Interacciones entre los sistemas endocrino y circadiano

Muchos aspectos del sistema endocrino están conectados  al reloj circadiano. Esta interacción, sin embargo, no es unilateral sino que también incluye  la retroalimentación endocrina sobre la función del reloj circadiano.  El núcleo supraquiasmático  (NSQ), la entidad anatómica que comanda el ritmo circadiano de los mamíferos, es una estructura bilateral localizada adyacente al tercer ventrículo y en los humanos comprende 50000 neuronas aproximadamente. El modelo actual de ritmo circadiano sugiere  que el mecanismo central  del reloj molecular  en el NSQ de los mamíferos está compuesto por un grupo de genes  reloj que se relacionan entre si mediante un asa de retroalimentación trancripcional-traslacional, acoplada  a varios mecanismos auxiliares que la refuerzan y estabilizan. Los factores de transcripción  Clock/Npas2 y Bmal1 activan los genes  Período (Per 1-3)  y Criptocromo (CRY 1/2) durante el día subjetivo. Las proteínas PERs y CRYs son translocadas al núcleo y forman complejos inhibitorios. Con el progreso  del ciclo circadiano, los complejos PER/CRY se acumulan en el núcleo y ejercen su  efecto inhibitorio  sobre la actividad    CLOCK/BMAL1 durante la noche. La progresiva degradación  de los complejos PER/CRY a través de la noche libera la inhibición sobre la actividad transcripcional CLOCK/BMAL1 para completar el asa de retroalimentación negativa del reloj circadiano.  Varias  asas auxiliares  estabilizan este ritmo de transcripción- activación  de 24 horas modulando  la expresión de los genes Bmal1 y Per.  Estas asas incluyen los receptores nucleares REV-ERBα, REV-ERBβ y RORα, los cuales  regulan la expresión  de Bmal1  así como también  DBP y E4BP4 que regulan la expresión de los genes Per.  Ahora bien,  el reloj molecular funcional  no  existe solo en el NSQ,  casi todas las células en el cerebro y en la periferia   son  capaces  de oscilar de una manera circadiana. Los relojes  celulares  en los tejidos  extra-NSQ son auto-sostenidos y autónomos por naturaleza pero, a diferencia del NSQ,  fallan en mantener coherencia  entre células individuales.

Para activar un ritmo circadiano biológicamente relevante es de suma importancia que las células individuales de un tejido específico estén sincronizadas con el ambiente externo. En este sentido, una de las principales funciones del NSQ es sincronizar  los procesos biológicos internos con el tiempo externo. El NSQ recibe información fótica de las células ganglionares retinianas que contienen melanopsina   a través del tracto retino-hipotalámico y, a su vez, emite proyecciones hacia otras regiones del cerebro, especialmente al hipotálamo. El núcleo paraventricular (NPV) del hipotálamo es uno de los principales sitios de relevo  de la información  circadiana del NSQ para el resto del cuerpo.  El NPV es un centro integrador  de la homeostasis energética, sus neuronas se proyectan hacia la eminencia media  para controlar la liberación  de hormonas  hipofisiarias como la adrenocorticotropina (ACTH) y la hormona  estimulante de la tiroides (TSH). El NPV también inerva  la división  simpática  del sistema nervioso autónomo permitiendo al NSQ  regular el tono simpático del cuerpo en el curso del día. Las proyecciones  neurales  hacia el núcleo dorsomedial del hipotálamo, el núcleo acumbens y el núcleo paraventricular del tálamo  permiten al NSQ ejercer influencia  sobre procesos fisiológicos como el sistema recompensa, el ciclo alimentación-ayuno, la función cognitiva, la actividad locomotora y  la temperatura corporal.  Adicionalmente, el NSQ secreta factores difusibles (factor de crecimiento transformante α, prokineticina 2 y citoquina similar a cardiotropina) capaces de regular la ritmicidad conductual. Dada la proximidad física del NSQ con el tercer ventrículo, estos factores difusibles pueden ayudar a propagar la información sobre el tiempo del día a regiones cerebrales más remotas vía sistema cerebroespinal ventricular.

Es un hecho bien conocido que los niveles circulantes de las hormonas pueden variar  en un ciclo de  24 horas. Este ritmo diurno de las hormonas  puede ser una manifestación  del control circadiano o una repuesta directa o indirecta a ritmos ambientales como el ciclo luz-oscuridad. La clarificación  de la contribución relativa de las señales endógenas  y exógenas al ritmo diurno  de un sistema fisiológico  es de particular relevancia para entender la influencia del estilo de vida moderno sobre el bienestar de los individuos.  Los glucocortocoides (GC) y la melatonina representan dos sistemas hormonales sometidos  a regulación directa y dominante  por el reloj circadiano.  A su vez, ambas hormonas  actúan como rutas de propagación  de la señal del tiempo del NSQ a los demás tejidos del organismo.

