Los roles emergentes de la tiroglobulina

La glándula tiroides está formada por folículos con la luz  rodeada por tirocitos cuya superficie apical está orientada hacia la luz del folículo y la superficie basal orientada hacia la red de capilares que rodea  a cada folículo tiroideo.  La tiroglobulina (Tg), conocida como el precursor macromolecular  de hormonas tiroideas,  es la proteína más importante y más abundante  producida y almacenada  en los folículos tiroideos. La Tg es sintetizada como una molécula 12S (330 kDa) y en su estado más estable forma un dímero 19S (660 kDa).  La biosíntesis  de las hormonas tiroideas y su liberación en la circulación incluye la siguiente secuencia de eventos.  (1) El  yoduro circulante es concentrado  por el simporter sodio/yoduro (NIS) en la superficie basolateral  de un tirocito y es transportado hacia la luz folicular  por la proteína pendrina  en la superficie apical. (2) La cadena polipeptídica de la  Tg es sintetizada  en la superficie citoplasmática del retículo endoplasmático rugoso  y trasladada  a la luz de este retículo para una serie de modificaciones conformacionales al tiempo que  una cadena de carbohidratos  es sintetizada y agregada en el extremo N-terminal de  la cadena polipeptídica.  (3) Un dímero de Tg adecuadamente plegado entra en el complejo de Golgi, las unidades de carbohidratos son modificadas,  y ocurre la sulfatación de la Tg. (4) La Tg madura, pero no yodada, es transferida  del complejo de Golgi  a la superficie apical del tirocito  en vesículas exocitóticas  en donde ocurre la yodación de la Tg mediada por la tiroperoxidasa (TPO) y el H₂O₂. El yodo  es unido covalentemente a los residuos tirosina  de la molécula de Tg para formar monoyodotirosina (MIT) y diyodotirosina (DIT). La TPO también cataliza el acoplamiento  de los residuos yodotirosina para formar tiroxina (T4) y triyotironina  (T3).  (5) La Tg yodada reingresa al tirocito por  la superficie apical y pasa a los lisosomas  donde es degradada para liberar  T4 y T3. Finalmente, las hormonas T4 y T3 pasan a la circulación  a través de  los capilares  que rodean a cada folículo.

La hormona estimulante de la tiroides (TSH) controla todos los aspectos de la función tiroidea. La TSH tiene la capacidad para estimular casi todos los eventos esenciales  de la producción de hormonas tiroideas, incluyendo la captación del yoduro circulante  en los folículos tiroideos, la síntesis, yodación, reabsorción y degradación  de la Tg y la liberación de las hormonas tiroideas en la circulación sanguínea.  Dado que los niveles de TSH son razonablemente constantes y la expresión  del receptor de TSH  tiene una distribución homogénea  entre los folículos de la tiroides humana normal, se podría esperar que los efectos de la señal TSH fueran similares en cada folículo. Asimismo, las funciones foliculares  tales como la expresión  de genes tiroideos funcionales, la producción y yodación   de Tg y la  secreción de hormonas tiroideas, teóricamente deberían también ser similares entre los folículos. Sin embargo, contrario a lo esperado,  la heterogeneidad folicular ha sido observada  en la glándula tiroides de  humanos y roedores. La función de cada folículo  no está sincronizada con la de sus vecinos. Los folículos tiroideos son heterogéneos  no sólo a nivel histológico sino  también a nivel funcional. La heterogeneidad ha sido observada  en tiroides normales midiendo la captación de yoduro, la síntesis de Tg, la difusión de la Tg yodada, la acumulación de hormonas tiroideas, la actividad enzimática, la proliferación de tirocitos y la expresión de factores de transcripción específicos de la tiroides.  Entonces, la heterogeneidad folicular existe  a pesar de la  señal TSH homogénea  en cada folículo, lo cual sugiere  que algunos reguladores desconocidos y diferentes a la TSH contribuyen a la heterogeneidad folicular.  La Tg ha sido propuesta, pero sin comprobación, como regulador funcional endógeno  de la tiroides. En este sentido, se ha sugerido que la Tg en el coloide actúa como un factor determinante de la viscosidad del coloide y por lo tanto crea diferentes velocidades de difusión  de la Tg yodada y  de las hormonas tiroideas.  Asimismo, la Tg folicular ha sido implicada  en la  regulación de la expresión de genes funcionales tiroideos  independiente de TSH. Estos datos sugieren que la Tg puede actuar como autorregulador  de la expresión de genes funcionales tiroideos y de la función folicular.

La Tg, al suprimir la expresión  de genes funcionales tiroideos, puede regular negativamente  casi todos los eventos esenciales para la yodación  de la Tg y la síntesis de hormonas tiroideas. Un evento esencial en la maduración  de la Tg y la síntesis de hormonas tiroideas es la yodación  de la Tg en la superficie apical del tirocito. Estudios recientes reportan que la Tg  suprime la actividad de la TPO que libera el yoduro de los residuos tirosina en la molécula de Tg para la producción de las hormonas tiroideas. Adicionalmente, la Tg  suprime la expresión de la oxidasa 2 (Duox2) así como su factor de maduración Duoxa2,  enzimas  responsables de la generación  del H₂O₂ requerido para la organificación del yoduro.  La supresión de Duox2 y Duoxa2 por la Tg  reduce dramáticamente la producción de H₂O₂. Entonces, la Tg puede suprimir su propia síntesis, yodación y maduración. Por lo tanto, cada folículo tiroideo  es regulado no sólo por  la señal  TSH en la superficie basal sino también por la señal de la Tg coloidal en la superficie apical.  La dependencia del balance de la acción TSH y Tg  en folículos en diferentes estadios podría  ser la causa de la heterogeneidad folicular. Por otra parte, se ha reportado que en roedores  la Tg tiene efectos diferentes sobre el transportador pendrina de la superficie apical y sobre el NIS de la superficie basal. Esta observación  indica que la Tg  mas que simplemente suprimir la expresión de genes  específicos  de la tiroides, regula la expresión de genes  para mantener  la producción de hormonas tiroideas.

El modelo “ciclo folicular” propone que cada folículo tiroideo es regulado  por la acción de la TSH  en la superficie basal (la cual es similar entre los folículos) y la acción Tg en la superficie apical del tirocito (la cual es significativamente variable, reflejando las diferentes concentraciones en cada folículo). El tamaño, volumen y función de los folículos depende  del balance de ambas acciones. La acción TSH estimula la síntesis de Tg, la yodación, reabsorción y liberación de hormonas tiroideas de la molécula de Tg y la secreción  de las hormonas en la circulación. Sobre la base de este modelo se propone: (1) La TSH tiene un efecto estimulador sobre la síntesis y reabsorción de Tg, pero el proceso de síntesis de Tg inducido por la TSH es mucho más lento que la reabsorción  de Tg inducido por la TSH. (2) La Tg tiene un fuerte efecto de retroalimentación negativa sobre su propia síntesis y este efecto supresor puede sobre ponerse  a los efectos estimuladores  de la TSH. (3) Bajas concentraciones  de Tg inducen la expresión de pendrina mientras que las altas concentraciones de Tg la suprimen. Entonces, en un folículo con alta acumulación de Tg coloidal, el efecto promotor de la síntesis de la Tg por la TSH es contrarrestado por el efecto de retroalimentación negativa  de la Tg sobre su propia síntesis.  Como resultado, la síntesis de Tg en este folículo es suprimida y la TSH funciona predominantemente  para promover la reabsorción de la Tg coloidal, la degradación de Tg y la secreción de hormonas tiroideas en la circulación. La concentración de Tg coloidal en este folículo disminuye significativamente debido a su rápida reabsorción  y a su  lenta síntesis, con lo cual desaparece el efecto de retroalimentación negativa de la Tg. El cese de la retroalimentación negativa, conjuntamente con los efectos positivos de la TSH, causará  la restauración de la síntesis de Tg en este folículo. En roedores, la baja concentración de Tg coloidal también maximiza la expresión de pendrina para promover la yodación de Tg en la superficie apical. Por lo tanto, la Tg coloidal se acumulará gradualmente en este folículo. Cuando la acumulación  de Tg coloidal  alcanza un cierto nivel, el efecto de retroalimentación negativa de la Tg predominará nuevamente sobre  el efecto estimulador de la TSH y el proceso completo se repetirá  otra vez. Los folículos en diferentes estadios del “ciclo folicular” podrían tener diferentes funciones, lo cual contribuye a la heterogeneidad folicular.   

La Tg ejerce un efecto regulador bifásico  sobre el crecimiento de los tirocitos, el cual es similar al efecto de la Tg en la regulación de la pendrina  observado en ratas. Por lo tanto, bajas concentraciones de Tg maximizan su efecto promotor del crecimiento del tirocito mientras que altas concentraciones de Tg ejercen un efecto supresor sobre el crecimiento celular. La Tg regula el crecimiento celular  a través de la activación de la ruta fosfatidilinositol 3-kinasa (PI3K), la cual también es activada por la TSH. Adicionalmente, la Tg también induce la activación de la ruta c-Raf/MEK/ERK de la proteína kinasa activada por mitogenos (MAPK), la cual es específica para el crecimiento celular inducido por la Tg.

