Control neuroendocrino de la inflamación

La respuesta inflamatoria es un proceso fisiológico que protege al organismo contra la infección y los agentes patógenos al tiempo que repara el tejido dañado por la lesión. Pero la inflamación no sólo es activada por las infecciones sino también por estímulos ambientales, conductuales y psicológicos lo que hace que la inflamación tenga un rol importante en el control del balance entre el estrés  y la salud humana. Normalmente, la respuesta inflamatoria es beneficiosa para el organismo, provoca la activación de varios mediadores pro-inflamatorios y restaura la estructura y función del tejido. Biológicamente, la inflamación comprende varios estados, a nivel celular hay una marcada respuesta al estímulo pro-inflamatorio, lo cual inicia las cascadas de citoquinas y quimioquinas. El incremento de estos mediadores inflamatorios –citoquinas, quimioquinas, factores de crecimiento, receptores, enzimas y moléculas de adhesión- es clave par el progreso y la propagación de la inflamación. A nivel molecular, el aparecimiento de las señales pro-inflamatorias culmina principalmente con la activación de dos factores de transcripción: el activador de proteína 1 (AP1) y el factor nuclear-κB (NF-κB). A su vez, ambos factores de transcripción  inducen la expresión  de los mediadores inflamatorios. Sin embargo, es necesario el retorno a la homeostasis –proceso en el cual el sistema neuroendocrino tiene un rol importante-  porque si la inflamación se prolonga por mucho tiempo puede llevar  a estados de inflamación crónica y autoinmunidad. Hay mecanismos para la apropiada terminación de la respuesta inflamatoria y las deficiencias en estos mecanismos contribuyen al aparecimiento de enfermedades inflamatorias.

Una característica importante de la respuesta inflamatoria es la liberación local de mediadores inflamatorios  como citoquinas (IL1, IL6) y factor de necrosis tumoral  α (TNFα), los cuales actúan en el sistema nervioso central activando el eje hipotálamo-hipófisis- adrenal, el principal componente de la respuesta neuroendocrina al estrés. La IL1 y otras citoquinas actúan en el cerebro  a través de varias rutas: (i) neuronas aferentes primarias que inervan la periferia; (ii) una ruta humoral que involucra la producción de citoquinas pro-inflamatorias por los macrófagos y su posterior difusión a través de la barrera hemato-encefálica; (iii) receptores de citoquinas en las células endoteliales de las vénulas cerebrales que median la producción local de prostaglandinas. Esto desencadena la cascada neuroendocrina de señales hormonales que   comienza en el cerebro y termina  con la secreción de glucocorticoides (GC).  Cuando las neuronas del núcleo paraventricular del hipotálamo son estimuladas liberan hormona liberadora de corticotropina (CRH) y arginina vasopresina. Estos factores causan en la hipófisis la secreción de hormona adrenocorticotropica (ACTH), la cual es liberada en la circulación sistémica y estimula en la corteza suprarrenal la síntesis y secreción de GCs,  principales responsables de la finalización de la respuesta inflamatoria.

Los GCs pertenecen a la familia de los esteroides, un grupo de pequeños compuestos lipofílicos derivados del colesterol, y regulan una variedad de funciones. Entre otras, regulan el metabolismo, la respuesta inmune, la supervivencia neuronal, la neurogénesis y la conducta. En una ruta de retroalimentación neuroendocrina-inflamatoria, la activación del eje hipotálamo-hipófisis-adrenal (HHA) produce un incremento en los niveles sistémicos de GC los cuales controlan la respuesta inflamatoria.  A través de esta asa, los GCs tiene una participación activa en la interacción entre  los componentes celulares del sistema inmune y el sistema neuroendocrino. Esto asegura el mantenimiento de la homeostasis y evita excesivos efectos inflamatorios que podrían ser perjudiciales. Gracias a su naturaleza lipofílica, los GCs pueden difundir libremente  a través de la membrana celular y unirse a sus  receptores citoplasmáticos.   A nivel celular, la acción de los GCs  es regulada por la actividad de la enzima11β hidroxiesteroide deshidrogenasa  tipo1 (11β-HSD1), la cual convierte GCs inactivos en su contraparte activa. El TNFα y la IL1β incrementan la expresión y actividad de la 11β-HSD1. Los GCs ejercen sus efectos biológicos uniéndose al receptor de glucocorticoide (GR), el cual es un factor de transcripción activado por ligando que regula, positivamente o negativamente, la expresión de genes. En el estado no inducido, el GR reside en el citoplasma en una forma inactiva formado parte  de un complejo multimérico compuesto por varias proteínas  de shock térmico e inmunofilinas. Cuando el GC se une al GR hay un cambio conformacional en el receptor que permite al GR disociarse  de los otros componentes del complejo y exponer la señal de localización nuclear, así el GR es capaz de moverse libremente y trasladarse al núcleo.

La activación del promotor de los blancos transcripcionales del GR puede ser desencadenada por diferentes mecanismos: unión del GR  dimérico activado en los elementos  de respuesta a los GC; unión del GR al ADN  de una manera concertada con factores de transcripción; o unión del GR a un factor de transcripción por medio de un mecanismo de atadura. La transactivación resulta en la expresión de proteínas anti-inflamatorias como el inhibidor del NF-κB, el “zipper” de leucina inducido por GC (GILZ), la fosfatasa de especificidad dual (DUSP) y la IL10. Sin embargo, los efectos anti-inflamatorios de los GC son mediados principalmente por  la interferencia provocada por un GR monomérico con la capacidad de transactivación  de factores de transcripción como NF-κB y el AP1, a través de un mecanismo de atadura conocido como transrepresión: el GR activado  ata al factor de transcripción, modulando la transrepresión  de los genes blanco, inhibiendo por tanto la expresión de genes.  El GR también puede regular negativamente la transcripción compitiendo con otro factor de transcripción por un sitio de unión  con el ADN o secuestrando un factor de transcripción unido al ADN. Entonces, varios factores de transcripción  -NF-κB,  AP1, Sp1, STAT3 entre otros- pueden trabajar concertadamente con el GR en la regulación  de la transcripción, positivamente o negativamente.  Los efectos anti-inflamatorios más prominentes de los GC consisten principalmente en inhibir la actividad de   factores de transcripción como el AP1 y el NF-κB, los cuales están involucrados en la activación de genes proinflamatorios e inmunoreguladores, indispensables para la propagación de la inflamación, como citoquinas inflamatorias (IL1β, IL6 y TNFα), receptores de citoquinas, moléculas de adhesión (ICAM1, VCAM y E-selectina) y proteínas quimiotácticas. Todos estos genes tienen en sus promotores uno o más elementos  de respuesta al NF-κB y/o AP1. La primera actividad anti-inflamatoria descrita de los GC que involucra la transrepresión  fue la interacción física  entre el GR y el AP1, lo cual provoca la inhibición de la expresión de la citoquina inflamatoria H2. El NF-κB regula citoquinas inflamatorias como el TNFα y la IL1β. La inhibición de la actividad del NF-κB mediada por los GCs es una  característica  de la acción anti-inflamatoria disparada por el GR. El GR no inhibe  la unión  de NF-κB o AP1 a sus elementos de respuesta  en el promotor del gen sino que interactúa con estos factores. Por ejemplo, la interacción del GR con el dominio C-terminal  del NF-κB es determinante para su efecto represivo sobre la expresión de genes regulada por este factor.

Las enzimas PARP (poly ADP-ribose polymerase) conforman una familia  de 18 proteínas que conservan la actividad PARP en su dominio catalítico. Estas enzimas catalizan la adición de PAR en las proteínas blanco. El PAR  es un polímero grande cargado negativamente  que trabaja como una modificación post-translacional. El contenido celular de PAR es producido por la actividad catalítica de la PARP, la cual polimeriza las unidades ADP-ribosa de moléculas NAD+ donadoras  sobre las proteínas blanco.  Esta modificación generalmente ocurre en los residuos glutamato, aspartato y lisina. La unión covalente de PAR altera la actividad  de las proteínas modificadas en las interacciones proteína-proteína, las interacciones ácido nucleico-proteína, la actividad enzimática y la localización subcelular. El miembro más estudiado de la familia es la PARP1, una enzima nuclear con una amplia variedad de funciones. Originalmente, fue descrita por su capacidad   de activar al ADN dañado, pero en la última década  se demostró que  no sólo media la reparación del ADN sino que también tiene importantes roles  en diferentes procesos nucleares como replicación, transcripción, remodelación de la cromatina  y mantenimiento de la estabilidad genómica. El número de proteínas blanco de la PARP1 es cada vez mayor e incluye factores de transcripción, enzimas nucleares y proteínas nucleares estructurales. En particular, el rol de la PARP1 en la regulación de genes ha recibido considerable atención y se ha establecido que puede modular la expresión de genes a diferentes niveles: (i) modulando la estructura de la cromatina, (ii) sirviendo como un coregulador con los factores de transcripción unidos  al ADN y (iii) modulando la metilación del ADN.