La secreción de GC es el producto final  de la activación del eje hipotálamo-hipófisis-adrenal (HHA). La ACTH  liberada por la hipófisis activa la esteroidogénesis adrenocortical, a través de receptores melanocortina 2,  por medio de una ruta  dependiente de AMPc-PKA, la cual estimula la transcripción de genes esteroidogénicos como STAR  y CYP11A1. Los niveles sanguíneos de GC  exhiben un ritmo circadiano que se superpone  a pulsos  ultradianos de secreción, menos regulares, de 90 a 120 minutos. La elevación circadiana de los niveles de GC  se relaciona con el tiempo de vigilia, con el valor pico  pocas horas antes  de la fase activa, es decir, temprano en la mañana para los animales diurnos como los humanos  y en la tarde para animales nocturnos como los ratones.  El ritmo de GC persiste bajo  condiciones ambientales constantes, lo que sugiere que es manejado por el reloj circadiano endógeno. La extirpación  quirúrgica del NSQ  elimina completamente  el ritmo circadiano de los niveles sanguíneos de GC, indicando que el NSQ es el origen de la  ritmicidad de los GC. La actividad del eje HHA sobre las glándulas suprarrenales también es rítmica, esto ha dado lugar a una hipótesis  que señala que la regulación circadiana  de la liberación de GC puede ser una respuesta indirecta a la expresión de hormona liberadora de corticotropina (CRH) inducida por el NSQ.  Esta hipótesis, sin embargo, ha sido cuestionada por algunos autores que sostienen   que la ritmicidad  de la ACTH per se no es indispensable  para el ritmo de GC y que la estimulación de los nervios simpáticos adrenales  potencia la liberación de GC, respuesta que puede ser abolida  por la hipofisectomía.  Estos investigadores sugieren una función permisiva  de la ACTH hipofisiaria y un rol más directo de la inervación simpática  en la regulación del ritmo circadiano de los GCs.  Por otra parte, estudios recientes han demostrado que las señales luminosas son transmitidas a la corteza adrenal vía NSQ, induciendo un incremento en la expresión de PER1 y secreción de GCs independiente de ACTH. Desde antes del descubrimiento de los relojes periféricos, ya se había demostrado  que las glándulas adrenales aisladas y en cultivo exhibían ritmo circadiano  de la secreción de GC. En línea con este concepto, actualmente se sabe que aproximadamente  5% del genoma total  muestra expresión rítmica  en la glándula adrenal de ratón.  Estos datos sugieren que mientras el NSQ es indispensable para el ritmo circadiano  de la secreción de  GC, el reloj adrenal proporciona un nivel de control adicional en la modulación  de la producción de GC.

La fisiología de la glándula pineal es fuertemente influenciada por la luz, especialmente en lo que tiene que ver con la secreción de melatonina. En los mamíferos, la melatonina ejerce  sus efectos  a través de dos receptores acoplados a proteína G, MT1 y MT2. Dada la amplia distribución de estos receptores, la melatonina  modula varios sistemas fisiológicos como la función inmune, el metabolismo y las funciones cerebrales superiores. La secreción de melatonina es baja durante el día y alcanza un pico durante la noche. El NSQ  conecta con la glándula pineal  a través de una ruta multi-sináptica que involucra secuencialmente al NPV, las neuronas preganglionares de la columna intermediolateral de la médula espinal y las neuronas simpáticas noradrenérgicas del ganglio cervical superior. El NSQ libera GABA  para inhibir la señal simpática durante el día, inhibición que es liberada  durante la noche. Adicionalmente, el NSQ envía de manera constante  impulsos glutamatergicos  estimuladores  a la glándula pineal. Los genes reloj son expresados en la pineal, pero su contribución funcional en la producción de melatonina  no ha sido demostrada. El efecto fisiológico mejor estudiado de la melatonina es su función moduladora  sobre la regulación del ciclo sueño/vigilia en humanos. La aplicación de  melatonina exógena disminuye la latencia del sueño, incrementa el tiempo total de sueño y promueve el mantenimiento del sueño. Por el contrario, el bloqueo de la liberación nocturna de melatonina incrementa el tiempo total de vigilia. La melatonina exógena también puede influir en la macro arquitectura del sueño.  Debido a su efecto promotor del sueño, el tratamiento con melatonina es usado frecuentemente para aliviar  los síntomas del jet lag o mejorar la calidad del sueño durante el día en los trabajadores nocturnos.

Los ritmos hormonales ejercen retroalimentación  en varios niveles del sistema circadiano y por tanto interviene en el ritmo circadiano de la fisiología y la conducta  de los animales. Por ejemplo, los GC  afectan directamente  la expresión de los genes reloj  en tejidos como  el hígado, los riñones y el tejido adiposo blanco.  Los GC secretados por las adrenales son reguladores integrales  del metabolismo energético, de la respuesta inmune y del estrés por lo que la disrupción  del ritmo de GC está asociada con una variedad de trastornos.  La adrenalectomía acorta el reentrenamiento  en el NSQ, el pulmón y el riñón después  de un desvío de fase, lo que sugiere  que los GC  pueden servir para estabilizar  la fase de los relojes periféricos contra alteraciones  externas. En el caso  de la desincronía  circadiana inducida por el jet lag, la manipulación del ritmo de GC podría acelerar o retardar la adaptación  al nuevo esquema luz-oscuridad dependiendo del tiempo de intervención.