Históricamente,  siempre se   consideró que la producción y función de la Tg ocurría exclusivamente  en los folículos tiroideos. Sin embargo, con la identificación  de la expresión renal  de varios genes “específicos de la tiroides”, la expresión de receptores de Tg en células no tiroideas y la acumulación de Tg en la forma de complejos antígeno-anticuerpo en la membrana basal  de los glomérulos en algunos casos de glomerulonefritis inmune durante la enfermedad tiroidea autoinmune, los roles fisiológicos y fisiopatológicos de la Tg fuera de la tiroides han recibido más atención.  En este sentido, estudios recientes han demostrado que  la Tg, pero no las hormonas tiroideas, puede promover la proliferación de células mesangiales. Estos datos  sugieren un posible rol de la Tg como regulador de la transcripción de genes y del crecimiento celular en las células mesangiales.  Más aún,  se ha detectado una Tg de 40 kDa en el suero de pacientes  con tiroiditis Hashimoto, lo cual indica que esa KTg puede servir como un potencial auto-antígeno  que es reconocido y unido por anticuerpos anti-Tg  y así contribuir  a la patología de glomerulonefritis inmune durante la enfermedad tiroidea autoinmune. 

En conclusión, durante la última década se han reconocido novedosas funciones de la Tg, incluyendo (1) un efecto de retroalimentación negativa sobre la función tiroidea, a través de la regulación  de la expresión de genes esenciales para la síntesis de hormonas tiroideas, lo cual proporciona una explicación alternativa para la hetrogeneidad folicular; (2) un efecto promotor del crecimiento celular y (3) funciones extratiroideas, lo cual sugiere que la Tg  puede tener una función reguladora en otros órganos.

Fuente: Luo Y et al (2014). The emerging roles of thyroglobulin.  Advances in Endocrinology, article  ID 189194.

El eje ACE2-Ang-(1-7)-receptor Mas

El sistema renina-angiotensina (SRA) constituye un importante sistema hormonal en la regulación fisiológica  de la presión sanguínea. El SRA clásico puede ser definido  como el eje enzima convertasa de angiotensina (ACE)-angiotensina II (Ang II)-receptor de angiotensina tipo 1(AT₁R) que promueve vasoconstricción, retención de sodio y otros mecanismos que mantienen de la presión sanguínea. El angiotensinógeno, proteína glucosilada sintetizada y secretada principalmente por el hígado, es el precursor de los péptidos angiotensina.  La renina libera  el decapéptido angiotensina I (Ang I) de la porción amino-terminal del angiotensinógeno. Luego, la Ang I es clivada por la ACE para formar el péptido bioactivo  Ang II.  Sin embargo, en los últimos años, a partir de la caracterización del receptor  AT₂ y la identificación del  heptapéptido des-(Phe8)-AngII o Ang (1-7)  en la circulación y varios tejidos, han surgido rutas alternas en el RAS que pueden antagonizar funcionalmente al eje AngII-AT₁R. Actualmente, el “eje Ang (1-7)”  está bien establecido con la identificación de la enzima convertasa II (ACE2) que cataliza la conversión de Ang II en Ang (1-7) y el receptor para  Ang (1-7), el receptor Mas acoplado a proteína G.  Además de la identificación  de los componentes  del sistema Ang (1-7), hay el reconocimiento  de varias rutas de señalización que incluyen  óxido nítrico, prostaglandinas y fosfatasas celulares que son estimuladas por el péptido. Más aún, la evidencia acumulada sugiere que una de las rutas primarias activadas por la Ang (1-7) es la estimulación  de varias fosfatasas celulares incluyendo SHP-1 y DUSP-1 que pueden atenuar  las rutas dependientes de kinasas.

Varios estudios han revelado  que los niveles de Ang I y Ang (1-7) aumentan marcadamente después de la administración de inhibidores de la ACE. La respuesta aumentada de Ang (1-7) sugiere que el péptido circulante puede contribuir a los acciones beneficiosas  de la inhibición de la ruta ACE además de la reducción en los niveles endógenos de Ang II. El incremento de Ang (1-7) en presencia de  bloqueadores de la ACE necesita una ruta independiente de la formación de Ang II. En este sentido, diversos estudios  han demostrado que la endopeptidasa 3.4.24.11 (neprilisina) contribuye a los niveles circulantes de Ang (1-7) en animales tratados crónicamente  con varios inhibidores de la ACE.

Además de su rol funcional   en la conversión  de Ang II en Ang (1-7), la peptidasa ACE2   puede servir como marcador  de patologías renales y cardiacas. El incremento de los niveles tisulares y urinarios de la ACE2 en condiciones patológicas puede reflejar una respuesta compensatoria para alterar el balance de las rutas de Ang II y Ang (1-7)  en un tejido particular. Los niveles circulantes  de ACE2, los cuales típicamente son bajos o no detectables,  también aumentan en condiciones  de diabetes experimental.

El péptido llamado Ang (1-12) contiene los 12 primeros aminoácidos de la secuencia N-terminal del angiotensinógeno y constituye un potencial sustrato para la conversión  de los productos activos Ang II o Ang (1-7). La expresión de Ang (1-12) ocurre esencialmente  en todos los tejidos que contienen Ang II con los mayores niveles  en intestino, cerebro, corazón y riñón.  La hidrólisis del angiotensinógeno para formar Ang (1-12) ocurre en los residuos Tir¹²_-Tir¹³, distinta a la secuencia  Leu¹⁰-Leu¹¹ en donde el angiotensinógeno es clivado por la renina para formar Ang I. Por lo tanto, la generación de Ang (1-12) ocurre a través de una ruta no dependiente de renina y puede ser aparente en condiciones de baja  o suprimida actividad  de la renina, particularmente con el uso de inhibidores selectivos de renina.  Similar a la Ang I, la Ang (1-12) puede ser hidrolizada en el enlace Fen⁸-His⁹ por la ACE para formar  Ang II. La conversión de Ang (1-12) en Ang II por la ACE en la circulación es consistente con el incremento agudo de la presión sanguínea en ratas normotensas después de una infusión de Ang (1-12). En un estudio reciente, se ha demostrado que la Ang (1-12)  puede ser un sustrato alterno para la generación de Ang (1-7) en el riñón. En este estudio también se demostró que la renina renal o circulante no metaboliza la Ang (1-7). Es posible que la Ang (1-12) pueda ser un potencial sustrato para Ang (1-7) a través  de la conversión inicial  a Ang (1-11) por la ACE2 y posteriormente ser procesada  a Ang (1-9) y Ang (1-7) por la ACE.

La Ang (1-7) también puede servir como precursor de otras formas activas. Una de esas formas corresponde  a un análogo endógeno de la Ang(1-7) en el cual el residuo ácido aspártico es descarboxilado a alanina para formar  Ala¹-Ang(1-7). Este compuesto, llamado almandina, también se puede obtener a partir  del clivaje proteolítico de la Ala¹-AngII por la ACE. Otro péptido endógeno es la angioprotectina. Este péptido se asemeja a la Ang II pero tiene sustituciones de Pro y Glu en los dos primeros residuos N-terminales para formar Pro¹-Glu²-Ang II. A pesar de que la angioprotectina contiene los residuos Tir⁴ y Fen⁸ considerados esenciales para la acción de la Ang II, el péptido carece de actividad vasoconstrictora. La formación local de angioprotectina a partir de la Ang II en células endoteliales humanas es incrementada por la adición de prolina y ácido glutámico exógenos, lo que sugiere una modificación post-transcripcional de la Ang II. En humanos, los niveles circulantes de angioprotectina  alcanzan solo el 15% de los la Ang II, pero aumentan hasta cinco veces en pacientes con enfermedad renal en estado terminal, lo que podría reflejar una respuesta compensatoria  en condiciones patológicas.

Los niveles endógenos de Ang(1-7) dependen del acceso a las enzimas procesadoras como la carboxipeptidasa ACE2 o la endopeptidasa neprilisina y la propil endopeptidasa (oligopeptidasa). Los niveles de Ang(1-7) también dependen de las peptidasas que metabolicen al péptido. La Ace juega un rol significativo en la conversión de la Ang(1-7) en el pentapéptido Ang(1-5) en la circulación y en los túbulos proximales del riñón. La inhibición de la ACE incrementa seis veces la vida media de la Ang(1-7) en la circulación y es necesaria para  demostrar la acumulación del péptido a partir de rutas dependientes de Ang I y Ang II en los túbulos proximales del riñón. Entonces, el mecanismo para incrementar los niveles de Ang(1-7) con inhibidores de la ACE refleja por una parte la protección del péptido de la hidrólisis de la ACE para generar Ang(1-5) y por otra parte, el desvío de Ang1 a Ang(1-7) a través de las rutas de las endopeptidasas como la neprilisina. Hay muy poca información sobre otras peptidasas distintas a la Ace que participan en el metabolismo  de la Ang(1-7).