Las respuestas inflamatoria e inmune  son las acciones biológicas dependientes de la PARP1 mejor caracterizadas. Sin embargo, las respuestas pro-inflamatorias dependientes de PARP1  no se limitan a las células del sistema inmune, la PARP1 también está implicada en la respuesta pro-inflamatoria al estrés  en células del sistema nervioso central.  La activación de PARP1 en las células gliales media la función de factores de transcripción  que controlan la expresión de genes de la respuesta inflamatoria,  como el NF-κB y el AP1.  Estos hallazgos colocan a la PARP1 como un importante mediador de la respuesta inflamatoria en células sometidas a diferentes estímulos. En este sentido, es bien conocido que los inhibidores de la PARP1 tienen propiedades anti-inflamatorias. Un considerable  número de factores de transcripción  involucrados  en la regulación  de la expresión  de mediadores inflamatorios interactúan con la PARP1. El primero en ser identificado fue el NF-κB, posteriormente  se identificaron otros factores de transcripción y cofactores como el AP1, el NFAT y el Sp1. Aunque el mecanismo preciso  de regulación de estos factores es aún motivo de investigación, un punto común es el hecho que la actividad PARP1 aumenta la capacidad de los factores de transcripción de unirse al ADN. La PARP1 regula la expresión de citoquinas pro-inflamatorias  como TNFα, IL1β e IL12, las cuales a su vez activan la expresión de otras citoquinas, lo cual sugiere  que la PARP1 juega un importante rol en las respuestas inflamatorias fisiológicas y patológicas.

En el sistema nervioso central,  la PARP1 está involucrada en diferentes mecanismos que afectan las neuronas.  La muerte celular mediada por la PARP1 es uno de los procesos dominantes en muchas enfermedades. Estudios recientes reportan que los niveles elevados de PARP1 son suficientes para la muerte celular. La activación de la PARP1 ha sido detectada en varios desordenes neurodegenerativos.  Muestras de autopsias de pacientes con enfermedad de Alzheimer exhibieron acumulación de PAR en neuronas piramidales corticales y astrocitos, lo cual sugiere la implicación de la PARP1 en la patogénesis de dicha enfermedad.   La activación de la PARP1 en los astrocitos es una característica común de los desordenes neurodegenerativos crónicos.

La interacción entre el GH y la PARP1  puede estar involucrada en los mecanismos anti-inflamatorios  disparados por el GR. A través de la unión del ligando y la posterior translocación al núcleo, el GR puede reducir los efectos inflamatorios  mediados por la PARP1 sobre el NF-κB. Un posible mecanismo podría ser que esa interacción  reduzca la actividad de la PARP1 sobre el NF-κB o que el GR compita con la PARP1 por la unión con el NF-κB. Otra posibilidad es que la PARP1 pueda modular la actividad del GR sobre la activación de NF-κB.

En conclusión, el sistema neuroendocrino tiene un rol determinante en el control de los mecanismos inflamatorios para permitir que el organismo retorne a la homeostasis  y evitar situaciones patológicas de inflamación exacerbada. El GR y la PARP1 tiene  roles antagónicos en la regulación del proceso inflamatorio. El GR y la PARP1 tiene blancos comunes involucrados en las respuestas inflamatoria, por lo que es posible que la PARP1 pueda tener un rol en la regulación  de la expresión de citoquinas y otros mediadores inflamatorios mediada por GCs en el sistema nervioso central.

Fuente: Aprile-García F et al (2014). Novel insights into the neuroendocrine control of inflammation: the role of GR and PARP1.  Endocrine Connections 3: R1-R12. 

El eje oxitocina-hueso

La oxitocina es un neuropéptido sintetizado en el hipotálamo  -y en tejidos reproductivos durante el embarazo-  conocido sobre todo por su acción en el parto y la eyección de leche en la lactancia.  Sin embargo, en la última década, varios estudios sobre la distribución, el significado biológico y la regulación de los receptores de oxitocina   han revelado  otras funciones importantes. Los receptores de oxitocina  son expresados en hipófisis, cerebro, riñón, ovario, testículo, timo, corazón, endotelio vascular, osteoblastos, osteoclastos, mioblastos, células de los islotes pancreáticos, adipocitos y otros tejidos.  Estos receptores inducen varias rutas de señalización intracelular en respuesta a la oxitocina cuya relevancia en términos de las funciones fisiológicas  no ha sido establecida completamente. Los resultados de los estudios en animales  sugieren roles para la oxitocina en la función hipofisiaria, la fertilidad masculina y femenina, la función de las células T, el control cardiovascular, la formación de músculo y el control del crecimiento de ciertas células cancerosas. En el cerebro,  la oxitocina  es un neurotransmisor central con roles en las conductas reproductiva y social, la memoria y la ingesta de alimentos.  En particular, la oxitocina es mediador de la conducta maternal, la receptividad sexual y el apareamiento. Adicionalmente, estudios recientes han demostrado roles relevantes de esta hormona en la homeostasis ósea.

La oxitocina tiene una acción directa sobre el esqueleto que es mediada a través  de la estimulación  de la formación de los osteoblastos  y la modulación de la formación y función de los osteoclastos. Las cascadas de señalización  que median la acción de la oxitocina sobre las células óseas liberan Ca²⁺ de los depósitos intracelulares y disparan la señal de la proteína kinasa ERK. La oxitocina estimula la diferenciación de los osteoblastos a un fenotipo mineralizado  regulando el incremento  de la proteína morfogenética de hueso-2 (BMP-2)  a través de las rutas Schunrri-2 y ATF-4. En los osteoblastos maduros, la oxitocina reduce la expresión de OPG (osteoprotegerina) al tiempo que incrementa la expresión de RANKL  (receptor activator  nuclear factor-kappaB ligand), lo que resulta en la  estimulación de  la diferenciación de los osteoclastos.  La oxitocina tiene un efecto dual sobre los osteoclastos, por una parte  incrementa la formación de osteoclastos directamente a través de la activación del factor nuclear-κB y de la  proteína kinasa activada por mitogenos (MAPK)  e indirectamente  a través del incremento de RANKL y, por otra parte, disminuye la resorción ósea a través de estimulación de la liberación de Ca²⁺ citoplasmático y la síntesis de óxido nítrico.

La aparente paradoja  de osteoclastogénesis aumentada  acoplada con disminución de la resorción ósea puede ser explicada considerando la actividad cíclica de la hormona  como resultado de la regulación hacia abajo de los receptores. El significado fisiológico podría ser  la disponibilidad cíclica de altos niveles circulantes de calcio en períodos como la  fase final del embarazo y después del parto cuando  se requieren mayores cantidades del ión para la mineralización del esqueleto y la lactancia. Estos períodos corresponden a las etapas de crecimiento óseo acelerado del feto y el recién nacido  en las cuales la madre puede perder hasta 120 gramos  del calcio de su esqueleto. Las adaptaciones hormonales en la madre incluyen bajos niveles de estrógenos  y elevados niveles de la proteína relacionada con hormona paratiroidea (PTHrP), lo cual facilita la resorción ósea y la transferencia de calcio. Sin embargo, es sorprendente que después de estos períodos de gran pérdida ósea, el esqueleto de la madre se recupere rápidamente. El mecanismo de esta dramática recuperación  por mucho tiempo permaneció  pobremente entendido hasta  que se reveló el rol de la oxitocina  sobre el esqueleto  durante el embarazo y/o la lactancia.  La oxitocina puede ser responsable, principalmente durante el embarazo y la lactancia, del mantenimiento de una alta tasa de actividad celular en el hueso, estimulando tanto la formación como  la resorción,  pero controlando la cantidad de hueso resorbido.

La oxitocina y su receptor son regulados por los esteroides sexuales y por la misma oxitocina. Un estudio reciente ha demostrado que los osteoblastos, por acción del estradiol,  son capaces de sintetizar y secretar  oxitocina y que el estradiol regula la actividad  de los osteoblastos a través de la oxitocina. La oxitocina y el receptor de oxitocina en los osteoblastos son regulados positivamente por los estrógenos  vía mecanismos no genómicos y genómicos, respectivamente. El receptor de oxitocina y la producción de oxitocina inducidos por los estrógenos amplifican la señal autocrina de la oxitocina y aumentan la diferenciación de los osteoblastos. La oxitocina liberada puede también disparar una señal autocrina para coordinar la diferenciación  de los osteoblastos adyacentes.  La expresión de oxitocina  requiere una ruta de transducción de la señal MAPK intacta  porque  la inhibición de la MAPK reduce la síntesis de oxitocina. Los osteoblastos producen abundante oxitocina lo que sugiere que la hormona liberada localmente puede ser un regulador  autocrino de la formación de hueso y de la masa ósea. En este circuito local, la oxitocina producida por los osteoblastos en repuesta al estrógeno actúa sobre su receptor para estimular la liberación de más hormona, lo cual amplifica la acción del estrógeno. Fisiológicamente, el circuito autocrino de la oxitocina puede servir para coordinar la actividad formadora de hueso de los osteoblastos.