La melatonina  ejerce un efecto inhibitorio directo sobre el NSQ, los receptores MT son expresados en gran densidad  en el NSQ. En roedores, la administración diaria de altas concentraciones de  melatonina exógena puede entrenar  el ritmo endógeno  de corrida libre bajo condiciones de oscuridad.  Asimismo, puede entrenar el ritmo circadiano de humanos ciegos. El efecto inhibitorio agudo  de la melatonina sobre la actividad neuronal  es mediado por receptores MT1.  La melatonina también es capaz de  modular la producción adrenal de GC. En humanos y monos, la administración aguda  de melatonina suprime la producción de cortisol. En un estudio reciente se demostró que la aplicación de melatonina puede entrenar los ritmos de la glándula suprarrenal en fetos de ratas. Entonces, los ritmos de melatonina y GC actúan en conjunto para  estabilizar la fase y precisión circadianas  de los diferentes sistemas fisiológicos.

El tiempo de la ingesta de alimentos es una importante señal de entrenamiento para los relojes periféricos,  especialmente en el hígado y el tejido adiposo. Existe una relación directa entre la expresión de los genes reloj  y la homeostasis de energía. En animales con acceso restringido a la comida, la actividad anticipatoria  a la ingesta de alimentos se caracteriza por incrementos y cambios en la temperatura corporal, el ritmo de GC y la función enzimática de la P450 hepática. Cuando el acceso a la comida es confinado al período normal  de reposo, estos procesos pueden desacoplar los osciladores periféricos del reloj central. La grelina es una hormona secretada durante la anticipación a la ingesta de comida  por las células oxínticas del estómago, las cuales poseen un reloj funcional, y estimula el apetito  a través de sus acciones en el hipotálamo y los centros mesolímbicos del sistema recompensa. Adicionalmente, la grelina actúa directamente sobre el reloj circadiano  afectando la expresión de genes en el NSQ. Los estudios in vivo sugieren que el tratamiento con grelina incrementa la ingesta de alimentos, pero solo altera los ritmos conductuales en condiciones de saciedad.  La insulina representa otro sincronizador inducible por comida. La disrupción de los reguladores positivos CLOCK y BMAL1 resulta en hipoinsulinemia mientras que la disrupción de los reguladores negativos PER y CRY  está asociada con hiperinsulinemia. Pero la insulina también puede influir en los ritmos de los genes  reloj en el hígado. Por otra parte, la glucosa puede afectar directamente la expresión circadiana  en el NSQ. En ausencia de la señal de insulina,  el reloj circadiano es alterado en el corazón de ratas diabéticas, lo que sugiere que los altos niveles de glucosa pueden alterar directamente la regulación del reloj circadiano.

Las evidencias acumuladas en los últimos años indican que la disrupción del reloj circadiano resulta en perturbaciones metabólicas y, en última instancia, en la obesidad. Las dietas ricas en grasas pueden alterar la ritmicidad de los genes reloj en el hígado y el tejido adiposo, así como también afectar  los ritmos conductuales. Las dietas ricas en grasas provocan  la pérdida de los patrones diurnos de alimentación  en roedores y alteraciones en los ritmos de GC, insulina y glucosa. Sin embargo, los efectos más dramáticos de las dietas ricas en grasas y la obesidad se presentan sobre  las adipoquinas circulantes como la leptina y la adiponectina. La leptina es una hormona que promueve la saciedad y previene el exceso de consumo de energía. En los humanos, la leptina circulante exhibe un ritmo diurno con su valor pico en la noche. En  los sujetos obesos se observa hiperleptinemia y cambios en la ritmicidad de la leptina en concordancia  con el incremento  de la masa grasa.  La leptina puede inducir la expresión de genes PER en el NSQ de ratones y potenciar los efectos de desvío  de fase de la luz en estos animales. La adiponectina posee propiedades anti-inflamatorias y sensibilizadoras de la insulina. Los niveles circulantes de adiponectina se correlacionan inversamente  con la obesidad y los niveles de leptina. La secreción de adiponectina por el tejido adiposo muestra ritmos ultradianos y circadianos con el nadir en  horas tempranas  de la mañana en los sujetos sanos. Los ratones con hipoadiponectinemia presentan los ritmos de los genes reloj avanzados de fase en hígado y músculo esquelético. La introducción de adiponectina en el hígado de estos ratones restaura la fase de los genes reloj hepáticos.

En resumen, muchos componentes del sistema endocrino muestran ritmicidad circadiana en roedores y humanos. Algunas de estas hormonas como la melatonina y los GC, están involucradas en la diseminación de la señal del tiempo del NSQ a otras partes del cuerpo.  Los ritmos endocrinos responden a factores que comprometen la función del reloj circadiano como las dietas ricas en grasas, la obesidad, el jet lag y las alteraciones del sueño. A su vez, el sistema endocrino influye sobre los relojes, central y periféricos, para adaptar los ritmos circadianos al estado fisiológico alterado.

Fuente: Tsang AH et al (2014). Interactions between endocrine and circadian systems.  Journal of Molecular Endocrinology 52: R1-R16. 

Autofagia en las glándulas endocrinas

La autofagia es un proceso celular  genéticamente programado que involucra la degradación de componentes intracelulares.  En condiciones fisiológicas, la autofagia ayuda a mantener la homeostasis  celular a través de la degradación y el reciclaje  de proteínas y organelos  envejecidos  o dañados.  Hay tres tipos principales de autofagia: macroautofagia, microautofagia, crinofagia y autofagia mediada por chaperona, las cuales tienen funciones diferentes y proceden por medio de mecanismos diferentes  pero con un resultado final común, la degradación lisosomal. Sin embargo, el término autofagia generalmente se emplea para referirse a la macroautofagia.  Las formas específicas de macroautofagia  -lipofagia, mitofagia y zimofagia entre otras- involucran la degradación deliberada de sustratos específicos. Por otra parte, la autofagia está involucrada en el desarrollo y el avance  de enfermedades neurodegenerativas, cardíacas, pulmonares, musculares, hepáticas,  así como también en las infecciones y el cáncer.