Tradicionalmente, el SRA ha sido considerado como un sistema endocrino en el cual la renina circulante cataliza una cascada enzimática para formar péptidos activos. Sin embargo, está demostrado que múltiples tejidos contiene los componentes necesarios para la generación local de los péptidos angiotensina. Estos tejidos pueden liberar el precursor angiotensinógeno, los productos intermediarios Ang I y Ang(1-12) o los péptidos activos Ang II y Ang (1-7) que se unen directamente a receptores de la membrana celular de una manera autocrina o paracrina. La función exacta de la Ang(1-7) en el núcleo no es conocida; sin embargo, en varios trabajos se propone que este sistema puede antagonizar las acciones intracelulares  de la ruta Ang II-receptor AT₁. Más aún, las rutas que manejan la unión del  péptido a sus respectivos receptores intracelulares así como la regulación intracelular en condiciones normales y patológicas no han sido establecidas. No obstante,  se ha demostrado  la expresión intracelular de angiotensinas en el riñón y también hay evidencias de la expresión y captación de Ang II y Ang(1-7) por proteínas transportadoras como la megalina. Adicionalmente, es bien conocido que la internalización de la Ang II mediada por el receptor AT₁ puede contribuir al contenido intracelular del péptido. En este sentido, las peptidasas intracelulares como la ACE2 potencialmente pueden procesar la Ang II internalizada a Ang(1-7) como ruta alterna para atenuar la actividad del receptor AT1 y estimular las acciones celulares de la Ang(1-7).

Las evidencias experimentales y clínicas sugieren una importante influencia de las hormonas gonadales en la regulación  del SRA. Los estudios experimentales, centrados mayormente en la influencia de los estrógenos sobre el eje ACE-Ang II-receptor AT₁, revelan un efecto inhibitorio sobre la expresión de la ACE y el receptor AT₁ para promover la expresión de Ang(1-7) a través del incremento de la síntesis y/o la reducción  del metabolismo del péptido. Estos datos sugieren que al menos en condiciones no patológicas, los estrógenos exhiben una influencia inhibitoria sobre la ACE. Con respecto al receptor de la Ang(1-7), la expresión del receptor Mas aumenta en las ratas hembras pero no en los machos después  de una infusión  de Ang II, lo cual puede explicar la atenuada presión sanguínea en las hembras. Por otra parte, la expresión del receptor Mas tiende a disminuir  en el riñón de los machos en respuesta a la infusión aguda de  Ang II.

En conclusión, actualmente es evidente que el SRA comprende diferentes péptidos angiotensina con acciones biológicas diversas mediadas por distintos subtipos de receptores. La evidencia bioquímica y funcional  sugiere que la ruta ACE2-Ang(1-7)-receptor Mas puede antagonizar la ruta ACE-Ang II-receptor AT₁ del SRA bien  directamente a través del metabolismo de Ang II a Ang(1-7) por la ACE2 o bien a través de rutas que limitan la activación de la señal Ang II-receptor AT₁. Más aún, los componentes del SRA no clásico pueden contribuir a los efectos  del bloqueo terapéutico  del sistema clásico para reducir la presión sanguínea  y atenuar varios índices  de daño renal.

Fuente: Chappell MC et al (2014). Update on the angiotensin converting enzyme 2-angiotensin (1-7)-Mas receptor axis: fetal programing, sex differences, and intracellular pathways.  Frontiers in Endocrinology 4: Article  201. 

Células y circuitos del núcleo supraquiasmático

El núcleo supraquiasmático (NSQ) del hipotálamo es el principal marcapaso circadiano del cerebro y coordina los ritmos diarios de sueño y vigilia, así como la fisiología y conducta de nuestra vida. Los ritmos circadianos son aquellos ciclos diarios  de conducta y fisiología que persisten  cuando un individuo, un animal de  experimentación o una planta están  aislados en un ambiente libre de tiempo. Esta persistencia se debe a la presencia de un reloj interno autónomo que es capaz de definir períodos de aproximadamente 24 horas. En condiciones naturales, estos relojes circadianos son entrenados con el ciclo de luz-oscuridad. En los mamíferos, el NSQ recibe inervación directa de células ganglionares especializadas de la retina que median el entrenamiento del reloj por la luz. El rol del NSQ es generar una representación interna estable del tiempo solar y conducir las rutas neurales, conductuales y endocrinas para coordinar todos los aspectos de las funciones diarias en el cuerpo.  El NSQ puede autónomamente  generar ese tiempo  pues la inervación retiniana  sirve solamente para sincronizar al oscilador circadiano. Actualmente se sabe que todos los órganos tienen mecanismos de reloj circadiano local, por lo tanto el NSQ no es el único reloj, aunque es el coordinador  de los innumerables relojes distribuidos  en el cuerpo. Estos relojes tisulares manejan la expresión circadiana de aproximadamente 10% de los genes y proteínas expresados localmente en un tejido particular. En consecuencia, los procesos metabólicos vitales como el metabolismo nitrogenado hepático, la gluconeogénesis, la función cardiovascular y la destoxificación renal siguen ciclos bien definidos que optimizan el rendimiento metabólico.

A nivel molecular, el mecanismo oscilatorio  del NSQ comienza con la transactivación  de los genes Per (período) y Cry (criptocromo)  por los heterodímeros de Clock y Bmal1, factores de transcripción que asociados en los dominios de dimerización PAS actúan vía E-box en sus genes blancos. En el curso de  la mañana circadiana los niveles de ARNm de Per y Cry se acumulan  en las neuronas del NSQ y al final  del día circadiano, las proteínas Per y Cry forman complejos que entran al núcleo donde interfieren con la acciones de Clock y Bmal1, en parte reclutando complejos transcripcionales inhibitorios. En la medida que la noche circadiana progresa, los niveles de ARNm caen, la traslación  de las proteínas Per y Cry  disminuye y los complejos Per/Cry existentes son degradados, un proceso esencial para la progresión del reloj. Esto libera los E-boxes de la regulación negativa y el ciclo comienza con un nuevo día circadiano. Esta oscilación central es aumentada por asas adicionales que involucran a los genes Rev-Erbo, Rev-Erbb y RORA, los cuales también son manejados por Clock/Bmal1, y sus productos proteicos a su vez manejan la expresión rítmica de Bmal1 vía secuencias RORE.   Los factores de transcripción PAR bZIP contribuyen a la expresión de los genes controlados por el reloj. Estos genes son responsables de generar los ciclos circadianos  de la actividad celular que subyace a la conducta y la fisiología. En el NSQ esto incluye a los genes y proteínas  involucrados en la transmisión sináptica, el metabolismo y la actividad electrofisiológica (canales iónicos y receptores) en las neuronas, alternando entre la quietud nocturna (< 1Hz) y la alta actividad espontánea durante el día circadiano (> 10 Hz). A través de estos cambios en la tasa de disparo  las neuronas del NSQ coordinan las cascadas neuroendocrinas que sincronizan la actividad de los relojes locales distribuidos en  otras regiones cerebrales y tejidos periféricos. Estos relojes a su vez controlan las cascadas transcripcionales locales para dirigir la fisiología específica de cada órgano.

El descubrimiento de los genes reloj circadianos ha propiciado el desarrollo de nuevas tecnologías  para el análisis de la función reloj. Gracias a esas tecnologías se sabe que: (i) la expresión de los genes circadianos progresa como una onda espacio-temporal a través del NSQ: las asas de retroalimentación transcripcional/traslacional de las células rítmicas  individuales son sincronizadas a través de un circuito aunque no producen su pico de actividad simultáneamente.  (ii) En el NSQ, mas que relaciones estereotípicas de fase entre unas y otras células, las células más dorsales del NSQ son avanzadas de fase 2-3 horas  con  relación al resto. (iii) Con relación a los relojes locales, todos los órganos cuando son aislados expresan claros ciclos circadianos, demostrando  que las funciones reloj conservadas son distribuidas a través de todo el  organismo. (iv) Los mecanismos que actúan in vivo e in vitro para entrenar a los relojes locales establecen una coherencia circadiana en el animal.

