Mioquinas y adipoquinas

Uno de los mayores avances en la investigación de la obesidad  en las últimas décadas   es el descubrimiento que el tejido adiposo, especialmente el tejido adiposo blanco (WAT), actúa como un órgano endocrino y modula el metabolismo  de otros órganos.  La investigación in vivo e in vitro  ha explorado la capacidad  de las células adiposas  para producir citoquinas. El concepto de adipocitos como  células secretoras que liberan “adipoquinas” ha recibido mucha atención debido al desarrollo de un concepto paralelo en el músculo esquelético que lo identifica como un órgano que produce “mioquinas”. Desafortunadamente, muy pocos estudios han considerado la interrelación entre músculo esquelético y tejido adiposo, aunque  algunos estudios  indican una relación directa entre la masa o actividad  del músculo esquelético  y la masa de tejido adiposo. Múltiples determinantes juegan un rol clave  en este complejo proceso.

El músculo esquelético  es un tejido metabólico responsable  de  aproximadamente 85%  de  la  captación de glucosa estimulada por insulina  vía transporte mediado por transportadores de glucosa tipo 4 (GLUT4) y el metabolismo de lípidos. Hace más de una década se demostró que el músculo esquelético humano  libera cantidades significativas  de interleuquina 6 (IL-6) a la circulación durante el ejercicio prolongado. La identificación del músculo  como un órgano que produce mioquinas proporcionó la base conceptual para explicar cómo los músculos se comunican con otros órganos.  En los diferentes estadios del desarrollo las células musculares secretan diferentes tipos y cantidades de mioquinas. Durante la proliferación, los miocitos tienden a secretar mioquinas que suprimen la neurogénesis  y la adipogénesis y durante la diferenciación, los miocitos liberan  mioquinas que promueven específicamente la formación de miotubos, la vascularización y la neurogénesis. 

El tejido adiposo funciona no solo  como un órgano de reserva de energía sino también como un órgano endocrino que secreta adipoquinas involucradas en el mantenimiento de la homeostasis. El tejido adiposo incluye  dos fracciones: adipocitos maduros y la fracción vascular estromal (FVE). La FVE incluye  preadipocitos y exhibe numerosas características fenotípicas con macrófagos pro-inflamatorios, incluyendo la capacidad para  secretar factores como IL-6, factor de necrosis tumoral α (TNF-α) y proteína quimiotáctica de monocitos-1 (MCP-1). Los adipocitos en el tejido adiposo secretan  una gran variedad de factores, considerados adipoquinas, similares a las mioquinas  liberadas por el músculo esquelético. Sin embargo, no está claro si este concepto  puede ser aplicado a otras formas  de adipocitos, como el tejido adiposo marrón y el tejido adiposo beige. Aunque los adipocitos marrones secretan proteínas especificas, la extensión  del perfil de proteínas secretadas por adipocitos marrones y beige, no es muy claro. El amplio espectro de moléculas secretadas por los adipocitos  indica que el tejido adiposo es muy importante  para la regulación de la homeostasis energética.

Hay múltiples sitios  de tejido adiposo en el organismo y los músculos esqueléticos tienen las características  requeridas para secretar citoquinas  que tienen funciones endocrinas o paracrinas. Dado que el tejido adiposo está adyacente al músculo, puede inducir diferentes rutas de señalización. Por lo tanto, la localización juega un rol clave en las interacciones fisiológicas  entre el tejido adiposo y el músculo cercano, dependiendo si es grasa subcutánea, intermuscular  o intramuscular. El músculo esquelético también se localiza en diferentes áreas y tiene varios  tipos de fibras incluyendo tipo I y tipo II. La interacción  entre células  miogénicas y adipocitos puede jugar un rol  significativo en la tasa y extensión  de la miogénesis, la adipogénesis, el recambio de proteínas  y la lipogénesis/lipólisis.  Las mioquinas y las adipoquinas  secretadas por los correspondientes tejidos tienen un importante efecto en la modulación  de la composición del cuerpo y en la producción de músculo.  Las mioquinas han sido menos exploradas que las adipoquinas.  Los primeros estudios sobre citoquinas secretadas por los miocitos  identificaron  a las interleuquinas IL-6, Il-6 e Il-15. El miembro de esta familia mejor descrito es IL-6. Sin embargo, en años recientes, se han identificado otras mioquinas, incluyendo irisina y mionectina. Estos estudios han revelado los potenciales roles de las mioquinas  en el control fisiológico y la modulación  de la salud humana.