La autofagia involucra varias etapas, comienza con la inducción –generalmente disparada por la deprivación de alimentos- y continúa con el atrapamiento de los  constituyentes citoplasmáticos por un fagoporo de doble membrana  para formar un autofagosoma.  El autofagosoma se fusiona con los lisosomas y expone su contenido a la degradación lisosomal. Los productos de esta degradación  son reciclados  y reusados  como nutrientes para ayudar en la supervivencia de la célula.  Se han descrito 31 genes relacionados  con la autofagia en levaduras,  muchos de los cuales  están presentes en los mamíferos. Las proteínas codificadas por estos genes  son reguladas por la kinasa  del blanco de rapamicina de mamíferos (mTORK), el principal regulador negativo de la autofagia.  A su vez, la mTORK es regulada por la estimulación  del complejo PI3K clase 1 por la activación  de receptores de factores de crecimiento. La autofagia también es regulada por la proteína kinasa activada por el AMP (AMPK) que reacciona al estrés energético (baja energía), las proteínas supresoras de tumor, nucleares y citoplasmáticas, que responden al estrés oncogénico  o genotóxico, la familia de proteínas  Bcl2, activada bajo condiciones de   deprivación de nutrientes y estrés del retículo  endoplasmático, la ruta Ras y varios otro moduladores.  Cuando la célula tiene suficientes nutrientes, la mTORK inhibe al complejo proteico ULK1, suprimiendo la autofagia.  Por el contrario, en condiciones de ayuno, la mTORK es inactiva,  por lo que se desinhibe el complejo ULK1 y se activa el proceso de autofagia.

La autofagia tiene numerosas funciones fisiológicas. Durante los períodos de estrés metabólico como la deprivación de nutrientes, condiciones hipóxicas y/o carencia de factores de crecimiento, la autofagia degrada proteínas para proporcionar los aminoácidos necesarios para la supervivencia. Estos aminoácidos son usados en la síntesis de proteínas críticas para la adaptación de la célula al estrés. También pueden ser usados por el ciclo de ácidos tricarboxílicos en la  producción de  ATP para la energía celular. La autofagia también  sirve como mecanismo de control de calidad, aclarando la célula de proteínas envejecidas o dañadas, organelos, agregados de proteínas  y patógenos extraños.  Recientemente se ha propuesto que la autofagia actúa como  un “guardian del genoma”, previniendo la inestabilidad gnómica y las mutaciones del ADN que eventualmente facilitarían  el desarrollo tumoral.  La autofagia está involucrada en procesos específicos como  el envejecimiento, donde tiene un potencial efecto anti-envejecimiento, la diferenciación celular  y varios aspectos  del desarrollo.  

La crinofagia, descubierta en las células mamotrofas  de la hipófisis, describe el proceso por el cual, en las glándulas endocrinas,  los gránulos secretores que contienen proteínas específicas para la secreción se fusionan directamente con los lisosomas para la degradación de proteínas. Dado que los esteroides no se almacenan en gránulos, la crinofagia no ocurre en las células secretoras de esteroides de las glándulas endocrinas. Hay una notable diferencia funcional/estructural entre la eliminación de  gránulos secretores por crinofagia y por macrofagia. Mientras la autofagia maneja la degradación lisosomal del gránulo secretor con otros componentes celulares, la crinofagia lleva a cabo la fusión directa del gránulo secretor al lisosoma. La crinofagia paree ser un método de autofagia energéticamente más eficiente para la regulación específica de las fluctuaciones  normales en el material secretor.  La crinofagia ha sido reportada en la mayoría de glándulas endocrinas y es la principal ruta que utilizan las células secretoras de péptidos para degradar el exceso de material secretor.  Los mecanismos de inducción  y regulación de la crinofagia permanecen aún desconocidos. La modulación por esteroides ha sido sugerida  en la hipófisis, donde los estrógenos  se correlacionan positivamente y la progesterona negativamente  con la crinofagia de los gránulos secretores de prolactina y en el páncreas donde la progesterona regula positivamente y los glucocorticoides negativamente  la crinofagia en las células β.

En las células secretoras de la hipófisis anterior, la crinofagia funciona tanto como mecanismo fisiológico normal  para el recambio regular  de material secretor y también como una forma  de manejar el exceso de material secretor. Durante el ciclo estral de la rata, si no ocurre embarazo y la prolactina no es requerida, el exceso de gránulos de prolactina se fusiona con los lisosomas para ser degradados y sus aminoácidos  son reciclados. Durante la lactancia,  las células mamotrofas incrementan la síntesis y secreción  de prolactina, la cual disminuye después  del destete, mientras que los cuerpos crinofágicos  incrementan después del destete y degradan el exceso de gránulos  secretores de prolactina.  La crinofagia también puede ser inducida. Poe ejemplo, después de la remoción  prematura de la succión, la actividad secretora de las células mamotrofas es inhibida y los gránulos secretores en exceso son eliminados vía crinofagia.  Además de las células mamotrofas, la crinofagia ha sido confirmada en los otros tipos de células de la hipófisis, esto es corticotrofas, somatotrofas, gonadotrofas y tirotrofas.