Las ondas espacio-temporales  de la expresión de genes circadianos observadas en el NSQ revelan  una sofisticada y compleja forma de sincronización  de las asas de retroalimentación transcripción/traslación   en las neuronas reloj individuales. Esta sincronía  se puede interrumpir  si ocurre   interferencia  en la comunicación sináptica o por alteraciones a nivel de las vesículas sinápticas.  Asimismo, se ha reportado que las neuronas del “core” del NSQ expresan péptido intestinal vasoactivo (VIP) y los ratones que carecen del receptor para VIP tiene marcados desordenes circadianos, los ritmos circadianos son de baja amplitud y desincronizados.  Sin embargo, la expresión de los genes puede ser activada y la sincronía restaurada temporalmente mediante  el tratamiento con otro neuropéptido del NSQ, el péptido liberador de gastrina (GRP), un activador de la adenil ciclasa y por consiguiente de la producción de AMPc.  El efecto sincronizador de esta señal paracrina representa una verdadera señalización  del tiempo y no una simple condición permisiva para las asas de retroalimentación  transcripción/traslación. Más aún, aplicando  bloqueadores de los receptores de arginina vasopresina (AVP) o GRP (neuropéptidos secretados por la “Shell” y la “core” del NSQ, respectivamente) se ha podido demostrar que existe una jerarquía  de las señales de los neuropéptidos  en la regulación paracrina, con un rol pre-eminente  de VIP aumentado por las contribuciones  de AVP y GRP. Entonces, la jerarquía de las señales paracrinas neuropeptidérgicas  actúa como un puente entre  las células y los circuitos en el NSQ. El receptor de VIP (VPAC2) es acoplado a proteína G y  unido positivamente  a la Gs para activar la síntesis de AMPc  y a la Gq para estimular a la fosfolipasa C e incrementar los niveles intracelulares de Ca²⁺. Entonces,  el ciclo circadiano de la concentración intracelular de Ca²⁺  se pierde cuando el NSQ  carece de VIP, aunque las células individuales  continúan oscilando  pero sin sincronía  a través del circuito. Un efecto similar se ha visto para los ritmos neuronales de la activación de los elementos de respuesta dependientes de AMPc (CRE) en ausencia de VIP, es decir  oscilaciones circadianas de baja amplitud, rítmicas pero asincrónicas. Por lo tanto,  es posible construir un modelo para el acoplamiento neuropeptidérgico en el NSQ en el cual el VIP es secretado y de una manera paracrina  activa  una cascada disparada por el VPAC2, la Gq, la fosfolipasa C, la concentración de Ca²⁺  y finalmente la secuencia CRE  en los genes Per de las neuronas blanco.

En resumen, el NSQ del hipotálamo es el principal marcapaso circadiano del cerebro. Las asas intracelulares de retroalimentación transcripción/traslación constituyen el reloj celular  de las neuronas del NSQ. La actividad diaria de estas asas gira alrededor de la regulación negativa  de los genes Per y Cry por sus producto proteicos. El período de este ciclo circadiano depende de la relativa estabilidad  de las proteínas Per y Cry  y esto puede ser controlado por intervenciones genéticas o farmacológicas. El VIP sincroniza de una manera paracrina los relojes celulares en el NSQ.

Fuente: Hastings MH et al (2014). Circadian pacemaking in cells and circuits of the suprachiasmatic nucleus. Journal of Neuroendocrinology 26: 2-10. 

Acciones biológicas de las hormonas tiroideas no clásicas

La glándula tiroides produce dos yodotironinas principales: tetrayodo-t-tironina (T₄) y triyodo-t-tironina (T₃). En los humanos, la T₄ es sintetizada únicamente en la tiroides y actúa como una pro-hormona para generar T₃. Solamente el 20% de T₃ circulante es secretada directamente por la tiroides, el resto deriva de la desyodación periférica de T₄. La actividad desyodasa regula la disponibilidad local y sistémica de T₃ y otras yodotironinas. La desyodación de las hormonas tiroideas (HT) es mediada por tres selenoenzimas: la desyodasa tipo 1 (D1) que se expresa en  hígado, riñón, tiroides e hipófisis; la D2 presente en sistema nervioso central, adenohipófisis y tejido adiposo marrón y la D3 que se expresa en placenta, piel y tejidos fetales. Además de la desyodación hay otras rutas bioquímicas involucradas en el metabolismo de las HT, por ejemplo la conjugación de los grupos hidroxilos fenólicos con sulfato o ácido glucurónico que incrementa la solubilidad en agua  de los sustratos facilitando el aclaramiento biliar y/o urinario.  Por otra parte, la descarboxilación y desaminación de las HT permite la formación de los llamados análogos del ácido acético como el triyodotiroacético (Triac) y tetrayodotiroacético (Tetrac). Varios transportadores contribuyen a la captación de las HT en los tejidos periféricos, entre ellos están los polipéptidos que transportan aniones orgánicos (OATPs), los transportadores de aminoácidos tipo L, los transportadores aminocarboxilato (MCT) y los transportadores ácidos biliares.

Las HTs regulan las funciones celulares a través de  dos mecanismos distintos: genómicos (nucleares) y no genómicos (no nucleares). La mayor parte de los efectos de las HTs son mediados por rutas genómicas, un mecanismo que requiere  la activación de receptores nucleares (TRs). Esto permite un cambio conformacional en la interacción con los elementos de respuesta específicos de las HTs  localizados en los promotores de los genes blanco de las HTs regulando la tasa de transcripción. Los TRs  forman homodímeros  o interactúan  con otros receptores nucleares como el receptor retinoico X. Los TRs pertenecen  a la familia  de factores de transcripción dependientes de ligando e incluyen a los TRα y los TRβ, codificados por genes localizados en dos cromosomas diferentes.  Aunque la T3 ejerce muchas de sus acciones a través de la regulación transcripcional, también tiene efectos que son iniciados  fuera del núcleo e involucran  diferentes rutas de señalización intracelular. Estos efectos son mediados  por acciones no genómicas  de corta duración a través de receptores de membrana (integrinas αVβ3). La activación del receptor integrina inicia complejos eventos celulares. Las HTs modulan la actividad mitocondrial  de dos maneras: directa o indirecta. La primera requiere la presencia dentro  de la mitocondria de sitios de unión específicos para THs. Por el contrario, la manera indirecta actúa a través de factores de transcripción dependientes de TR nucleares que modulan la expresión de genes mitocondriales.

Además de la T₃, existen HTs no clásicas. En los humanos, la cantidad de Triac producida por el hígado y otros tejidos representa el 14% del metabolismo de T₃. El Triac es un débil TRβ-selectivo y ha sido usado para suprimir la secreción de hormona estimulante de tiroides (TSH) en pacientes con resistencia a las HT y para incrementar la tasa metabólica en pacientes obesos. El Triac es más potente que la T₃  en la estimulación  de la proteína desacopladora 1 y como inductor de la lipoproteína lipasa. Adicionalmente, el Triac inhibe la expresión y secreción de leptina  en los adipocitos. Las dosis terapéuticas de Triac para tratar desordenes de hipófisis y tiroides exceden a las de T₄ y T₃ debido a su corta vida media en humanos y roedores. El Tetrac es usado en los humanos como sustituto de la T₄ en el tratamiento del mixedema y para mejorar el metabolismo  periférico de los lípidos. Los efectos son similares a los de T4 pero se requieren dosis mayores. El Tetrac también es utilizado  para el tratamiento de la resistencia a HT. . El Tetrac no requiere transportadores por lo que puede reemplazar a la T₃ en el desarrollo cerebral fetal en ratones que carecen de MCT8.

Las tironaminas (TAMs) constituyen una nueva clase de moléculas endógenas  de señalización tiroidea que difieren  de la T₄ y sus derivados desyodados por la ausencia  de un grupo carboxilo en la cadena lateral alanina. 3-yodotironamina (TIAM) y TOAM han sido detectadas en suero, hígado, cerebro y corazón de humanos y roedores. La TIAM  es producida en la tiroides por un proceso que requiere al simporter sodio-yoduro (NIS) y a la tiroperoxidasa. En condiciones fisiológicas, las concentraciones circulantes de TIAM son similares a las de  T₃ y las concentraciones tisulares de su metabolito  TOAM exceden 2  y 20 veces a las de los metabolitos  de T₄ y T₃, respectivamente. Hasta el presente no se han identificado receptores fisiológicos de TAMs. Sin embargo, un estudio reciente reporta que la TIAM es un potente agonista del receptor asociado a aminas 1 (TAAR1), un receptor “orfan” acoplado a proteína G. El TIAM inhibe la captación de T₃ y T₄ por los  MCT8, los transportadores de HTs  más específicos; pero no tiene efecto sobre los transportadores OATP y MCT10.  La TIAM incrementa la producción de glucosa, y los niveles plasmáticos de glucosa, glucagón y cortisol, pero no afecta los niveles de insulina. A nivel central, la TIAM  mejora la memori y reduce el umbral del dolor.

La 3,3´,5´-T₃ (T₃ reversa o rT₃),  un producto de la desyodación de T₃ por las desyodasas D1 y D3, es un potente iniciador de la polimerización de la actina en los astrocitos. En ratones hipotiroideos, las neuronas y los astrocitos  desarrollan un citoesqueleto pobre en actina que la terapia con T₃ no puede recuperar. Sin embargo, la rT₃ inicia la recuperación de los filamentos de actina rápidamente y sin alterar el contenido de proteínas. Esta propiedad de la rT₃ es atribuida al TR∆α1, una isoforma de TR que carece de señal nuclear y está presente en el compartimento extranuclear de astrocitos y neuronas. Esta isoforma tiene la afinidad y la especificidad por el ligando requeridas para la polimerización de la actina por parte de la rT3. Entonces, las HTs pueden requerir regiones del TR que no necesariamente se unen al ADN.