La osteoporosis se caracteriza por el incremento de la fragilidad del esqueleto. El  incremento de la resorción ósea es considerado el principal responsable de la pérdida ósea.  La  pérdida ósea se acompaña de un incremento en la adiposidad de la médula ósea.  Los osteoblastos y los adipocitos tienen el mismo precursor celular pero existe una  relación inversa entre los dos linajes. La ruta de señalización mediada por el receptor de oxitocina funciona como regulador del balance osteoblasto/adipocito en las “stem cells”multipotentes de la médula ósea humana. Clínicamente, los niveles plasmáticos de oxitocina son significativamente más bajos en las mujeres postmenopáusicas que desarrollan osteoporosis  que en la contraparte saludable. Estos datos sugieren que los niveles plasmáticos de oxitocina podrían representar  un nuevo marcador diagnóstico de la osteoporosis.  

En resumen, la oxitocina, como péptido circulante, es responsable de la homeostasis del esqueleto principalmente  a través  de la estimulación  de la formación de osteoblastos y de la modulación recíproca de la formación y función de los osteoclastos. La oxitocina incrementa la formación de osteoclastos directamente activando la señal del factor nuclear κB y la MAPK, e indirectamente a través de la regulación de la síntesis de RANKL por los osteoblastos. Por otra parte, inhibe la resorción ósea disparando la liberación de Ca²⁺ citoplasmático y la síntesis de óxido nítrico en los osteoclastos maduros.  Adicionalmente, la  oxitocina, producida localmente por los osteoblatos,  actúa como regulador paracrino/autocrino  de la formación de hueso modulada por los estrógenos. La oxitocina puede jugar un rol  en la movilización inicial y la posterior restauración  del esqueleto materno durante los períodos de mayor requerimiento de calcio en el embarazo y la lactancia.

Fuente: Colaianni G et al (2014). The oxytocin-bone axis. Journal of Neuroendocrinology 26: 53-57.

Las adipoquinas y la acción de la insulina

Las diversas funciones sistémicas del tejido adiposo son mediadas por hormonas y citoquinas –colectivamente conocidas como adipoquinas- derivadas de los adipocitos o de las células vasculares del estroma de la matriz  del tejido adiposo incluyendo pre-adipocitos, fibroblastos y macrófagos.  Varias adipoquinas han sido asociadas con el desarrollo de  resistencia a la insulina  y por consiguiente  con la fisiopatología de la obesidad y la diabetes mellitus tipo 2.  El factor de necrosis tumoral–α (TNF-α) es una citoquina proinflamatoria derivada principalmente de los macrófagos y asociada con  la resistencia a la insulina en roedores y humanos.  La desregulación  de la señal de la insulina y del metabolismo de los ácidos grasos son mecanismos que subyacen  a la resistencia a la insulina inducida por el TNF-α.  La resistina  es una hormona asociada con  hiperglucemia,  inflamación y  secreción de otras citoquinas como la interleuquina 6 (IL-6) que, a su vez, es una adipoquina  capaz de inducir resistencia a la insulina in vitro e in vivo en roedores.  En los humanos, el rol de la resistina es controversial y muchos estudios han fracasado en su intento de demostrar una asociación de los niveles circulantes de resistina con resistencia a la insulina.  Mientras estas adipoquinas pro-inflamatorias son asociadas con la resistencia a la insulina, otras adipoquinas –leptina, adiponectina y adipolina-  son asociadas positivamente  con la sensibilidad a la insulina.

La insulina interviene en la mayoría  de procesos metabólicos pero su principal rol es en la homeostasis de la glucosa. La insulina, secretada en respuesta a los niveles elevados de glucosa sanguínea por las células β del páncreas, actúa  estimulando la captación de glucosa en tejidos blanco (músculo, hígado y tejido adiposo) y suprimiendo la producción hepática de glucosa para restablecer los valores normales de la glucemia. En el estado fisiológico normal, la insulina se une  y activa receptores en la superficie celular lo que  provoca la fosforilación de los sustratos  del receptor de insulina (IRS 1 y 2). Las proteínas IRS fosforiladas se asocian con -y activan-  la fosfatidilinositol 3-kinasa (PI3K)  lo que permite a la subunidad catalítica de la kinasa  convertir al IP₂ en IP₃. El IP₃ activa la proteína kinasa dependiente de  3-fosfoinositido-1/2 (PDK ½) para iniciar la señal Akt dependiente de PI3K, la cual facilita la captación de glucosa en la célula mediante la translocación de transportadores de glucosa (GLUT4) a la membrana plasmática.  La resistencia a la insulina se caracteriza por  la incapacidad del músculo, el hígado y el tejido adiposo  para responder a la inulina, lo cual resulta en niveles elevados de glucosa sanguínea de una manera sostenida. Defectos en la transducción de la señal de insulina y sus efectos sobre el transporte y el metabolismo celular de la glucosa han sido asociados con el progreso de la resistencia a la insulina.

La leptina  es una proteína (16 kDa) secretada por los adipocitos que regula la ingesta de alimentos y el gasto de energía además de sus efectos sobre la reproducción, la regulación del sistema inmune y  de otros sistemas endocrinos. Los ratones que carecen del gen ob (o lep)  son obesos con un peso hasta  tres veces mayor que el de ratones normales. La inyección de leptina en ratones normales causa reducción de la ingesta de alimentos, pérdida de peso, incremento de la actividad física y termogénesis.   La leptina, es considerada  un “adipostato”,  por cuanto sus niveles circulantes reflejan el grado de adiposidad y su liberación por los adipocitos induce en el cerebro la supresión  de la ingesta de alimentos y el incremento del gasto de energía. Sin embargo, es conveniente señalar que los niveles de leptina pueden actuar como una excelente señal de disminución de los depósitos de energía en el ayuno, pero en el estado obeso los elevados niveles circulantes de leptina ofrecen poca protección contra la obesidad porque el desarrollo de resistencia a la leptina   facilita la ganancia de peso.

La relación precisa entre  leptina y sensibilidad a la insulina es todavía incierta a pesar de que  en los últimos años se han obtenido avances significativos. Insulina y leptina  constituyen el eje adipo-insular que contribuye a la regulación de los nutrientes y el balance energético en el cuerpo. La leptina ejerce un efecto positivo, similar a la insulina, sobre el metabolismo de la glucosa y suprime la secreción de insulina en un asa de retroalimentación negativa donde la insulina estimula la liberación de leptina. Por tanto, la desregulación del eje adipo-insular puede contribuir a la progresión  de la resistencia a la insulina.

Los estudios con roedores han demostrado que la leptina es  un potente supresor del apetito lo que resulta en una considerable pérdida de peso.  Varios estudios han demostrado que la administración aguda de leptina en ratones mejora el metabolismo de la glucosa y la sensibilidad a la insulina bajo condiciones diversas, incluyendo ayuno e hiperinsulinemia. Por otra parte, la terapia crónica de leptina en humanos con lipodistrofia severa y resistencia a la insulina  restaura la acción de la insulina y reduce marcadamente los niveles intracelulares de lípidos en hígado y músculo.  Ahora bien, ¿cuánto del efecto de la leptina sobre la sensibilización  a la insulina es mediado centralmente?  Un estudio reciente reporta que la alteración  de la señal PI3K en el hipotálamo podría  ser el mecanismo que subyace al efecto de la leptina  sobre la sensibilidad a la insulina. Adicionalmente,  es bastante conocido que la activación de la proteína kinasa activada por AMP (AMPK) por la leptina, particularmente en músculo,  contribuye significativamente al mecanismo de sensibilización a la insulina y los efectos centrales de la leptina sobre el balance energético  están asociados con la activación de la AMPK hipotalámica. La AMPK es un sensor metabólico regulado a través del estado redox  de la célula  y su activación es estimulada en el estado de ayuno, el ejercicio o el estrés celular por el incremento de la relación AMP/ATP. La AMPK inhibe rutas anabólicas (consumen ATP) a través de la fosforilación  de enzimas metabólicas y la regulación  de la expresión de proteínas y genes.  La acción de la leptina  de reducir   los niveles de lípidos plasmáticos y de los depósitos  de lípidos en los tejidos no adiposos  implica un rol de la leptina  en la prevención de la acumulación ectópica de lípidos que también  puede estar  involucrado en el mecanismo de mejora de la sensibilidad a la inulina.

La adiponectina es codificada por el gen ADIPOQ y la forma de alto peso molecular es conocida como una importante hormona sensibilizadora  de la insulina que actúa a través de dos receptores distintos AdipoR1 y adipoR2. Los estudios en roedores han revelado  que la adiponectina tiene  funciones anti-aterogénica, anti-inflamatoria y sensibilizadora de la insulina. La adiponectina es la adipoquina de mayor expresión  en el plasma, sin embargo, los individuos obesos más que altas concentraciones exhiben niveles relativamente bajos de adiponectina. Esto constituye una paradoja, pues  cabría esperar que una hormona secretada sólo por el tejido adiposo aumentara en la medida que crece la masa de tejido adiposo. La desregulación de la adiponectina en la obesidad sugiere una relación de la hormona con la sensibilidad a la insulina. En efecto, la hipoadiponectinemia  está fuertemente relacionada  con la incidencia de dislipidemia, resistencia a la insulina y diabetes mellitus tipo 2. La adiponectina  funciona en un asa de retroalimentación  con citoquinas pro-inflamatorias como TNF-α e IL-6 en la que cada uno  regula la expresión  de los otros. La sobre nutrición y la hiperglucemia pueden provocar  la activación de la señal inflamatoria alterando la delicada regulación  de moléculas pro y anti-inflamatorias. El incremento de TNF-α e IL-6 puede reducir la liberación de adiponectina, generando mayor  susceptibilidad al desarrollo  de resistencia a la insulina.