La autofagia es un mecanismo importante en la función del ovario. Durante el desarrollo, antes de la formación  del pool de folículos primordiales, la autofagia es requerida  para la supervivencia de las células germinales.  Más tarde, en cada ciclo menstrual, los folículos que no son escogidos como folículos preovulatorios desarrollan atresia folicular. El descubrimiento  de la muerte de células granulosas vía  autofagia activada por el receptor de LDL oxidada  sugiere que la forma autofágica  de muerte celular programada  está involucradas en la atresia folicular. En mujeres obesas, con niveles elevados de LDL oxidada y por lo tanto con alta incidencia  de muerte autofágica de células granulosas, se ha reportado  una alta tasa de infertilidad.  La estimulación del receptor por la LDL oxidada  también ha sido asociada con niveles aumentados de especies reactivas de oxígeno (ROS), lo cual  provoca estrés oxidativo y  muerte celular apoptósica.   Estudios recientes sugieren que en mujeres jóvenes con peso normal, la autofagia reparativa  es inducida en respuesta a los niveles bajos de ROS para evitar la apoptosis y promover la supervivencia celular.  La disminución de la autofagia reparativa con la edad podría incidir en la disminución de la fertilidad  femenina relacionada con la edad.  Otros factores como la deprivación de nutrientes y el cigarrillo también inducen la muerte celular autofágica de las células granulosas.  Por otra parte, estudios de microscopia electrónica han revelado la presencia de autofagosomas  en muchas células durante la regresión del cuerpo lúteo. A nivel molecular, hay un canal de sodio activado por voltaje  en el ovario que induce la autofagia en la regresión del cuerpo lúteo. 

En el testículo, la autofagia ocurre en las células de Leydig más que en otros tipos de células. En las células de Leydig, los autofagosomas secuestran preferencialmente organelos que producen esteroides como mitocondrias y retículo endoplásmico liso, lo que sugiere que la autofagia tiene un rol en la producción de esteroides.  La tasa de actividad autofágica en las células de Leydig fluctúa con la secreción  de esteroides, aumenta en  células inhibidas  y disminuye en células activadas.  La deficiencia autofágica ha sido implicada  en la reducción de la producción de testosterona  en células de Leydig de ratas envejecidas. Particularmente, la mitofagia o degradación selectiva de mitocondrias dañados, provoca una acumulación de ROS. Dado que las ROS son perjudiciales para el funcionamiento de las células de Leydig, esta acumulación  de ROS repercute en la producción de testosterona.  Estudios recientes reportan  evidencias  de autofagia en las células de Sertoli.

En la corteza adrenal, las células  secretoras de esteroides funcionan de manera similar a las células de Leydig del testículo, por lo que la autofagia  tiene una función comparable en ambos tipos de células. Sin embargo, diversos estudios reportan que  hay un rol único de la autofagia  en la regulación del crecimiento de las células del parénquima en la zona fasciculada de la corteza adrenal. Células de la zona fasciculada adrenocortical de ratas  expuestas a la hormona adrenocorticotropa (ACTH)  presentaron  inhibición de la autofagia durante la hiperplasia inducida por ACTH. Este hallazgo, sumado al descubrimiento del mismo fenómeno en la regeneración hepática, sugiere que la inhibición de la degradación autofágica es un mecanismo pro-crecimiento en órganos con crecimiento rápido como el hígado en regeneración o la corteza adrenal estimulada por ACTH.

Los niveles de hormona tiroidea  no parecen ser regulados por crinofagia o autofagia. Sin embargo, los gránulos secretores que contienen calcitonina en las células parafoliculares  de la glándula tiroides son regulados por crinofagia de una manera similar  a la mayoría de células endocrinas. La crinofagia ocurre en respuesta  a la supresión  de la secreción de hormona paratiroidea, en este caso, la secreción es  suprimida por altas concentraciones de Ca²⁺. La crinofagia de la glándula paratiroides funciona como un medio para eliminar el exceso de hormona. Por otra parte, las hormonas tiroideas, en particular la T₃, inducen autofagia selectiva  de lípidos  (lipofagia) en el hígado, un importante mecanismo para la homeostasis, el metabolismo y la movilización  de los lípidos en las células hepáticas.

La autofagia ha sido extensamente estudiada en el páncreas. Como en el resto del sistema endocrino, la crinofagia es activada en los islotes pancreáticos durante los períodos  de sobre producción de hormona o de supresión de la secreción de hormonas, para ingerir,  utilizar  y reciclar el exceso de gránulos secretores. La autofagia tradicional también interviene  en el funcionamiento de las células β para degradar  y reciclar macromoléculas y organelos dañados o envejecidos. Más aún, la disfunción mitocondrial  causada por  estresores como la hiperglucemia crónica induce en las células  la acumulación  de ROS que provocan estrés oxidativo. La autofagia protege  a las células β del estrés oxidativo digiriendo las mitocondrias dañadas.  Debido al alto nivel de síntesis de proteínas que ocurre  en las células β, ellas son especialmente susceptibles al estrés oxidativo. La autofagia juega un rol indispensable en el mantenimiento  de la función de la célula β durante las condiciones  adversas. La deficiencia  de autofagia  en las células β  juega un importante rol en la patogenia de la diabetes  tipo 2.