Varios estudios han sugerido que la 3,5-diyodo-t-tironina (T₂), un metabolito endógeno de la T₃, es un mediador periférico de varios efectos metabólicos de las HTs. En individuos sanos, la concentración plasmática de T₂ es de 16pM. La T₂ tiene  acciones  sobre la tasa metabólica en reposo diferente a las de la T₃. La T₂ es predominantemente responsable de la inducción a corto plazo de la tasa metabólica en reposo. Los efectos metabólicos de la T₂ también subyacen a la capacidad de esta hormona para mejorar la supervivencia de ratas hipotiroideas expuestas  al frío y con un gasto energético persistentemente aumentado. Varios estudios apoyan la capacidad de la T₂ para estimular las actividades mitocondriales. La T₂ como HT no clásica  es capaz de prevenir la ganancia de peso corporal cuando es administrada  a ratas alimentadas con dietas ricas en grasas sin inducir los efectos colaterales de la T₃ como taquicardia, hiperplasia cardiaca y niveles disminuidos de TSH. La T₂ previene eficientemente la acumulación de grasa en el hígado, la resistencia a la insulina el incremento en los niveles circulantes  de colesterol. La T₂ reduce marcadamente la apoB en el hígado  y los niveles circulantes apoB48 y apoB100. La T₂ estimula la proteína desacopladora mitocondrial, disminuye la síntesis de ATP e incrementa la combustión de las grasas, contrarrestando de esta manera la obesidad. Una consecuencia de lo anterior  es el incremento de la sensibilidad a la insulina en el músculo esquelético inducido por la T₂. La  T₂ lleva a cabo sus efectos antilipidémicos a través de la activación  de dos importantes factores  involucrados en el metabolismo de los lípidos: la AMPK y la desacetilasa nuclear sirtuina 1 (SIRT1). La AMPK es un conocido sensor  de los niveles celulares de ATP y la SIRT1  regula el balance metabólico  en respuesta a los incrementos en la relación NAD⁺/NADH. Estudios recientes han demostrado que la _T2 ejerce efectos a corto plazo en la hipófisis  sobre las concentraciones intracelulares de calcio y la liberación de óxido nítrico a través de la modulación de rutas de señalización  en  membrana plasmática y mitocondrias. En particular, la T₂ facilita la salida de calcio de las mitocondrias. La T₂ estimula la actividad de la citocromo C oxidasa mitocondrial. .Los efectos de la T₂ pueden ser mediados por una isoforma del TRβ llamada TRβ1 que contiene un segmento de 9 aminoácidos en su dominio de unión con el ligando. La T₂ tiene una afinidad débil por el TRβ (aproximadamente 40 veces menos que la T3).

En conclusión, los productos del metabolismo periférico  de las HTs  han sido considerados hasta hace poco tiempo  productos de degradación inactivos de las HT. Sin embargo,  las ahora llamadas “HT no clásicas” pueden inducir varias acciones fisiológicas. Los derivados de las HTs ejercen acciones importantes sobre los parámetros metabólicos. A nivel celular-molecular, varias rutas de señalización  son afectadas, especialmente las relacionadas con el metabolismo de los lípidos. Los efectos beneficiosos  de estas moléculas requieren más consideración debido a su potencial para modular la salud humana.

Fuente: Senese R et al (2014). Thyroid: biological actions of “nonclassical” thyroid hormones. Journal of Endocrinology 221: R1-R12. 

Los glucocorticoides y la maduración del corazón fetal

Los glucocorticoides (GC) son hormonas esteroideas, producidas por la corteza de las glándulas suprarrenales, que regulan las respuestas al estrés,  ejercen potentes efectos inmunomoduladores en adultos y son esenciales  para la transición de la vida fetal a la vida neonatal. Los niveles plasmáticos de GC aumentan marcadamente en la gestación tardía  para madurar tejidos y órganos fetales. Los GC se unen  a receptores citoplasmáticos que pertenecen a la superfamilia  de receptores nucleares. El  receptor  glucocorticoides (GR o receptor tipo II), ampliamente distribuido, y el receptor mineralocorticoide (MR), de distribución más restringida, ejercen sus efectos predominantemente a través de la unión al ADN o mediante una señal rápida no genómica. El GR es el principal receptor de los GC, mientras que el MR  funciona como GR en un restringido grupo de tejidos o bajo ciertas condiciones patológicas. Aunque el MR tiene alta afinidad intrínseca por los GC endógenos (cortisol en humanos y corticosterona en ratas y ratones), normalmente es específico para el mineralocorticoide aldosterona, en virtud de la actividad  de una enzima, 11β-hidroxiesteroide deshidrogenasa tipo 2 (11β-HSD2) que convierte al cortisol y a la corticosterona en cortisona y 11-dehidrocorticosterona, respectivamente, previniendo la activación inapropiada del MR. La expresión del MR está restringida principalmente a los tejidos blancos de los mineralocorticoides, pero también es expresado  en el corazón sin la co-expresión  de la 11β-HSD2.  Por lo tanto, en el corazón, el MR une ávidamente cortisol/corticosterona. El GR  tiene aproximadamente 10 veces menos afinidad por los GC fisiológicos que el MR y tampoco  une aldosterona.  La acción de los GC mediada por el GR  es esencial para la supervivencia antes del nacimiento.

GR y MR son expresados en el corazón fetal. El GR está presente en el corazón humano a partir de la 12ª semana de gestación. La relación entre la exposición in útero a los GC y la maduración del corazón sigue un patrón  en forma de U invertida, típica de muchas acciones de los glucocorticoides, con un impacto perjudicial sobre el desarrollo cardiovascular con  niveles bajos y excesivos de GC. El tiempo y el nivel  de la exposición  a los GC in vivo son determinantes claves de sus efectos organizacionales en los tejidos. La acción inadecuada de los GC puede tener consecuencias fatales. La activación prematura de las rutas dependientes de GC o los niveles excesivos de GC durante el embarazo pueden causar efectos adversos “programados”

La producción endógena de GC en el feto es finamente regulada e incrementa marcadamente poco tiempo antes del nacimiento coincidiendo con el crecimiento y la maduración del corazón fetal. En los humanos, el corazón fetal está completamente formado aproximadamente a los 40 días de gestación  antes que  el pico de GC  que ocurre pocos días antes del nacimiento. La glándula adrenal fetal  inicia la síntesis de novo de GC durante la segunda mitad del embarazo, alrededor de la 28ª semana, en los humanos. A medida que el embarazo avanza, los niveles de GC en el plasma materno aumentan dramáticamente  como resultado de un incremento en la producción y la vida media prolongada de los GC, aunque la 11β-HSD2 de la placenta restringe el acceso de los GC maternos al feto. Sin embargo, la actividad de la 11β-HSD2  disminuye en la última semana de gestación permitiendo la transferencia de GC maternos  hacia el feto. Estos diferentes efectos se combinan  para causar un pico  en los niveles fetales de GC en la gestación tardía que favorece la acción de los GC sobre la maduración crítica de los pulmones y el corazón.

En la gestación tardía, aunque el corazón ya tiene la configuración anatómica del adulto, continúa  su crecimiento, remodelación y maduración para apoyar el rápido crecimiento fetal y como preparación para la vida después del nacimiento. Tanto la función sistólica como la diastólica mejoran  en la gestación tardía reflejando una mejoría en la contractilidad y la relajación de los cardiomiocitos. Las paredes ventriculares aumentan progresivamente su grosor debido principalmente a  hiperplasia de los cardiomiocitos. Después del nacimiento, el crecimiento hiperplásico  da paso al crecimiento hipertrófico y los cardiomiocitos  se vuelven binucleados y menos esféricos lo que permite un acoplamiento mecánico-eléctrico más eficiente.  A medida que los cardiomiocitos se alinean uno con otros, las fibras musculares  en las capas más externas del miocardio forman los haces espirales de la típica arquitectura  del corazón maduro. Las proteínas contráctiles  se acumulan y pasan de la isoforma fetal  a la adulta  (cadenas ligeras y pesadas de la miosina, por ejemplo) en la medida que crecen la miofibrillas y se alinean paralelas  al eje longitudinal de los cardiomiocitos, adquiriendo más sarcómeras y discos Z bien definidos. Hacia el final del embarazo, el retículo sarcoplásmico experimenta cambios estructurales para facilitar la salida de calcio. Esto es acompañado por marcados cambios  en la expresión y actividad de los canales iónicos en la medida que el corazón madura. En la gestación tardía también ocurre una significativa transformación metabólica en preparación para la adaptación al ambiente extrauterino rico en oxígeno y al incremento en el trabajo hemodinámico después del nacimiento. El número de mitocondrias aumenta en los cardiomiocitos cuando éstos pasan de utilizar carbohidratos (mayormente glucosa) como fuente principal de energía a ácidos grasos,  una fuente de ATP más eficiente. Todos estos cambios morfológicos y funcionales en el corazón fetal que tienen lugar en la gestación tardía incrementan el gasto cardiaco en la medida que el feto crece y se prepara para el aumento del trabajo cardíaco después del nacimiento.