La expresión del gen ADIPOQ es regulada por el PPARγ (peroxisome proliferator activating receptor γ). La regulación del gen de la adiponectina, vía PPARγ, por drogas anti-diabéticas como las tiazolidinedionas (TZDs)  es un mecanismo que contribuye  a mejorar la sensibilidad a la insulina como ha sido demostrado en roedores y humanos tratados con TZDs. La adiponectina, igual que la leptina, estimula la actividad AMPK y la oxidación de ácidos grasos. La adiponectina regula proteínas involucradas  en la oxidación y el transporte de los ácidos grasos lo cual  resulta en la disminución de  los triglicéridos  en músculo e hígado. La pérdida de adiponectina  esta asociada con una reducción  de la oxidación de ácidos grasos y por consiguiente con un incremento de los niveles plasmáticos y tisulares de ceramidas y diacilglicerol, compuestos  que han sido involucrados en  la inhibición de la señal de la insulina.  La adiponectina, además de sus efectos beneficiosos sobre la acción de la insulina, también actúa sobre las células β del páncreas promoviendo su función y supervivencia.

La adipolina (gen FAM132A/TRP12), conocida también como factor derivado del tejido adiposo sensibilizador de la insulina,  es una adipoquina recientemente caracterizada con roles en el control de la glucemia y la sensibilidad a la insulina. La administración de adipolina produce mejora de la sensibilidad a la insulina y la tolerancia a la glucosa, así como también reducción de la adiposidad y la inflamación  en  animales obesos y diabéticos. Adicionalmente, la adipolina  reduce la acumulación de macrófagos en el tejido adiposo y disminuye la presencia de citoquinas pro-inflamatorias implicadas en el desarrollo de resistencia a la insulina. Esto sugiere una acción anti-inflamatoria de la adipolina, contrarrestando la inflamación crónica que a menudo acompaña a la obesidad y la resistencia a la insulina. Los ratones con obesidad inducida por dieta  exhiben niveles elevados  de la pro.proteína  convertasa, furina,  asociada con la inflamación crónica de la obesidad.  El incremento de furina en el tejido adiposo de ratones obesos  resulta en una mayor proporción  de la forma clivada  de la adipolina, la cual es menos efectiva en estimular la señal insulina y por tanto menos efectiva  en mejorar la sensibilidad a la inulina. Es de hacer notar que la citoquina pro-inflamatoria TNF-α es procesada por una enzima convertasa (TACE) que depende de la furina para su maduración. Entonces, los elevados niveles de furina en los ratones obesos facilitan el incremento  de la producción de TNF-α  mediada por la TACE, provocando un estado de inflamación crónica y menor liberación de adipolina y adiponectina. Esto podría ayudar a explicar los sorprendentes bajos niveles circulantes de adiponectina y adipolina en los individuos obesos.

Existen muy pocos estudios sobre  los niveles de adipolina en humanos. Un estudio con niños pre-puberales reporta la reducción  de la expresión del gen FAM132A asociada con obesidad. Otro estudio  revela la disminución de los niveles circulantes  -y la expresión en el tejido adiposo- de adipolina en mujeres con  ovarios poliquísticos, una condición asociada con obesidad y diabetes mellitus tipo 2. La adipolina aumenta la señal  de la insulina dependiente de PI3K incrementando la fosforilación de las proteínas  IRS, Akt  y MAPK. Mientras las rutas de señalización que median la acción de la adipolina son cada vez más  conocidas, menos se sabe acerca del control de los niveles sistémicos de la hormona. Un estudio reciente describe que el promotor FAM132A  está unido y regulado in vivo por el represor transcripcional KLF3 (Krüppel-like Factor 3) por lo que los ratones deficientes en KLF3 exhiben niveles significativamente elevados de adipolina.  El KLF3, como la AMPK, es regulado fuertemente por el estado redox de la célula, por lo que el estímulo de la expresión y secreción de adipolina  mediado por la inhibición del KLF3 puede no ser una simple coincidencia.

Knights AJ et al (2014). Adipokines and insulin action. A sensitive issue.  Adipocyte 3 (2): 1-9.

Bases moleculares de la condrogénesis

En los mamíferos, la mayoría de los huesos del esqueleto son formados por osificación endocondral, la cual consiste en la condensación mesenquimal de células indiferenciadas, seguida de  proliferación de condrocitos,  diferenciación de condrocitos hipertróficos y  mineralización. La proliferación de condrocitos  forma columnas paralelas en la placa de crecimiento del hueso que se caracterizan por la expresión de colágeno (tipos II, IX, XI) y proteglucanos como el agrecan.  Con la diferenciación, los condrocitos se vuelven hipertróficos y comienzan a producir fosfatasa alcalina y colágeno  tipo X. Eventualmente, los condrocitos completamente diferenciados  entrarán en apoptosis y la matriz cartilaginosa será mineralizada y reemplazada por hueso.  Los condrocitos maduros expresan factor de crecimiento endotelial vascular (VEGF) y metaloproteinasas de matriz (MMPs).  El VEGF induce la invasión de vasos sanguíneos en el cartílago y las MMPs ayudan en la degradación de la matriz cartilaginosa. La evidencia acumulada  a partir de enfermedades humanas ha identificado diversos factores involucrados en la regulación  de la proliferación y la diferenciación de los condrocitos. Entre ellos están factores de transcripción, factores de crecimiento solubles, matrices extracelulares (ECMs)  y factores epigenéticos.

Una compleja red transcripcional gobierna  la condrogénesis hasta alcanzar la diferenciación terminal de los condrocitos. De los factores de transcripción involucrados en la condrogénesis, el SOX9 es el más estudiado. La evidencia derivada de modelos de roedores ha revelado que el SOX9  es indispensable para la condrogénesis, El SOX9 comienza a ser expresado en el estadio osteocondroprogenitor mesenquimal y transactiva varios genes específicos para la proliferación de los condrocitos como Col2α1 que codifica al colágeno tipo II. Los factores SOX5 y SOX6  cooperan con el SOX9 en la activación de genes. Los miembros de las familias de factores de transcripción ATF/CREB (activating transcription factor/cyclic AMP response element binding protein) y AP1 son requeridos para mantener la capacidad proliferativa de los condrocitos tempranos.  La maduración hipertrófica de los condrocitos requiere  de los factores de transcripción Runx2 y Runx3 así como también de la disminución  en la expresión y/o actividad  de las proteínas SOX. El Runx2 transactiva directamente los genes Ihh (Indian hedgehog), Col10α1 que codifica al colágeno X, y MMP13. La proteína SOX9  suprime la expresión de Runx2 y la señal β-catenina, lo cual inhibe el cambio hipertrófico de los condrocitos.  Por otra parte, el factor de transcripción  Twist-1  funciona como represor de Runx2 en el pericondrio. Otros factores de transcripción como Mef2c y Mef2d (myocyte enhancer factor 2c y2d), Msx2,  los miembros  de la familia de factores de transcripción AP1, Fra2 y Fox2, y los miembros de la familia de factores de transcripción FoxA, también facilitan la hipertrofia de los condrocitos. El factor de transcripción inducible por hipoxia-1α (HIF-1α),  uno de los principales reguladores  de la respuesta hipóxica en los mamíferos,  tiene un rol en la supervivencia  de los condrocitos y en la regulación del gen del VEGF.

Los factores de crecimiento de fibroblastos (FGFs) tienen roles críticos en la condrogénesis activando  la señal mediada por receptores FGF (FGFRs). Entre  los FGFRs, el FGFR3 es expresado  en células bajo condensación mesenquimal y condrocitos proliferantes. Por otra parte, el FGFR1 es expresado en condrocitos prehipertróficos e hipertróficos. La señal mediada por el FGFR3 regula negativamente la proliferación y diferenciación de los condrocitos. Aunque varios FGFs son expresados en el cartílago, se ha sugerido que en los condrocitos el FGF18 funciona como ligando fisiológico para el FGFR3.  El Ihh es una molécula de señalización expresada en los condrocitos prehipertróficos que incrementa la expresión de la proteína relacionada con la hormona paratiroidea (PTHrP) en las células pericondriales y en los condrocitos de los extremos de los huesos largos, lo cual retarda la hipertrofia  de los condrocitos a través de los receptores PTH/PTHrP expresados en los condrocitos proliferantes. Ihh y PTHrP funcionan en un asa de retroalimentación negativa  local para regular el inicio de la diferenciación hipertrófica. Adicionalmente, el Ihh estimula la proliferación  y la maduración de los condrocitos de  una manera independiente de la PTHrP  en la que están involucradas la  Wnt y la proteína morfogenética del hueso (BMP). El péptido natriurético tipo C (CNP) es otro factor soluble regulador de la condrogénesis. La señal del CNP es mediada por el receptor NPR2, también llamado guanilil ciclasa B. La ruta de señalización CNP/NPR2 juega un rol importante en el desarrollo del cartílago de la placa de crecimiento. El CNP promueve el crecimiento óseo endocondral  a través de varios mecanismos, incluyendo la estimulación de la proliferación e hipertrofia de los condrocitos  y el incremento en la producción de ECMs.  La señal evocada por el CNP también inhibe la activación  de la ruta ERK inducida por FGFs. Las rutas p38MAPK y PI3K/Akt también están involucradas en la  acción reguladora del CNP sobre el desarrollo de los condrocitos.