En conclusión, en cada glándula del sistema endocrino, la autofagia está involucrada en la regulación  de los niveles intracelulares de hormonas e indirectamente  en el control de los niveles sistémicos  de  las hormonas. En el caso de las células  de glándulas que secretan hormonas peptídicas, como la hipófisis,  la autofagia se  activa vía  crinofagia o fusión directa  de los gránulos secretores con lisosomas. Como las hormonas esteroideas no se  almacenan  en gránulos secretores, en las células   de las glándulas que secretan esteroides, como testículo  y glándula suprarrenal, la autofagia interviene en la maquinaria que produce los esteroides (mitocondrias, retículo endoplasmático). La autofagia también juega un rol importante en los desordenes endocrinos como hipo e hiper función de las glándulas. La disrregulación  de la autofagia  en las glándulas endocrinas  es un factor  importante  en diferentes enfermedades  endocrinas como diabetes e infertilidad.

Fuente: Weckman A et al (2014). Autophagy in the endocrine glands.  Journal of Molecular Endocrinology 52: R151-R163.

Función endocrina del tejido adiposo

En 1994, la leptina fue identificada como una hormona (adipoquina) secretada por el tejido adiposo que exhibe potentes efectos anoréxicos. Esto definió como un órgano endocrino al tejido adiposo blanco, el más efectivo sitio de almacenamiento de lípidos del cuerpo. En las dos décadas siguientes, otras adipoquinas (adiponectina, resistina, etc.) fueron identificadas como reguladores críticos  de la homeostasis de la glucosa y los lípidos. Actualmente la lista  de adipoquinas continúa  creciendo. Las adipoquinas median  las relaciones del tejido adiposo con otros órganos metabólicos  como el hígado, el músculo, el páncreas y el sistema nervioso central.  A finales del siglo XX se demostró que el tejido adiposo también secreta factor de necrosis tumoral α (TNFα), una citoquina proinflamatoria típicamente producida por células inmunes, que juega un rol directo en la resistencia a la insulina inducida por la obesidad. Este hallazgo fue el primer vínculo funcional entre la obesidad y la inflamación, marcando el inicio del concepto de inflamación metabólica, ampliamente aceptado actualmente como una importante conexión entre la obesidad y sus complicaciones.  Después del TNFα, se demostró que el tejido adiposo produce un conjunto de citoquinas y quimioquinas  como la IL6 y el MCP1 que regulan, positivamente o negativamente, el metabolismo sistémico de la glucosa y los lípidos. En vista de que algunas adipoquinas también exhiben características de citoquinas, estos dos grupos  de factores derivados del tejido adiposo  a menudo son referidos colectivamente como adipocitoquinas.

En el año 2003, dos estudios simultáneos  reportaron que la obesidad, en ratones y humanos, induce la infiltración de macrófagos en el tejido adiposo, lo cual no sólo proporcionó una explicación para la fuente de  citoquinas derivadas del tejido adiposo sino que también demostró la asociación entre células inmunes y células metabólicas en un órgano metabólico.  Los macrófagos residentes en el tejido adiposo son clasificados en dos subtipos muy diferentes, M1 o activados clásicamente  y M2 o activados alternativamente. Los macrófagos M1 secretan citoquinas proinflamatorias como el TNFα y la IL6, producen  especies reactivas de oxígeno (ROS) y causan resistencia a la insulina.  Los macrófagos M2 producen IL10 y arginasa-1 que han sido implicadas en la remodelación tisular. La obesidad causa  la desviación de los subtipos de macrófagos en el tejido adiposo de M2 a M1 provocando un incremento de los niveles de citoquinas proinflamatorias y ROS, lo cual induce resistencia a la insulina. Por otra parte, la pérdida de ciertos efectos beneficiosos  asociados con los macrófagos M2 también puede contribuir al deterioro metabólico  en la obesidad.  Por ejemplo, los macrófagos M2 producen catecolaminas que sostiene la termogénesis adaptativa,  y la lipólisis durante el ayuno recluta macrófagos que tamponan el incremento local de lípidos y protegen la función del tejido adiposo.  Casi todos los tipos  de células inmunes identificados en el tejido adiposo en los años recientes están involucrados activamente en la función endocrina  del tejido adiposo.

Hay varias causas potenciales que subyacen a la inflamación del tejido adiposo inducida por la obesidad. La expansión del tejido adiposo en el desarrollo de la obesidad  puede causar hipoxia la cual induce una angiogénesis compensatoria y los macrófagos son reclutados en el sitio para facilitar el proceso de vascularización. Una función similar de las células inmunes ha sido demostrada en otros tejidos metabólicos como el hígado donde el TNFα y la IL6 secretados por las células de Kupffer  son requeridos para la eficiente regeneración del órgano. La infiltración de macrófagos  en el tejido adiposo también ha sido propuesta  como un mecanismo para remover células apoptóticas. Adicionalmente, la endotoxemia asociada con la alteración de la permeabilidad del intestino y la obesidad puede potenciar la inflamación del tejido adiposo. No toda inflamación metabólica es perjudicial para la homeostasis metabólica. Por ejemplo, La inflamación asociada con la expansión o reparación  del tejido adiposo puede ser necesaria para la adaptación del cuerpo al exceso de energía y al mantenimiento  de la homeostasis metabólica. Por otra parte,  ciertas citoquinas estimulan  el gasto de energía y reducen la ingesta de alimentos, lo cual puede ayudar a contrarrestar la obesidad.