Los factores mecánicos y hormonales, incluyendo los GC, juegan roles importantes en la maduración del corazón, aunque el entendimiento de la contribución de los GC endógenos, particularmente en roedores, puede ser difícil  debido a la compensación entre los ejes hipotálamo-hipófisis-adrenal (HHA) fetal y materno. Más aún, los GC pueden actuar a través de GR o MR en el corazón. Trabajos recientes demuestran que los GC actúan vía GR para promover la maduración del corazón fetal a través de efectos directos e indirectos sobre los cardiomiocitos. En ausencia de  la señal GC en la gestación tardía  el corazón fetal es inmaduro y funciona pobremente. Por otra parte, las acciones extracardiacas de los GC mediadas por GR son también claves en la maduración del corazón en la gestación tardía, posiblemente vía cambios hemodinámicos. El rol que los MR  juegan  en la maduración de la estructura y función del corazón fetal  inducida por los GC  es algo que aún queda  por determinar.

La acción de los GC endógenos ocurre bajo el control del eje HHA. Aunque el eje HHA puede responder a una variedad de estresores en la vida prenatal y neonatal, la magnitud y la cinética de las repuestas son dependientes  de la edad de desarrollo. Dada la importancia  de la señal GR para la maduración  de la función cardiaca poco antes del nacimiento, es plausible que una señal GC insuficiente pueda contribuir  a las complicaciones cardiovasculares comunes. Por otra parte, es bastante conocido que la exposición a niveles excesivos de GC in útero causa efectos a corto plazo como restricción del crecimiento fetal y efectos a largo plazo como un mayor riesgo de enfermedades cardiovasculares en la vida adulta. La restricción nutricional materna, la cual activa prematuramente al eje HHA fetal, también incrementa los niveles fetales de GC y “programa” un mayor riesgo de enfermedad cardiovascular en el adulto.  Estudios in vivo han demostrado, en humanos y modelos animales,  la capacidad de los GC exógenos  para incrementar el tamaño del corazón fetal, lo cual ocurre a pesar de la restricción del crecimiento fetal. En algunos estudios en ratas, el incremento en el tamaño del corazón inducido por GC en la gestación tardía ha sido interpretado como hipertrofia de los cardiomiocitos, sin proliferación. Otros estudios reportan un alto índice proliferativo en corazones sometidos a administración prenatal de GC, sugiriendo a la hiperplasia más que a la hipertrofia como mecanismo del agrandamiento cardiaco inducido por GC.  Más aún, los datos recientes implican a los MR en la hiperplasia de los cardiomiocitos inducida por GC, con los GR ejerciendo efectos anti-apoptosis en la gestación tardía. Entonces, el aumento del tamaño del corazón puede resultar de la estimulación de la proliferación de miocitos mediada por la señal GC  a través de los MR, o puede reflejar efectos indirectos, comúnmente hemodinámicos, mediados por los GR.

El aumento fisiológico de  GC endógenos es importante para la maduración del acoplamiento eléctrico en el corazón fetal y las anormalidades en la expresión de canales de sodio han sido sugeridas como  causa  de muerte súbita en prematuros. Asimismo, en la gestación tardía, los GC aceleran la maduración del metabolismo energético en el corazón fetal. En ratas, la exposición fetal a  dexametasona, antes del aumento normal de GC, incrementa los niveles de ATP en las miofibrillas y los  de piruvato  y lactato en corazón y sangre, respectivamente, lo que sugiere incremento de la glucólisis. Sin embargo, hasta el presente, los estudios no reportan efectos deletéreos  de la terapia prenatal de GC en la presión sanguínea, la frecuencia cardiaca o el rendimiento cardiaco  (sistólico o diastólico) en neonatos, niños, adolescentes o adultos.

En conclusión, los GC son esenciales en los mamíferos para la preparación de la vida después del nacimiento. Los niveles sanguíneos   de GC (cortisol en humanos y corticosterona en ratas y ratones) aumentan dramáticamente  poco tiempo antes del nacimiento. Este hallazgo es utilizado clínicamente  a través de la administración  rutinaria de GC sintéticos a mujeres con riesgo  de parto prematuro para mejorar la supervivencia del neonato. Tanto la exposición insuficiente como excesiva de GC antes del nacimiento pueden alterar la trayectoria  de la maduración del corazón regulada por  GC con potenciales consecuencias a lo largo de la vida.

Fuente: Rog-Zielinska E A,  et al (2014). Glucocorticoids and foetal heart maturation; implications for prematurity and foetal programming. Journal of Molecular Endocrinology 52: R129-R135. 

Regulación endocrina del crecimiento muscular en el feto

El músculo esquelético lleva a cabo  funciones metabólicas importantes: (i) el gasto de energía en reposo varía considerablemente de acuerdo con  la cantidad de masa magra que posee el individuo; (ii) 80% de la captación de glucosa estimulada por la insulina en el organismo tiene lugar en el músculo; (iii) varios músculos secretan productos (mioquinas) que mejoran la sensibilidad a la insulina  y estimulan el consumo de energía en el tejido adiposo. Entonces, la disminución de la  masa muscular  afecta la salud y tiene importantes implicaciones para la calidad de vida porque provoca ganancia excesiva de peso y riesgo de desarrollar resistencia a la insulina y diabetes tipo2.  El crecimiento disminuido de los músculos esqueléticos  en la vida fetal no es compensado completamente  después del nacimiento y los niños que nacen con bajo peso  tienen menor masa muscular en la adultez. En los casos de baja nutrición materna o de insuficiencia placentaria, el crecimiento de los músculos esqueléticos es preferencialmente sacrificado y la masa muscular al momento del nacimiento está reducida. En estas condiciones, el crecimiento postnatal compensatorio favorecerá los depósitos de grasa  y no al desarrollo muscular.  En los humanos, la asociación entre bajo peso al nacer  y masa muscular disminuida  favorece el desarrollo en la vida postnatal de síndrome metabólico y diabetes tipo 2 e incrementa el riesgo de enfermedades cardiovasculares.

Los mioblastos son células mononucleares que tienen la capacidad de proliferar y diferenciarse  en miofibras esqueléticas. En el desarrollo del embrión humano,  adipocitos, fibroblatos y mioblastos se diferencian a partir de una “stem cell” mesenquimal multipotencial. Una vez diferenciados, los mioblastos se clasifican en embrionarios, fetales o adultos. Los mioblastos embrionarios se fusionan para formar las miofibras primarias. Los mioblastos fetales proliferan y se diferencian  en miofibras secundarias que son la mayoría y responden a los nutrientes. La miogénesis secundaria involucra la proliferación  de los mioblstos fetales seguida de la expresión   de factores reguladores de manera secuencial durante el proceso de diferenciación. Los blancos de los factores reguladores son proteínas que  intervienen en el paso de proliferación a diferenciación. Al final de la gestación la miogénesis es casi completa. El crecimiento postnatal del músculo ocurre  principalmente por hipertrofia  de las miofibras. Las células satélites (o mioblastos adultos)  residen entre la lámina basal  y la membrana de la miofibra. Durante la vida fetal tardía y la vida postnatal temprana, el crecimiento de las miofibras está acompañado por la proliferación y fusión  de las células satélites con las miofibras existentes. En respuesta a una carga mecánica extrema, una lesión, inflamación y/o estimulación con hormonas anabólicas, las células satélites pueden proliferar y diferenciarse para crear nuevo músculo. Esto es posible porque las células satélites retienen la plasticidad y la capacidad regenerativa durante la vida postnatal. Sin embargo, esta población de células es vulnerable a la mala nutrición fetal. En ratones, las crías de  madres con restricción nutricional durante el embarazo tienen masa muscular reducida, disminución de 33%  de células precursoras y capacidad regenerativa disminuida en respuesta a la lesión muscular.

La hipertrofia de las miofibras -o el incremento en el diámetro y la longitud- con o sin fusión de las células satélites, ocurre como un incremento neto en el balance entre síntesis y degradación de proteínas. Cuando la síntesis de proteínas  excede a la degradación, el resultado final es la acumulación de proteínas y la hipertrofia de las miofibras. Los nutrientes y los factores de crecimiento son los reguladores primarios  del balance de proteínas y la hipertrofia  de las miofibras. Sin embargo, el estiramiento y la carga del músculo también pueden regular la masa muscular y la síntesis de proteínas, aún durante la vida fetal.   Los nutrientes y los factores de crecimiento coordinan la acumulación de proteínas en el músculo esquelético  a través del blanco de rapamicina de los mamíferos (mTOR), el cual tiene dos complejos: mTORC1 y mTORC2. El complejo mTORC1  funciona como sensor  de factores de crecimiento, aminoácidos, el estatus energético y la disponibilidad de oxígeno para estimular o inhibir el crecimiento celular. En condiciones de suficiencia de nutrientes, los factores de crecimiento como la insulina y el IGF 1 se unen a sus respectivos receptores para estimular al mTORC1. Los aminoácidos  como la leucina pueden estimular al mTORC1 de manera independiente  de la insulina o el IGF1. El mTORC1 activa dos proteínas ribosomales, S6 kinasa y proteína de unión al 4E al tiempo que fosforila al represor del inicio de la traslación con lo cual se libera el factor de iniciación 4E para formar el complejo de inicio de la traslación. En condiciones  de restricción de nutrientes y energía, la tasa de síntesis de proteínas disminuye por la activación del complejo de esclerosis tuberosa y la supresión de la actividad del mTORC1.   En los estados catabólicos como  ayuno,  cáncer o  quemaduras, las rutas proteolíticas son activadas con el propósito de suplir aminoácidos a órganos como el corazón, el hígado y el cerebro.