Las interacciones célula-matriz adquieren mucha importancia cuando la interacción célula-célula, vía moléculas de adhesión (N-caderina y N-CAM), está involucrada en la condensación celular y la condrogénesis. Los condrocitos maduros producen abundantes proteínas EMC como colágenos y proteoglucanos. La ECM es reconocida y unida  por integrinas y receptores transmembrana de la superficie celular.  Las integrinas son expresadas como dímeros  formados por una subunidad α  y una subunidad β y la unión del  ligando a la integrina produce la transducción  de la señal de la EMC a los efectores intracelulares. La kinasa unida a la integrina  es uno de los componentes del complejo cuya formación es disparada por la activación  de la señal mediada por la integrina.  El gen SLC26A2 codifica a un transportador  responsable de la captación  de sulfato por los condrocitos. Las mutaciones en este gen  han sido identificadas en una forma de condrodisplasia llamada displasia diastrófica que se caracteriza por la baja sulfatación  de los proteoglucanos cartilaginosos como la condroitina.  Otra función de la ECM cartilaginosa es  la  regulación de la condrogénesis a través  de la unión, almacenamiento y liberación de factores solubles. Por ejemplo, la mayoría de los FGFs se unen a proteoglucanos heparan sulfato  para disparar la señal de transducción.  La vinculina es un componente del complejo de adhesión focal que funciona en la adhesión y/o señal entre el microambiente extracelular y la célula vía integrinas y caderinas. La vinculina regula la expresión de genes específicos de los condrocitos organizando la señal de ECMs y factores solubles como el factor insulinosimil- I (IGF-I).

Estudios recientes han revelado los roles de los mecanismos epigéneticos en la condrogénesis. La desacetilasa de histonas-4 (HDAC4) previene la prematura hipertrofia de los condrocitos al inhibir la actividad de los factores de transcripción Runx2/3 y Mef2c/d. Las HDAC1 y HDAC2  actúan como mediadoras  de la represión de algunos genes específicos  del cartílago incluyendo al Col2a1. Estos hallazgos sugieren  que la modificación de histonas influye en los procesos de formación ósea endocondral. La metilación de ADN también está involucrada en la regulación de genes específicos del cartílago. Por ejemplo, en los humanos, la desmetilación de los sitios 2CpG  del promotor COL10A1 se correlaciona con la inducción del gen COL10A1 durante  la diferenciación condrogénica de las “stem cell” mesenquiomales. 

Los micro ARNs (miARNs) son una clase de nucleótidos del ARN no codificantes que regulan la expresión  de otros genes en el nivel post-transcripcional. Estudios recientes han identificado numerosos  miARNs  con roles en la diferenciación de los condrocitos.  Por ejemplo, el miR-140 regula  el desarrollo y la homeostasis del cartílago, el miR-145 regula la diferenciación condrogénica de las “stem cells” mesenquimales y el miR-199 responde a la BMP y regula la condrogénesis  a través de la Smad 1. Estos hallazgos resaltan la importancia de los miARNs en la regulación de la cxondrogénesis.

En conclusión, varios factores –factores de transcripción, mediadores solubles, matrices extracelulares y las interacciones célula-célula y célula-matriz- regulan el complejo proceso secuencial de la condrogénesis.  Adicionalmente, estudios recientes  han revelado  que  mecanismos epigéneticos y mecanismos mediados  por microARNs  también son importantes en la condrógenesis.

Fuente: Michigami T (2014). Current understanding on the molecular basis of chondrogenesis.  Clinical Pediatric Endocrinology 23: 1-8.

Las orexinas y la transición sueño-vigilia

Las orexinas, también conocidas como hipocretinas (Hcrt),  son péptidos esenciales para la estabilidad del despertar.  Poco tiempo después de su descubrimiento en 1998 se describió la asociación entre la deficiencia de orexina y la narcolepsia, los pacientes que sufren  de narcolepsia mas cataplejía tienen niveles muy bajos de orexina-A en el líquido cerebro espinal. Esta deficiencia es causada por una degeneración selectiva de las neuronas orexina. El sistema orexina también ha sido involucrado en una diversidad de procesos patológicos incluyendo  enfermedad de Parkinson,  enfermedad de Alzheimer, trastornos de ansiedad y depresión.  Las neuronas orexina se activan espontáneamente y responden a múltiples estímulos. Estudios con microdiálisis  revelaron una modulación circadiana de la concentración de orexinas en el cerebro. Por otra parte, estudios recientes reportan que la actividad orexina es principalmente fásica y precede a  la transición sueño-vigilia por 10-20 segundos. La pregunta que surge es sí esta actividad fásica de las neuronas orexina es permisiva o instructiva para el despertar.  En estudios con animales se encontró que la activación de las neuronas orexina, inducida por fotoestimulación, incrementa la probabilidad de las transiciones del sueño a la vigilia. Esta inducción es dependiente de la  frecuencia pues solamente las frecuencias mayores de 5Hz incrementaron la probabilidad de despertar. Estos hallazgos fueron validados en estudios con técnicas fármaco-genéticas que permiten la modulación  de la actividad neural  con resolución temporal de varias horas. .Sobre la base de estos resultados se ha propuesto que el sistema orexina  actúa como un regulador de los estados de conducta modulando el umbral del despertar, de manera que el organismo pueda mantener un alerta apropiado y adecuado para responder a las fluctuaciones   ambientales  externas e internas.

Los dos tipos de receptores de orexina, Hcrt-R1 y Hcrt-R2, son esenciales en el proceso de estabilización  del ciclo sueño/vigilia, con una mayor contribución del Hcrt-R2. Un estudio reciente revela que los dos receptores están asociados con la supresión del sueño  con movimientos oculares rápidos (REM). Sin embargo, otro estudio  con resonancia magnética funcional  reveló que los antagonistas de Hcrt-R2, pero no los de Hcrt-R1, incrementan el tiempo de sueño REM, sueño no Rem y sueño total, lo que sugiere que los dos receptores tiene roles diferentes. Adicionalmente, el desarrollo reciente de antagonistas selectivos de receptores Hcrt demostró que el bloqueo del Hcrt-R1 atenúa el antagonismo del Hcrt-R2 y reveló interacciones complejas entre ambos receptores.

La evidencia anatómica y electrofisiológica acumulada en los últimos años indica que por lo menos 10 hormonas y/o neurotransmisores  son “sensados” por las neuronas orexina. Las neuronas orexina reciben información relacionada  con la excitabilidad general y la vigilia (glutamato, GABA, noradrenalina, acetilcolina y serotonina) y la alimentación y el estado metabólico (neuropéptido Y, ghrelina, leptina y colecistoquinina). El estudio de las aferentes anatómicas  ha revelado que varias áreas claves del cerebro envían axones  a las neuronas orexina incluyendo al núcleo del lecho de la estría terminal, la amígdala y el septum medial, lo cual sugiere  un papel del sistema límbico en la regulación de la repuesta orexina.

 En el cerebro, las monoaminas estimulan neuronas de la  neocorteza  e inhiben los centros del sueño para promover la vigilia. Estas neuronas histaminérgicas (núcleo tuberomamilar), noradrenérgicas (locus coeruleus), serotoninérgicas (núcleos del rafe dorsal) y dopaminérgicas (sustancia gris periacueductal ventral)  reciben proyecciones  de las neuronas orexina de acuerdo con la distribución de los receptores Hcrt-Rs.  Las neuronas del locus coeruleus expresan principalmente Hcrt-R1, las neuronas del núcleo tuberomamilar expresan mayoritariamente Hcrt-R2 en tanto que las neuronas de los núcleos del rafe dorsal expresan ambos tipos de receptores. Más aún, las neuronas orexina exhiben patrones de descarga paralelos con las neuronas monoaminérgicas, esto es, descarga tónica durante la vigilia (especialmente durante la vigilia activa), descarga débil durante el sueño de ondas lentas y son silentes durante el sueño  REM (excepto por su intensa descarga en la transición hacia el despertar). Estos datos son consistentes con la oscilación de la concentración extracelular de orexinas que alcanzan un pico durante el estado de vigilia y cae aproximadamente a la mitad del nivel máximo durante el sueño.  Por  otra parte, las neuronas orexina reciben inervación inhibitoria de parte de las neuronas noradrenérgicas, serotoninérgicas y dopaminérgicas, en tanto que  las neuronas histaminérgicas tienen poco  o ningún efecto sobre las neuronas orexina.  Sin embargo, el rol de la inervación noradrenérgica sobre las neuronas orexina es controversial pues algunos reportes señalan  efectos excitatorios  en ratas y otros reportes demuestran  una acción inhibitoria.  Las neuronas colinérgicas del núcleo tegmental pedunculopontino/núcleo tegmental laterodorsal disparan rápidamente  durante la vigilia y el sueño REM pero disparan lentamente  durante el sueño no REM, lo que sugiere que ellas ayudan  a mantener la activación cortical durante  los estados de vigilia y  sueño REM. La aplicación de orexina en el núcleo tegmental laterodorsal  produce un incremento significativo de la cantidad más que de la duración del sueño REM. Adicionalmente, estudios in vitro han demostrado que el carbacol, un agonista colinérgico, excita las neuronas orexina. En resumen, el despertar inducido por orexina no sólo es modulado por neuronas monoaminérgicas sino que también necesita  de la participación de neuronas colinérgicas.  

