas con altos niveles circulantes de FGF 21.

El FGF 21 puede impactar el metabolismo de la glucosa por múltiples mecanismos, actuando a través de su receptor en el hígado, el tejido adiposo, el cerebro y el páncreas. El FGF 21 activa la captación de glucosa en los adipocitos, un efecto independiente de  insulina y que se observa después de al menos cuatro horas de tratamiento, en contraste con la acción rápida de la insulina. Una posible explicación es que la insulina actúa a través de la translocación del GLUT 4  mientras que el FGF 21 actúa vía regulación del ARNm del GLUT 1. La administración sistémica crónica de FGF 21 a ratones con obesidad genética mejora la hiperglucemia  en ayunas a través del incremento en la disposición de glucosa y el mejoramiento de la sensibilidad a la insulina en el hígado. Por otro lado, la infusión intraventricular crónica de FGF 21 en ratas durante dos semanas  produjo  un incremento de la sensibilidad a la insulina debido al aumento de la supresión, inducida por insulina, de la producción hepática de glucosa y de la expresión de los genes de las enzimas de la gluconeogénesis, sin cambios en la utilización de la glucosa. Esta observación sugiere que el efecto beneficioso del FGF 21 en la resistencia hepática a la insulina puede ser, al menos en parte, mediada por rutas centrales. Estos hallazgos pueden tener relevancia terapéutica pues el FGF 21 atraviesa la barrera hemato-encefálica de manera unidireccional y no saturable.  En los islotes pancreáticos, el FGF 21 inhibe la secreción de glucagón e incrementa el ARNm de insulina, pero solo aumenta la secreción de insulina inducida por glucosa en islotes de ratones diabéticos. El FGF 21 también está implicado en la regulación de la gluconeogénesis en el ayuno, pero a diferencia del glucagón no estimula la glucogenolisis. Su efecto es mediado por la inducción de la expresión hepática de la proteína 1α coactivadora del receptor activado por el proliferador de peroxisomas (PGC1α), un coactivadortranscripcional que controla la expresión  de genes gluconeogénicos.

Un estudio reciente ha demostrado que el FGF 21 puede suprimir en ratones la lipólisis inducida por la hormona del crecimiento a través de un asa de retroalimentación. La hormona del crecimiento es liberada por la hipófisis en respuesta al ayuno y estimula la lipólisis en los adipocitos. El incremento en ácidos grasos libres circulantes induce, vía acción del PPAR-α, la producción hepática de FGF 21 el cual,  a su vez, regula negativamente la lipólisis inducida por la hormona del crecimiento en los adipocitos. En adipocitos humanos, el FGF 21 atenúa la lipólisis estimulada por catecolaminas y péptido natriurético atrial.  Los perfiles de 24 horas de  ácidos grasos libres y FGF 21 se correlacionan fuertemente, con una  asociación positiva entre los  niveles pico  de ácidos grasos circulantes y FGF 21 durante el día y la noche. El nivel pico de ácidos grasos precede por 3-4 horas al de FGF 21.  Estos hallazgos sugieren  la existencia de una regulación por retroalimentación entre ácidos grasos y FGF 21 así como un rol del FGF 21 endógeno en la supresión de la  lipolisis en humanos.  El FGF 21 también tiene un rol en la inducción de la oxidación de ácidos grasos por PPAR-α en el hígado. El tratamiento crónico con FGF 21 reduce los niveles de triglicéridos, hepáticos y circulantes,y revierte el hígado graso en ratones con obesidad inducida por dieta a través de la inhibición de SREBP-1 (sterolregulatoryelementbinding protein-1), un αfactor de transcripción crítico  para la lipogénesis e implicado en la esteatosis hepática.  Por otra parte, en monos diabéticos se ha reportado que el tratamiento con FGF 21 reduce los niveles de triglicéridos, colesterol y LDL-colesterol al tiempo que incrementa los  niveles de HDL-colesterol. La reducción de ácidos grasos libres, consecuencia de la inhibición de la excesiva lipólisis,  y el aumento de la oxidación de ácidos grasos, pueden contribuir a la reducción de la resistencia a la insulina. Asimismo, la reducción en la esteatosis hepática puede mejorar la resistencia hepática a la insulina.

En la homeostasis del tejido óseo, un estudio reciente reporta que el FGF 21 inhibe la osteoblastogénesis  y estimula la adipogénesis  a partir de la “stemcell” mesenquimática de la médula ósea a través de la potenciación  de la actividad del PPAR-γ. Este hallazgo sugiere que el FGF 21 induce una disminución de la masa ósea. En este sentido, si la fragilidad esquelética  y el incremento de fracturas óseas puede ser una consecuencia indeseable  de la administración crónica de FGF 21 es algo que aún no ha sido confirmado.

En conclusión, el FGF 21 actúa como un mediador de la función de diferentes órganos en la regulación del metabolismo de glucosa y lípidos. Es regulado por el PPAR-α en el hígado y está relacionado con la biología del ayuno, pero  el FGF 21 también tiene roles en el estado alimentado, funcionando como un factor autocrino en el tejido adiposo. La administración terapéutica de FGF 21  tiene efectos metabólicos favorables  en modelos animales. En estudios con humanos, individuos con obesidad y desordenes cardiometabólicos  exhiben altos niveles circulantes de FGF 21, lo cual podría ser  una respuesta compensatoria para proteger al organismo de condiciones metabólicas adversas. Los hallazgos en estudios con humanos  sugieren que los niveles circulantes de FGF 21 podrían ser utilizados como un importante biomarcador para el diagnóstico temprano  de enfermedades metabólicas  o sus complicaciones.

Fuente: Woo YC et al (2013). Fibroblast growth factor 21 as an emerging metabolic regulator: clinical perspectives. Clinical Endocrinology 78: 489-496.