El crecimiento del músculo esquelético es regulado  por varios factores de crecimiento, incluyendo al IGF1, la insulina, el factor de crecimiento básico (bFGF) y el factor de crecimiento transformante β (TGFβ). Varios estudios en humanos han demostrado que el IGF1  regula la proliferación de los mioblastos y la hipertrofia de las miofibras. En los miotubos diferenciados, el IGF1 promueve la síntesis de proteínas. Las mutaciones en los genes IGF1 e IGF1R causan restricción del crecimiento postnatal. Por otra parte, el exceso de IGF1 resulta en incremento de la masa muscular e hipertrofia en la vida postnatal. La insulina también funciona  como un potente factor de crecimiento del músculo esquelético fetal. La carencia de insulina es la causa de la restricción del crecimiento en los casos de agenesia pancreática en humanos. La insulina estimula la síntesis de proteínas específicas del músculo al tiempo que suprime su degradación. Los otros factores de crecimiento, bFGF y TGFβ, incrementan los niveles de ciclina D1 en los mioblastos, lo cual  estimula su proliferación  y la miogénesis. La miostatina, un miembro  de la familia TGFβ, es un potente inhibidor de la miogénesis. Los ratones que carecen de miostatina tienen mayor masa muscular que los ratones normales. Estos animales exhiben menos resistencia a la insulina y depósitos de grasa, lo que demuestra el importante papel del músculo en la regulación del tejido adiposo y la sensibilidad a la insulina.  La folistatina es un inhibidor de la miostatina y trabaja  a través  de la activación del IGF1R. Los ratones que sobre expresan folistatina tiene el diámetro de las miofibras tres veces mayor que los ratones que sobre expresan folistatina pero con IGF1R no funcional. Los aminoácidos son esenciales para la síntesis  de proteínas musculares. Adicionalmente, los aminoácidos tienen importantes efectos reguladores sobre la activación del mTORC1. Los aminoácidos incrementan la síntesis de proteínas del músculo  en adultos normales, tanto en condiciones postprandiales como durante estados catabólicos como trauma y sepsis. Los estudios sobre los efectos de los aminoácidos sobre el músculo esquelético durante la vida fetal son escasos. En un estudio reciente se demuestra que la infusión de una mezcla de aminoácidos activa al mTORC1 en músculo esquelético de feto de carnero pero solamente con una elevada concentración de insulina concurrente. 

Los estudios en ratones han demostrado que el número de miofibras es estable alrededor del nacimiento. Patrones de crecimiento similares han sido observados en los humanos, el contenido de ADN en el gastronemio incrementa exponencialmente entre las semanas 15 y 25 de gestación y alcanza un “plateau” al término del embarazo. Entonces, las condiciones que privan al feto de nutrientes y factores de crecimiento durante la formación de las miofibras pueden tener un gran impacto sobre el número de éstas. Los estudios  de la restricción de nutrientes durante el embarazo en una variedad de modelos de animales han demostrado efectos dramáticos sobre el número de miofibras en el feto, siendo las miofibras secundarias más vulnerables  a la restricción de nutrientes que las miofibras primarias. Los mecanismos para la disminución del número de fibras musculares en la desnutrición fetal son desconocidos, aunque hay evidencia de una supresión del ciclo celular en los mioblastos fetales. Los estudios  de los efectos de la restricción dietética en la madre sobre la hipertrofia  de las miofibras fetales son más limitado. Unos pocos estudios indican disminución de proteínas e hipertrofia de las miofibras  como resultado de la desnutrición fetal pero con una incompleta capacidad para compensar el crecimiento muscular durante la vida postnatal. Por otra parte, la insuficiencia placentaria es una condición que restringe el aporte de nutrientes al feto, si la insuficiencia placentaria comienza tempranamente en el embarazo, el crecimiento del músculo esquelético fetal  es particularmente vulnerable porque la sangre, el oxígeno y los nutrientes son desviados preferencialmente hacia los órganos vitales.

En suma: en  condiciones de desnutrición fetal ya sea por restricción dietética de la madre o por insuficiencia placentaria, tanto el aporte de nutrientes (aminoácidos, glucosa y oxígeno) como  de   factores de crecimiento (insulina e IGF1) circulantes estarán  restringidos para el feto.  La combinación de disminución en el aporte de nutrientes y de factores de crecimiento  producirá disminuciones en las tasas de proliferación de  mioblastos y de la  hipertrofia de  miofibras, las cuales llevarán a una reducción en la masa de músculo esquelético fetal. La cantidad de masa muscular tiene un gran impacto sobre los depósitos de grasa, la sensibilidad a la insulina, la fuerza y la locomoción. Diversos estudios han demostrado las interacciones entre masa muscular, masa grasa y distribución de la grasa (visceral vs subcutánea) y apoyan el concepto de que una reducida capacidad del músculo para crecer favorece y acelera los depósitos de grasa y la obesidad. Estos hallazgos implican a las deficiencias estructurales y funcionales en el músculo como factores que contribuyen a un mayor riesgo de desarrollo de enfermedades metabólicas y cardiovasculares en la vida postnatal.

Fuente: Brown LD (2014). Endocrine regulation of fetal skeletal muscle growth: impact on future metabolic health. Journal of Endocrinology 221: R13-R29. 

Acción de la hormona de crecimiento sobre la función del músculo esquelético

Los músculos esqueléticos son tejidos contráctiles especializados, con un importante papel en el metabolismo energético y además controlan la postura y la actividad  física. Su función depende de la composición  y la fuerza  de las fibras musculares, las cuales requieren energía para manejar y sostener el trabajo contráctil. La función del músculo  es regulada por muchos factores incluyendo genes, nutrición, estilo de vida y hormonas. Entre las hormonas con efectos importantes en el crecimiento y la función  del músculo esquelético están la hormona de crecimiento (HC), las hormonas tiroideas, la testosterona y los glucocorticoides. La función del músculo generalmente  es abordada como fuerza y potencia. La fuerza depende  del tamaño del músculo, y de los tipos y la calidad de las proteínas contráctiles. La potencia del músculo es una medida del trabajo desarrollado por unidad de tiempo y es expresada en joules por segundo o watts. La energía requerida para el trabajo muscular proviene de depósitos preformados o puede ser generada a partir del metabolismo, anaeróbico o aeróbico, de sustratos. La potencia del músculo  depende de la disponibilidad –o tipo- de energía.

La HC regula el anabolismo proteico a través de mecanismos endocrinos y paracrinos. De acuerdo con la hipótesis somatomedina, la acción anabólica de la HC es mediada por el factor de crecimiento insulinosimil1 (IGF1) circulante, el cual deriva principalmente del hígado. Sin embargo, se reconoce que  el IGF1  producido localmente bajo estimulación de la HC en los tejidos también interviene en algunas de las acciones de la HC promotoras del crecimiento. La magnitud de la contribución  del IGF1, circulante y local,  en el crecimiento tisular  es aun un tema controversial. Los estudios en humanos con IGF1 recombinante  señalan   que el IGF1 circulante tiene acciones   anabólicas. El IGF1  aumenta el anabolismo proteico  reduciendo la tasa de proteólisis, una acción similar a la de la insulina.  Cuando el IGF1 es infundido en ratas  se produce una reducción  en la degradación –sin cambios en la síntesis- de proteínas. Entonces, los efectos anabólicos del IGF1 sistémico son similares a los de la insulina y diferentes a los de la HC, la cual regula el metabolismo de aminoácidos a partir  de rutas de síntesis. Estas observaciones indican que los efectos  de la HC sobre los flujos de aminoácidos son mediados por mecanismos adicionales a los del IGF1.