El sistema orexina  puede ser modulado por el reloj circadiano  y los estados homeostáticos. Aunque no hay  evidencia de una conexión sináptica directa entre el núcleo supraquiasmático  y las neuronas orexina, el reloj circadiano maneja al sistema orexina a través de los circuitos eferentes del núcleo supraquiasmático. La maquinaria molecular  del reloj interno de las neuronas orexina también puede influir en la excitabilidad neuronal durante el ciclo luz/oscuridad.  Adicionalmente, las neuronas orexina juegan un rol central en la integhración de la información  de los estados metabólicos. La modulación local  de las neuronas orexina por la hormona concentradora de melanina (MCH) o la leptina puede también ser importante en la estabilización circadiana del ciclo sueño/vigilia. Si las variables fisiológicas son favorables para  el sueño (ej: tiempo circadiano apropiado, bajas demandas de energía), las neuronas orexina son silentes y esto podría ser interpretado por los circuitos corticales como una señal de mantenimiento del sueño.   Los mecanismos intrínsecos de plasticidad  pueden regular la tasa  de disparo de las neuronas orexina durante el día y la noche. Durante el período de vigilia, la excitación tónica de las neuronas orexina puede aumentar cuando el organismo está sometido a ciertos estresores  como la estimulación emocional.  Los mecanismos de plasticidad en las neuronas orexina tienen un papel  crítico en la conexión entre el  alerta, el metabolismo y la función cerebral de recompensa. En este contexto, se ha propuesto que las orexinas ejercen diferentes funciones en diferentes escalas de tiempo: actividad fásica (1-10 segundos) que podría ser responsable  de los estados de transición  y una oscilación regulada por el reloj circadiano  que podría codificar información acerca del metabolismo y el estado circadiano. 

Las neuronas orexina envían información a una red  de sistemas con diferentes roles en la dinámica de un despertar. Sin embargo, muy pocas proyecciones de las neuronas orexina han sido estudiadas en detalle. El locus coeruleus recibe una densa red  de terminales axónicos de las neuronas orexina  y la conectividad con las neuronas del locus coeruleus es monosináptica. La liberación de orexinas  –sináptica o extrasináptica- incrementa la excitabilidad de las neuronas del locus coeruleus. Un corto período (≥10 segundos) de actividad fásica de las neuronas orexina  aumenta la excitabilidad  de las neuronas postsinápticas del locus coeruleus a través de conductancias que elevan la concentración intracelular de Ca²⁺ con el consiguiente aumento de la probabilidad de alcanzar el umbral de un despertar. Además del locus coeruleus, las rutas serotoninérgicas, histaminérgicas, colinérgicas y dopaminérgicas también pueden aumentar la probabilidad de despertar. La información  estas rutas alternas  conforma  sistemas que tienen roles diferentes en la dinámica  de las transiciones del sueño a la vigilia.  Por ejemplo, un alto tono serotoninérgico inhibe el sueño REM. Las neuronas histaminérgicas del núcleo tuberomamilar disparan durante la vigilia y regulan la duración de los períodos de sueño  y vigilia. Las neuronas colinérgicas en el cerebro anterior basal y las neuronas dopaminérgicas proporcionan inervación directa a la neocorteza. Las neuronas colinérgicas proporcionan excitabilidad significativa y ritmo gamma a las neuronas corticales y un incremento en el tono dopaminérgico aumenta la actividad teta, lo cual, dependiendo de otras condiciones,  puede ser suficiente par inducir un despertar.  Por otra parte, las neuronas  noradrenérgicas del locus coeruleus proporcionan inervación excitatoria difusa a la neocorteza y promueven eficientemente el despertar.  Como se mencionó anteriormente las neuronas orexina son silentes durante el sueño REM, lo que sugiere que la activación de esas neuronas no es indispensable para la desincronización cortical y la excitación colinérgica. El hecho que la estimulación  orexina suprima el sueño REM sugiere varios mecanismos posibles: (i) excitación directa  de las neuronas serotoninérgicas en el rafe; (ii) modulación  de la actividad colinérgica,  y (iii) excitación/inhibición reciproca de las neuronas MCH, recientemente demostrada  en el mantenimiento del sueño REM.

 En conclusión, la acción combinada  de los componentes de una red de neuromoduladores (incremento del tono colinérgico, disminución de la actividad serotonina, etc.) puede predisponer a la neocorteza en un estado de transición. Las neuronas  orexina integran señales metabólicas, circadianas y límbicas y dirigen esta información a la red de neuromoduladores, cada uno de los cuales tiene un rol diferente en la dinámica de las transiciones del sueño a la vigilia.

Fuente: Lecea L y Huerta R (2014). Hypocretin (orexin) regulation of sleep-to-wake transitions. Frontiers in Pharmacology 5, Article 16.

Acciones reproductivas de la prolactina

La prolactina (PRL) es una hormona polipeptídica  perteneciente a la familia prolactina/hormona de crecimiento/lactógeno placentario  (PRL/GH/PL), que incluye proteínas similares a la PRL y proteínas relacionadas con la PRL. En los humanos, la PRL es codificada por un gen localizado en el cromosoma 6. La proteína madura contiene 197-199 aminoácidos dependiendo de la especie, con una masa molecular de aproximadamente 23 kDa. Es sintetizada y secretada principalmente por las células lactotropas  del lóbulo anterior de la hipófisis y liberada en la circulación, ejerce sus efectos sobre diferentes tejidos blancos donde se une a un receptor membrana  y actúa como un modulador endocrino clásico. Adicionalmente,  varios tejidos extra-hipofisiarios producen PRL, en los cuales ejerce acciones autocrinas/paracrinas. Estos sitios incluyen la decidua, la glándula mamaria, la próstata, el cerebro, la piel, el tejido adiposo y las células del sistema inmune.  Se han identificado dos patrones de secreción de PRL en la hipófisis, tónico y pulsátil. La hipófisis exhibe  secreción tónica e PRL bajo el control de factores inhibidores hipotalámicos, con la dopamina como modulador principal. Por otro lado,  la PRL afecta su propia secreción  a través de las neuronas dopaminérgicas vía asa corta de retroalimentación negativa. La secreción pulsátil de PRL presenta un ritmo circadiano con niveles más altos durante el sueño y los niveles más bajos en la mañana  aproximadamente 2-3 horas después de despertar.

El receptor de prolactina (PRLR) es un  miembro de la familia de receptores citoquina clase 1, carece de actividad tirosina quinasa intrínseca y es codificado por un gen localizado en el cromosoma 5.  Este receptor de membrana está compuesto por un dominio extracelular, un dominio transmembrana y dominio intracelular responsable de la transducción de la señal hormonal. El “splicing” alternativo o el clivaje post-transcripcional   del transcripto primario pueden generar múltiples variantes  del receptor. Estas isoformas  exhiben dominios extracelular y transmembrana comunes, pero difieren en el tamaño y la composición del dominio citoplasmático y por tanto son designadas como la forma larga (PRL-RL) y la forma corta (PRL-RS) del receptor de prolactina. La PRLRL es considerada la principal isoforma a través de la cual la PRL transmite su señal mitogénica y de diferenciación. Una  forma intermedia del PRLR ha sido reportada en humanos. El PRLR es expresado de una manera espacio-temporal en los tejidos reproductivos. La expresión de PRL-RL y PRL-RS  ha sido demostrada en células granulosas, intersticiales y luteales del ovario de varias especies. La expresión de las dos isoformas aumenta durante la luteinización, especialmente la PRL-RS. La decidua es otro blanco   de la PRL durante el embarazo y la expresión de PRLR ha sido demostrada en muchas especies incluyendo humanos. Tanto la forma larga como la corta pueden actuar como una señal negativa para prevenir la excesiva señal  de una de las  isoformas.