La leptina, estructuralmente similar a las citoquinas clase 1,  es una de las adipocitoquinas más potentes en la regulación metabólica, regula el peso corporal interviniendo en el estatus metabólico de otro órganos como el hipotálamo que produce neuropéptidos y neurotransmisores que modulan la ingesta de alimentos y el gasto de energía. La leptina también tiene un efecto antidiabético que es independiente de la regulación del peso corporal y la ingesta de alimentos. La leptina regula la lipogénesis hepática suprimiendo la expresión de enzimas claves en la síntesis de ácidos grasos y aumenta la oxidación de ácidos grasos en el músculo activando la AMPK, un sensor energético crítico.  El receptor de leptina tiene varias isoformas pero  es la isoforma larga la que interviene en  las acciones conocidas de la leptina. Este receptor dispara varias rutas de señalización, cada una de ellas media aspectos diferentes  de las actividades de la leptina.  Sin embargo, la principal ruta de señalización es la JAK-STAT que regula la expresión de neuropéptidos anoréxicos.  Esta ruta es esencial para la regulación del balance energético pero no para los efectos de la leptina sobre la reproducción. El efecto antidiabético de la leptina es mediado centralmente   a través de la activación  de la ruta fosfatidilinositol-3-kinasa  (PI3)/Akt que estimula la sensibilidad a la insulina en los tejidos periféricos. La expresión  de leptina puede ser inducida por endotoxinas  o por el TNFα y la leptina  actúa sobre  células T, macrófagos y otras células inmunes para estimular la producción de varias citoquinas. Esta acción proinflamatoria de la leptina puede contribuir a su efecto en la regulación  del peso corporal.

Varios grupos de investigadores identificaron casi simultáneamente a la adiponectina como una adipoquina secretada abundantemente en el tejido adiposo. La adiponectina aumenta la acción de la insulina, tiene efectos anti-aterogénicos y exhibe actividad cardioprotectora en la enfermedad cardíaca isquémica a través  de las rutas AMPK y ciclooxigenasa 2. La señal adipponectina es mediada por dos receptores, adipoR1 y adipoR2. El addipoR1 es expresado ubicuamente  pero el adipoR2 es predominantemente expresado en el hígado. La activación del adipoR1 en el hígado y el tejido muscular incrementa la actividad AMPK, la cual media el efecto de la adiponectina sobre la sensibilidad a la insulina y también aumenta la oxidación de ácidos grasos.  La ruta  del adipoR2 en el hígado incrementa la expresión de PPARα y sus genes blancos, lo cual resulta en un aumento de la oxidación de ácidos grasos. La adiponectina también tiene efectos anti-inflamatorios que contribuyen a su rol protector contra el estrés metabólico en la obesidad.  Algunos de los efectos anti-aterogénicos de la adiponectina también son mediados por su rol en la supresión de la respuesta inflamatoria. La adiponectina inhibe la actividad  del factor nuclear κB (NFκB) y las móleculas de adhesión con lo que reduce la adhesión de monocitos  a las células endoteliales.  Adicionalmente, la adiponectina ejerce una actividad protectora  vascular suprimiendo la apoptosis de células endoteliales.

Una proporción significativa  del TNFα del tejido adiposo  deriva de los macrófagos y otras células inmunes. Los ácidos grasos libres estimulan la producción de TNFα en los macrófagos y a su vez, el TNFα estimula la lipólisis incrementando la liberación de ácidos grasos  de los adipocitos. Este ciclo ácidos grasos libres-citoquina sugiere que la inflamación metabólica, una vez iniciada, puede usar este mecanismo  de auto-perpetuación para llevar a cabo sus efectos inhibitorios sobre la señal insulina  y el metabolismo energético. Adicionalmente, el TNFα estimula directamente la lipogénesis hepática  y también constituye un enlace  entre la obesidad y el cáncer.  El TNFα ejerce sus efectos  a través  de dos receptores diferentes, p55 y p75, los cuales activan la ruta JNK1 e inhiben la ruta IκB kinasa (IKK)/NFκB. La JNK1  puede inhibir directamente  la señal insulina a través  de la fosforilación   de los residuos serina del sustrato del receptor de insulina 1 (IRS1) y también puede potenciar la producción de citoquinas inducida por ácidos grasos.  La IKK  activa al NFκB  en órganos metabólicos y mieloides para la producción de citoquinas inflamatorias. EL TNFα también induce la expresión  del supresor de la señal citoquina 3 (SOCS3) que actúa inhibiendo la señal insulina a través de la degradación de IRS1  e IRS2.  Un estudio reciente reporta que el TNFα incrementa la expresión  el receptor de leptina, pero la relevancia fisiológica de este hallazgo  aún se desconoce.