El músculo esquelético está compuesto por fibras que contienen proteínas con distintas propiedades. La actina y la miosina son proteínas funcionales responsables de la función contráctil  del músculo, mientras que la  tropomiosina y la troponina  son proteínas estructurales que mantienen  a las proteínas contráctiles alineadas y proporcionan a las fibras musculares elasticidad y extensibilidad. La miosina tiene dos cadenas pesadas  y cuatro cadenas ligeras.  Las fibras musculares se clasifican según las isoformas  de la cadena pesada de miosina en dos tipos: las fibras tipo I, también conocidas como fibras de sacudida lenta y las fibras tipo II, también conocidas como fibras de sacudida rápida. Las fibras tipo I contienen  abundantes mitocondrias,  utilizan rutas aeróbicas u oxidativas para la producción de energía y determinan la capacidad de  resistencia del músculo. Por el contrario, las fibras tipo II, debido a su bajo contenido de mitocondrias, generan energía  a partir de rutas anaeróbicas o glucolíticas, desarrollan  una alta fuerza contráctil pero se fatigan fácilmente.  Varios factores determinan la distribución de los tipos de fibras en el musculo esquelético. Estos factores  incluyen la edad, el ejercicio, el uso funcional, la inervación y las hormonas. Por ejemplo, el envejecimiento está asociado con una reducción de fibras tipo II mientras que el exceso de hormonas tiroideas produce una reducción de fibras tipo I.

La función contráctil del músculo esquelético requiere de un aporte constante  de energía química.  Durante la contracción  muscular, la energía química  es convertida en energía mecánica para permitir el movimiento. En los humanos, la energía química está disponible en forma de ATP, el cual es generado  por dos sistemas de energía: anaeróbico y aeróbico.  En el sistema anaeróbico el ATP es producido  en la glucolisis o preformado como fosfocreatina. El sistema aeróbico genera ATP  a partir de la oxidación  de combustibles metabólicos  como carbohidratos, lípidos y proteínas. En el citoplasma de la célula muscular, la glucolisis genera piruvato, el cual en ausencia de oxigeno  es reducido a lactato que pasa a la circulación y es convertido  en glucosa en el hígado.   En los tejidos con un adecuado aporte de oxigeno, el piruvato y los ácidos grasos son convertidos  en acetil CoA en las mitocondrias. La acetil CoA, vía ciclo de Krebs y cadena respiratoria, produce ATP. La cantidad de ATP preformado presente en las células musculares es suficiente para sostener la actividad física solamente  durante 5-10 segundos; la glucolisis anaeróbica proporciona energía para otros 30-40 segundos y el metabolismo aeróbico proporciona la energía para sostener la actividad prolongada. La síntesis de energía a partir de la utilización de sustratos  durante el ejercicio  es regulada por factores nutricionales, genéticos, hormonales y también por el entrenamiento físico. La HC puede aumentar la función del músculo a través del incremento en la disponibilidad de ácidos grasos y piruvato como combustibles metabólicos para la producción de energía. La HC estimula la lipolisis durante la condición de reposo y en el ejercicio, lo cual produce un incremento  en los niveles plasmáticos de ácidos grasos. La HC también incrementa la concentración plasmática de glucosa por varios mecanismos incluyendo el aumento de la glucogenolisis.

Es bien conocido que la HC estimula la oxidación de los lípidos y reduce la utilización de carbohidratos en el organismo. Dado que el tejido  muscular comprende casi el 50% de la masa corporal magra, tradicionalmente se asume que un incremento en la oxidación de los lípidos en el cuerpo entero  es un reflejo  de la acción de la HC sobre el músculo esquelético. Sin embargo, estudios en roedores  y humanos sugieren que la acción de la HC es bastante tejido-específica. Estudios recientes reportan que la HC inhibe la expresión de los genes involucrados en la oxidación de lípidos en el músculo esquelético de la rata. Estos hallazgos sugieren que la HC inhibe el metabolismo oxidativo de sustratos y puede favorecer rutas no oxidativas (anaeróbicas) para la síntesis de ATP en el músculo esquelético. Esto es apoyado por un estudio en ciclistas entrenados, en el cual el uso de HC, en comparación con placebo,   incrementó  los niveles plasmáticos de lactato durante el ejercicio moderado o intenso. En suma: los efectos de la HC sobre el metabolismo de sustratos son tejido-específicos. La evidencia reciente sugiere que la HC promueve el metabolismo no oxidativo o anaeróbico para la síntesis de ATP en el músculo esquelético, hallazgos contrarios a sus efectos sobre el metabolismo a nivel de cuerpo entero.

La potencia muscular es descrita en términos  de potencia aeróbica  y potencia anaeróbica, dependiendo de la fuente de energía predominantemente utilizada para hacer el trabajo. Por lo tanto, la potencia muscular puede ser medida como la capacidad de ejercicio aeróbica o anaeróbica. La capacidad aeróbica es una medida de resistencia, es decir, de la capacidad del musculo para sostener el trabajo durante períodos prolongados con energía proporcionada principalmente  por la oxidación de carbohidratos o lípidos en las mitocondrias. En el mundo atlético, determina el rendimiento en deportes como maratón, futbol, tenis, etc, mientras que en la vida diaria se refiere a actividades como el caminar. Los estudios en sujetos con deficiencia de HC han proporcionado evidencia que la HC es un regulador positivo  de la capacidad aeróbica de ejercicio. Los mecanismos responsables del mejoramiento del rendimiento aeróbico durante el reemplazo de HC son multifactoriales. El aporte de oxígeno para los músculos en ejercicio depende de la función cardiaca, la capacidad pulmonar y la capacidad de transportar oxigeno de la sangre. En adultos con deficiencia de HC, la terapia de reemplazo incrementa (i) el gasto cardiaco a través del aumento de la frecuencia cardiaca y del volumen latido; (ii) la capacidad pulmonar mediante el incremento de la fuerza de los músculos respiratorios y los volúmenes pulmonares; y (iii) la masa de eritrocitos que determina la capacidad de la sangre para transportar oxígeno. Estos estudios también demostraron que la HC no aumenta la capacidad aeróbica de ejercicio en adultos sanos. En resumen, la HC aumenta  la capacidad aeróbica de ejercicio en sujetos con deficiencia de HC, pero no en sujetos sanos. Este aumento puede ser explicado por efectos de la HC sobre la masa muscular, la función cardiorespiratoria y los parámetros hematológicos.

La capacidad anaeróbica de ejercicio es definida como la cantidad total de trabajo durante un ejercicio  extenuante de corta duración. Este trabajo es ejecutado por fibras musculares tipo II y la principal fuente de energía es el ATP anaeróbico.  Las actividades deportivas que involucran actividad física de alta intensidad y de corta duración incluyen la gimnasia, el baseball y el “sprinting”. El sistema de energía anaeróbico proporciona la energía para el inicio  de todas las actividades biológicas, incluyendo actividades de la vida diaria. La HC estimula la producción de ATP en la glucólisis, lo cual incrementa la capacidad anaeróbica de ejercicio en el músculo esquelético. Por lo tanto, el hallazgo de que la HC puede regular el sistema anaeróbico  de energía tiene potenciales implicaciones terapéuticas no solo  en la población deficiente de HC sino también para acelerar la rehabilitación física.

La fuerza de un músculo es determinada por fibras tipo II y requiere ATP preformado para energía. Es significativamente reducida en adultos con deficiencia de HC por disminución de la masa muscular más que por disminución de la función contráctil. Los estudios sobre los efectos del reemplazo de HC sobre la fuerza muscular han proporcionado resultados contradictorios.  Algunos estudios reportan que la fuerza muscular no cambia significativamente después de cuatro meses de tratamiento. Otros estudios reportan  mejoría significativa  después de 12 meses de tratamiento. Los estudios que reportan incremento de la fuerza muscular también reportan incremento en la masa muscular después de un tratamiento de larga duración. En resumen, la evidencia acumulada indica que la HC incrementa la fuerza muscular  a través del incremento de la masa muscular.

En los estudios de la HC y la fuerza muscular está implícito  el rol mediador del IGF1, el cual estimula la proliferación y la diferenciación  de las células satélites en mioblatos y la formación de nuevas miofibras. Los ratones con deficiencia de IGF1 exhiben  hipoplasia muscular, mientras que la sobre expresión de IGF1 produce hipertrofia muscular y aceleración de la regeneración después de la atrofia por desuso. Estos estudios indican que las acciones de la HC sobre el crecimiento y la fuerza del músculo son mediadas vía IGF1.

En conclusión, la HC es una hormona anabólica que regula positivamente la función del músculo. La función contráctil del músculo esquelético depende del tamaño muscular, los tipos de fibras y la disponibilidad de energía. Los músculos utilizan diferentes formas de energía para llevar a cabo una función específica. La HC regula la bioenergética del músculo que aumenta el rendimiento anaeróbico. La HC incrementa la fuerza muscular  en adultos con deficiencia de HC  a través del aumento de la masa muscular, un efecto que es mediado por el IGF1. Esta acción de la HC no afecta la fuerza contráctil ni la composición de fibras del  músculo.  La terapia con HC de corta duración  no aumenta la fuerza muscular en adultos sanos.  Al presente, no hay evidencia que apoye un rol de la HC en el aumento de la función contráctil del músculo esquelético.

Fuente: Chilcani V y Ho K (2014). Action of GH on skeletal muscle function: molecular and metabolic mechanisms. Journal of Molecular Endocrinology 52: R107-R121.