La activación del PRLR ocurre cuando la PRL se une a dos  homodímeros del PRLR formando un complejo un ligando/dos receptores. Una vez formado, el complejo heterotrimérico es inducido un cambio conformacional en el dominio intracelular del PRLR que permite la unión de la tirosina proteína kinasa JAK2  en la región rica en prolina de cada molécula de PRLR. Esta región es conocida como Box 1 y es conservada en todas las isoformas del receptor. La JAK2  se auto-transfosforila  e induce la fosforilación  de numerosa proteínas  incluyendo al mismo receptor, lo cual produce la activación  de distintas cascadas de señalización intracelular.  Los blancos mejor conocidos de la JAK2 activada son los transductores y activadores  de transcripción (STAT). Las proteínas STAT 5a y STAT 5b son los principales mediadores  de la señal PRL en ovario y glándula mamaria. La PRL también puede activar a otras kinasas como PI3K, la SrcK  la MAPK y la Nek3K.  Con relación a la activación de la ruta JAK2/STAT por el PRL-RS existen reportes contradictorios. Algunos estudios señalan que el PRL-RS no puede activar la señal JAK2/STAT porque carece de la región distal del dominio intracelular requerida para esa activación. Sin embargo, otros estudios han demostrado que si ocurre dicha activación. También existe controversia en cuanto a la función fisiológica del PRL-RS.

Los efectos inducidos por la PRL  han sido reportados en diversos procesos  como  balance de electrolitos, conducta, respuesta al estrés,  crecimiento y diferenciación celular, inhibición de la apoptosis,   y  tumorigénesis.  Sin embargo, los procesos reproductivos  representan el grupo más grande de funciones atribuidos a la PRL. La PRL fue primero identificada  como un factor clave  para el desarrollo y la diferenciación de la glándula mamaria. En roedores, la PRL también juega un rol crítico en el mantenimiento del cuerpo lúteo del ovario,  la producción de progesterona y la maduración del oocito. Adicionalmente, la expresión de PRLR ha sido observada en  las trompas de Falopio donde puede jugar un rol  en el desarrollo de la pre-implantación del embrión. La PRL decidual actúa localmente  e inhibe factores deletéreos  como la IL-6 durante la gestación. Mientras estas acciones en roedores están bien establecidas, en los humanos no está muy claro que la PRL tenga un rol similar en la reproducción femenina. Esto se debe en gran parte al traslape  de funciones de la PRl con el lactógeno placentario y la hormona de crecimiento los cuales  pueden unirse  -y activar-  al PRLR.

En el cuerpo lúteo, la acción de la PRL involucra dos compartimentos celulares, propiamente las células endoteliales y las células luteales esteroidogénicas. Las acciones coordinadas  de los receptores de PRL  son requeridas para la supervivencia y el mantenimiento  del cuerpo lúteo en el embarazo.  La PRL a través del PRL-RS estimula la actividad de factores de transcripción como el HIF-1  e induce genes angiogénicos como el VEGF. En conjunción con otros factores  de crecimiento, el VEGF actúa sobre las células endoteliales para inducir la vascularización, lo cual es crítico para la supervivencia del cuerpo lúteo. Como el PRL-RS es expresado en células endoteliales y luteales, este receptor puede mediar la acción de la PRL en ambos tipos de células. El PRL-RS físicamente está relacionado  con una proteína asociada al receptor de prolactina, la enzima HSD17β-7. Esta asociación estabiliza y aumenta la expresión de la HSD17β-7, la cual  convierte la estrona en estradiol y, por tanto, contribuye a la síntesis local de estradiol. El estradiol producido localmente  actúa sobre las células luteales para  inducir  su hipertrofia y la expresión de VEGF. Por otra parte, la activación del PRL-RL en las células luteales es crítica para la inducción de los genes luteales  involucrados en la producción de progesterona y la inhibición de la enzima 20αHSD. La activación de la ruta JAK2/STAT es crucial para estas funciones de la PRL.  Sin embargo, otras rutas de señalización pueden también estar involucradas.

En conclusión, la PRL impacta varias funciones ováricas incluyendo el desarrollo folicular y el mantenimiento del cuerpo lúteo. PRL-RL y PRL-RS son expresados en diferentes concentraciones  en diversos tipos de células durante el ciclo menstrual y el embarazo. El PRL-RL es el receptor predominante  con una señal activa y positiva mientras el rol fisiológico y la señal del PRL-RS  son controversiales. Sin embargo, evidencias recientes  sugieren que  el PRL-RS puede interactuar con moléculas de señalización, activar rutas específicas y cooperar –o inhibir-  la señal del PRL-RL. Las acciones cooperativas de ambos  receptores son requeridas para la supervivencia del cuerpo lúteo en el embarazo.

Fuente: Sangeeta Devi Y y Halperin J (2014). Reproductive actions of prolactin mediated through short and long receptor isoforms. Molecular and Cellular Endocrinology 382: 400-410.

Estrógenos: reguladores metabólicos en el cerebro y el cuerpo de la mujer

Los estrógenos son hormonas esteroides conocidos principalmente por su papel en la promoción de las características sexuales y la capacidad reproductiva  de la mujer. Hay tres formas de estrógenos  en el cuerpo  de la mujer: estrona (E₁), estradiol (E₂) y estriol (E₃).  Durante los años reproductivos, la principal forma circulante  es el estradiol que, además, es la forma más potente  de los estrógenos. En las mujeres, los estrógenos son producidos principalmente por los ovarios y las glándulas suprarrenales y tienen efectos en la mayoría de órganos incluyendo cerebro, glándula mamaria, corazón, vasos sanguíneos, vejiga, piel, hueso, ovario, útero y órganos del sistema inmune. Además de su rol en la reproducción, el   estrógeno constituye una molécula  de  señalización crítica en el cerebro, puede cruzar la barrera hemato-encefálica y, adicionalmente, el cerebro puede producir estrógeno a partir del colesterol. Los receptores de estrógenos (ER) están ampliamente distribuidos en el cerebro  y son expresados en neuronas y glias. Los ER comprenden dos clases generales: ER nucleares  y ER asociados a la  membrana (mER), ambas formas están presentes en el cerebro. Hay dos isoformas  de los ER nucleares: ERα (o ESR1) y ERβ (o ESR2), funcionalmente distintos y distribuidos de manera diferente  en el cerebro. Las regiones que codifican para ambos  ER se encuentran en el cromosoma 6. Los ER nucleares existen inicialmente como monómeros y se dimerizan antes de la translocación al núcleo, donde regulan la transcripción. A diferencia de los ER nucleares, los mER son monómeros de ERα y ERβ. Adicionalmente, por “splicing” alternativo, los ERα pueden generar tres variantes y los ERβ pueden generar once variantes. En el cerebro, estas variantes han sido asociadas con cambios en la respuesta de los estrógenos. Por otra parte,  múltiples laboratorios han establecido la presencia de ER en las mitocondrias, lo cual enfatiza el rol que los estrógenos juegan en la regulación de la bioenergética celular. La señal clásica de los estrógenos ocurre como resultado de la translocación  de los ER al núcleo, donde se unen a los elementos de respuesta para regular la expresión de genes.

Los ERα se distribuyen  en hipotálamo, cerebro anterior, hipocampo y amígdala; los ERβ se concentran principalmente en hipocampo y corteza cerebral. En el hipocampo, ambas formas se localizan en las espinas dendríticas que son los sitios de formación de sinapsis  y que muestran un alto grado de plasticidad. Los ERα y lo ERβ son mediadores de las tareas de aprendizaje dependientes del hipocampo. En las diferentes áreas del hipocampo, la relación ERα/ERβ cambia con la edad. En jóvenes, la forma ERβ es dominante en el hipocampo y la forma ERα está presente en bajas cantidades. Con el envejecimiento, la localización nuclear de ERα aumenta en el girus dentado y en CA3, pero disminuye en CA1. La disminución de los niveles y de respuesta de los ERα ha sido asociada con alteraciones cognitivas y demencia durante el envejecimiento, los ERβ aunque conservan la respuesta a E₂ no son capaces de compensar la pérdida de ERα. Con el envejecimiento, hay también un incremento en la expresión  de las variantes de ERα en el hipocampo que tratan de compensar la disminución de los ERα.

Los mER inician rápidamente las rutas de señalización intracelular cuando se unen a los estrógenos. Estos receptores activan las rutas Src/PI3K y Ras/Raf/MEKK/ERK,  que producen la activación de CREB y son requeridos para la neuroprotección inducida por E₂. También han sido identificados en el cerebro receptores de estrógenos acoplados a proteína G como el GPER1 (también llamado GPR30). EL GPER1 tiene alta afinidad por el E₂ y activa las rutas AMPc/PKA y PI3K/Akt. El E₂ también activa cascadas de señalización  asociadas con la supervivencia y la función  de las neuronas, incluyendo MAPK, PI3K y PKC. La activación de las rutas MAPK y PI3K permite la fosforilación  de CREB, el cual regula la transcripción  de genes  de supervivencia neuronal, incluyendo la proteína anti-apoptosis Bcl2. La activación de la ruta PI3K tiene el potencial  de activar simultáneamente las rutas MAPK, PKC y Akt y esta activación simultánea  es mediadora del efecto neuroprotector  de E₂. Los mER también activan rutas  que regulan la entrada de calcio  a través de canales tipo L, lo que a su vez activa la cascada PI3K/Src/ERK/CREB.  El incremento de la expresión de Bcl2 inducido por el E₂ potencia la captación de Ca²⁺ en las mitocondrias, lo cual  protege a  la neurona contra las consecuencias adversas del exceso de calcio citoplasmático.