La resistina es una adipoquina que interviene en la relación de la obesidad  con la resistencia a la insulina. En ratones, la resistina contribuye a la aterogénesis porque  incrementa la expresión  de citoquinas y moléculas de adhesión  en las células endotelialaes  vasculares.  La resistina  circula en dos estados diferentes, los cuales exhiben  actividades diferentes  en la regulación metabólica. Sin embargo, entender la relevancia de la resistina en la enfermedad humana es complicado  por el hecho que resistina de roedores  es producida en los adipocitos mientras que  en los humanos es producida principalmente  en los macrófagos que invaden al tejido adiposo. La resistina  de ambas especies solamente  tiene 59% de identidad a nivel de aminoácidos, un valor relativamente bajo comparado con otras hormonas. Es interesante señalar que la resistina humana, cuando es expresada en macrófagos de ratón, también induce resistencia a la insulina, lo que sugiere que la resistina de ambas especies puede tener una función similar a pesar  de sus diferentes sitios de producción. En humanos, los estudios epidemiológicos han asociado los elevados niveles circulantes de resistina con  un mayor riesgo  de diabetes tipo 2, infarto de miocardio y ateroesclerosis. Estos datos apoyan la propuesta que los niveles de resisitina podrían   servir  como marcador informativo  de enfermedad metabólica en los humanos.

La IL6 es una  citoquina pro-inflamatoria  cuyo nivel de expresión  aumenta en el tejido adiposo de las personas  obesas y es requerida para el mantenimiento del metabolismo de la glucosa   y la homeostasis metabólica. Durante el ejercicio, la IL6 es liberada en el músculo esquelético y promueve algunos de los efectos beneficiosos asociados con el ejercicio, incluyendo la captación de glucosa y la oxidación de ácidos grasos,  a través de la activación  de la AMPK. En estudios  con pacientes, los niveles elevados de IL6 se correlacionan con obesidad y resistencia a la insulina. Sin embargo, el mecanismo de acción de la IL6  en el metabolismo humano requiere de más estudio para entender su potencial terapéutico, debido en gran parte a  la baja similitud entre la IL6 de humano y de ratón. Por lo tanto, la información generada a partir de estudios con ratones  no puede ser aplicada rápidamente  a los humanos.

El Rbp4 es una proteína transportadora  de retinol en la circulación sistémica. Es producido principalmente por el hígado pero  también es expresado en el tejido adiposo blanco.  En humanos, los niveles elevados de Rbp4 están asociados  con resistencia a la insulina  en sujetos adultos obesos y diabéticos. Sin embargo, los estudios clínicos con niños y adolecentes han sido más consistentes en apoyar un rol del Rbp4 en la obesidad y la resistencia a la insulina, lo que sugiere que esta adipoquina  puede estar  involucrada en los estadios iniciales del síndrome metabólico.

Recientemente, la proteína secretada relacionada con “frizzled” 5 (Sfrp5) ha sido identificada como una adipocitoquina anti-inflamatoria. Los resultados de los estudios en humanos  sobre la función de la Sfrp5 en la enfermedad metabólica son conflictivos. No obstante, está claro que la Sfrp5 regula múltiples proteínas Wnt que juegan un papel crucial en la adipogénesis. La red Sfrp5/Wnt en el tejido adiposo podría ayudar a explicar el mecanismo autocrino/paracrino  de la inflamación metabólica, el cual es aún pobremente entendido.

La aP2 ha sido extensamente estudiada en las dos últimas décadas  como un regulador intracelular del metabolismo  de los lípidos  y de la inflamación en la enfermedad metabólica. Su identificación como adipoquina activada por lípidos  ha sido un hallazgo sorprendente y excitante. La aP2   es un miembro de la familia de proteínas ligadoras de ácidos grasos y su secreción por los adipocitos es regulada por la lipólisis, lo cual podría explicar los elevados niveles circulantes de aP2 en la obesidad.  La aP2 circulante  actúa sobre el hígado para estimular la gluconeogénesis y por consiguiente aumenta la producción hepática de glucosa. La aP2 es la primera adipoquina cuya secreción es fuertemente regulada por los ácidos grasos  liberados por lipólisis, lo cual sugiere que puede funcionar como un sensor de lípidos en el adipocito y puede también llevar lípidos en el plasma hacia órganos específicos.  Por lo tanto, como ocurre con otras adipocitoquinas, es posible que la aP2 secretada pueda actuar sobre otros órganos como cerebro y corazón para  regular la homeostasis metabólica. La evidencia acumulada sugiere  que la aP2 circulante está implicada en el síndrome metabólico en humanos. Adicionalmente, la aP2 circulante ha sido asociada con la ateroesclerosis y con el hígado grasos no alcohólico.

En conclusión, hay evidencia de que el tejido adiposo secreta  un conjunto de hormonas que actúan sobre órganos claves de la homeostasis metabólica.   Estas adipocitoquinas  juegan un rol principal en la homeostasis metabólica de sujetos sanos y  la deficiencia de estos factores, causada por exceso de adiposidad  y disfunción del adipocito es un  componente central  en la patogénesis  de la constelación de enfermedades asociadas con la obesidad.  La obesidad induce  la producción de citoquinas proinflamatorias y la infiltración  de células inmunes en el tejido adiposo, lo cual crea un estado de inflamación crónica. La inflamación metabólica ha sido reconocida como un mecanismo  que relación a la obesidad con un amplio espectro de condiciones patológicas.

Fuente: Cao H (2014). Adipocytokines in obesity and metabolic disease. Journal of Endocrinology 220: T47-T59. 

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.