Los estrógenos ejercen efectos beneficiosos en el sistema bioenergético del cerebro a nivel del transporte de glucosa, la glucolisis, el ciclo de Krebs, la fosforilación oxidativa y la producción de ATP. Los transportadores de glucosa (GLUT)  actúan como mediadores del transporte de glucosa en el cerebro. El GLUT-1 es un transportador de baja afinidad, pero altamente sensible a los cambios en los niveles de glucosa y se  expresa en dos isoformas glucosiladas: una isoforma  de 55KD que regula el transporte  de glucosa de los vasos sanguíneos al cerebro y una isoforma de 45 KD que regula el transporte de glucosa del cerebro a las glias. Los niveles de expresión son regulados por la disponibilidad y la demanda de glucosa; en particular, la hipoglucemia aumenta la expresión de GLUT-1 en la barrera hemato-encefálica. El GLUT-3 es un transportador de alta afinidad que es expresado en la membrana neuronal y permite el transporte de glucosa en la neurona. El GLUT-4  también es expresado en la membrana neuronal y su translocación del compartimento citoplasmático a la membrana celular es regulada por la insulina. La regulación de los GLUT-4 por los estrógenos  es particularmente interesante, requiere de un incremento simultáneo de  los niveles de E2/ER y de insulina/receptor de insulina.  En el cerebro de roedores, el acoplamiento entre estrógeno e insulina involucra al factor de crecimiento similar a insulina-1 (IGF-1) y su receptor (IGF-1R). El IGF-1R y el ERα pueden formar un complejo macromolecular capaz de activar la ruta de señalización PI3K que produce la fosforilación y activación de Akt. La forma fosforilada  (activa)  de Akt se colocaliza con GLUT-4  en las neuronas que expresan IGF-1 y aumenta el transporte de glucosa  a través de la regulación de los GLUT-4. Además de facilitar el transporte de glucosa, el estrógeno también promueve la glucólisis en las neuronas. El E₂ incrementa la actividad de las enzimas glucolíticas: hexoquinasa (soluble y unida a la membrana), fosfofructoquinasa y piruvato quinasa. Las hexoquinasas   se unen al canal aniónico dependiente de voltaje (VDAC) en la membrana externa mitocondrial para acoplar el metabolismo de la glucosa con la síntesis de ATP en la mitocondria. Este acoplamiento es regulado por la Akt que se asocia con la hexoquinasa II. La actividad de la hexoquinasa II es también requerida para los efectos anti-apoptosis de la Akt. El E₂ actúa sobre este sistema  activando la Akt e incrementando la actividad de la hexoquinasa II. Por tanto, es plausible pensar que el estrógeno puede tener un rol en la promoción de la asociación de la hexoquinasa II y el VDAC en las neuronas.

La regulación del transporte de glucosa y la glucólisis mediada por estrógenos se complementa con la potenciación de la bioenergética mitocondrial. El estrógeno produce una respuesta coordinada  de las enzimas mitocondriales, lo cual incrementa la producción de ATP en el cerebro. Particularmente, el E₂ regula la actividad y los niveles  de expresión de varias enzimas metabólicas incluyendo a la piruvato deshidrogenasa, la aconitasa y la sintetasa de ATP.  El E₂ también incrementa la actividad y expresión de los complejos I, IV y V. La acción del estrógeno  en la mitocondria se extiende a la protección contra el estrés oxidativo. Debido a que las mitocondrias son la principal fuente  de producción de especies reactivas del oxígeno (ROS), ellas también sufren los efectos del estrés oxidativo cuando las ROS son producidas en exceso. El estrógeno incrementa la expresión de varias enzimas antioxidantes (peroxirredoxina 5, glutarredoxina y MnSOD) y también protege contra el daño de ADN inducido por peróxido de hidrógeno.

El estrógeno, además del cerebro, activa rutas  de señalización intracelular  en casi todos los tejidos del cuerpo. Los ERs están presentes en el adipocito y pueden mediar de  manera diferente los efectos del estrógeno en el tejido adiposo. El ERα regula positivamente la homeostasis y el metabolismo del tejido adiposo vía crecimiento y proliferación de los adipocitos y el ERβ regula la distribución del tejido adiposo  de una manera sexo-específica. El dimorfismo sexual  en la distribución  de ERα y ERβ en el tejido adiposo ha sido reportado por varios estudios. En el adipocito maduro humano, la expresión de ERα es idéntica entre los dos sexos, pero los niveles de ERβ son mayores en la mujer. Por otra parte, el hombre está más predispuesto a la regulación dominada por ERα, mientras la mujer antes de la menopausia tiene una regulación más balanceada  entre ERα y ERβ, lo cual podría explicar los patrones de  distribución de tejido adiposo  sexo-específicos. Después de la menopausia, sin embargo, ocurre un cambio en la relación ERα/ERβ hacia un predominio ERβ   que podría mediar el incremento de peso postmenopáusico de la mejer.

La leptina es una adipoquina secretada por el tejido adiposo que tiene un fuerte efecto sobre la ingesta y el gasto de  energía. En el hipotálamo, la leptina produce una inhibición aguda  del apetito. Las mujeres pre y postmenopaúsicas tienen mayores niveles  de leptina  que los hombres, lo cual puede obedecer a los niveles endógenos  de estrógeno o a la distribución del  tejido adiposo. En las mujeres premenopaúsicas, los niveles de leptina se correlacionan con los niveles plasmáticos de estrógeno, esta correlación  desaparece después de la menopausia cuando es alterada por un aumento de  obesidad.  Tanto los receptores de leptina como los ERs son expresados en el hipotálamo, aunque la expresión de ERα es mayor que la ERβ. La evidencia acumulada sugiere que los niveles de estrógeno regulan la expresión del receptor de leptina.  El resultado de esta regulación es que  la sensibilidad a la leptina es mayor cuando lo niveles de estrógeno son altos.

La adiponectina, la principal adipoquina en la regulación del metabolismo corporal, es producida por el tejido adiposo  y regula los niveles periféricos de glucosa e insulina. Los niveles plasmáticos de adiponectina se correlacionan inversamente con los niveles de glucosa e insulina y son mayores en mujeres que en hombres pero incrementan con la edad en ambos sexos. El ERα es un regulador positivo de los niveles de adiponectina en el tejido adiposo. Por otra parte, la señal ERβ  produce la inhibición  del receptor  activado por el proliferador de peroxisoma-γ (PPAR-γ), el cual regula la secreción de adiponectina

La ghrelina, producida principalmente por el estómago, es la contraparte de la leptina y por tanto actúa estimulando el apetito. Hombres y mujeres muestran una diminución en los niveles plasmáticos de ghrelina  relacionada con la edad. La ghrelina disminuye la resistencia a la insulina y también disminuye la fosforilación  tau  a través de la activación  de GSK3β. Adicionalmente, la ghrelina puede proteger contra la pérdida sináptica y la degeneración neuronal en el hipocampo. En el hipocampo, la ghrelina también incrementa la densidad de espinas dendríticas y promueve la potenciación de larga duración. La ghrelina se colocaliza con el ERα en el estómago y estudios recientes  sugieren que el estrógeno es un regulador negativo de la síntesis de ghrelina y por consiguiente los niveles de  ghrelina podrían aumentar después de la menopausia.

La regulación por estrógeno  de la homeostasis de insulina y glucosa  es mediada a través de ERs, los cuales son expresados, además del tejido adiposo, en el hígado, las células β del páncreas y el músculo esquelético. Esto permite coordinar las señales que regulan la homeostasis metabólica  en respuesta al medio hormonal. En las células β del páncreas, el ERα regula la producción de inulina y tiene un efecto antidiabético.  Sin embargo, la relación entre niveles de estrógeno y diabetes después de la menopausia es complicada. Un asunto sin  respuesta convincente  es si la terapia de reemplazo  tiene un efecto directo sobre el riesgo de diabetes a través de la regulación  de la señal ERα en el páncreas  o un efecto indirecto  a través de la disminución de la obesidad. Los niveles de insulina  y glucosa en ayunas aumentan en la medida que los niveles de estrógenos disminuyen durante la transición menopaúsica, pero esto ha sido considerado como una respuesta secundaria al cambio en la distribución de grasa en el cuerpo y no debido a un efecto directo  de la disminución de estrógeno. Varios estudios han sugerido  que la mujer postmenopaúsica tiene una menor producción de insulina pero con una eliminación más lenta.

En conclusión: el E2 es un regulador fundamental del sistema metabólico de la mujer  a nivel cerebral y corporal. En el cerebro, regula el transporte de glucosa la glucólisis y la función mitocondrial y, en el cuerpo,  protege contra la adiposidad, la resistencia a la insulina y la diabetes tipo II. El E2 coordina el metabolismo cerebral y corporal de tal manera  que el estado metabólico periférico puede indicar el estatus bioenergético del cerebro.

Fuente: Rettberg JR et al (2014). Estrogen: A master regulator of bioenergetic systems in the brain and body.  Frontiers in Neuroendocrinology 35:8-30.