La miostatina pertenece  a la familia  del factor de crecimiento transformante β y es  la primera mioquina conocida  involucrada  en la supresión de la activación de células satélites y la proliferación de mioblastos.  Más aún, la miostatina induce cambios en los tipos de fibras musculares, inhibe la expresión de la miosina de cadena pesada rápida, y facilita la expresión de la isoforma lenta, durante la diferenciación miogénica y regula la disposición de glucosa.  La  expresión de los genes de miostatina y sus proteínas de unión asociadas  puede ser modulada en músculo esquelético y tejido adiposo de ratones obesos, lo que sugiere  que las alteraciones en su expresión   puede contribuir a cambios  en el crecimiento y el metabolismo  de tejidos grasos y no grasos  durante la obesidad.  La pérdida de función de la miostatina  en humanos o la ausencia de miostatina en ratones Mstn^-1-  provoca una notable duplicación de masa muscular e indirectamente  la  marronización del WAT.  Más aún, los ratones Mstn^-1- exhiben un dramático incremento  en la sensibilidad a la insulina y la captación de glucosa y una reducción en la masa de tejido adiposo, lo cual puede ser un resultado indirecto de los cambios metabólicos en el músculo esquelético.  La miostatina también induce atrofia muscular a través de la inhibición  de la proliferación  de mioblastos y la regulación hacia abajo de la ruta factor de crecimiento similar a insulina 1 (IGF-1)/proteína quinasa B y el incremento de la actividad ubiquitina-proteasomal. Entonces, en respuesta a la actividad de la miostatina, ocurre un nivel basal de autofagia para balancear el metabolismo del músculo esquelético.

La Il-8 pertenece a la familia de quimioquinas cisteína-X-cisteína.  El ejercicio induce un marcado incremento en la expresión de IL-8 en las fibras musculares sin cambios en la concentración plasmática de la proteína, lo que indica que la IL-8 derivada del músculo probablemente juega un rol local.  Los niveles elevados de la IL-8 secretada constituyen una propiedad intrínseca del músculo esquelético en la diabetes tipo 2, creando un microambiente que limita la disposición de glucosa. El tejido adiposo es otro órgano generador de IL-8. El tejido adiposo visceral libera mayores  cantidades de IL-8 que el tejido adiposo subcutáneo. Los altos niveles de IL-8 liberados por el tejido adiposo y la acumulación de este tejido contribuyen en el  incremento de los niveles circulantes  de IL-8 en los sujetos obesos. Por otra parte, la ruta de señalización  AMPK está involucrada  en la producción de IL-8, la AMPK reduce la secreción de IL-8 en células de músculo esquelético y tejido adiposo de humanos.

La IL-15  es expresada constitutivamente  por el músculo esquelético y es modulada por el ejercicio. Ejerce un efecto anabólico, disminuye la degradación de proteínas (pero no incrementa la síntesis de proteína) y reduce la masa de tejido adiposo, lo que sugiere que la IL-15  juega un rol clave en la interacción músculo-grasa.  La IL-15 también regula el metabolismo de  músculos esqueléticos oxidativos y por consiguiente modula la composición del cuerpo  y la sensibilidad a la insulina. Más aún, el tratamiento con IL-15 incrementa la actividad mitocondrial y la masa de tejido adiposo. Estos hallazgos indican que la Il-15 está relacionada con alteraciones de la función mitocondrial  en miocitos y adipocitos y juega un rol clave en la relación entre músculo esquelético y tejido adiposo.

El factor de crecimiento fibroblástico 21 (FGF21), es miembro de la familia  de los FGF y tiene un efecto directo  sobre la captación de glucosa en el músculo esquelético. El FGF21 incrementa la captación de glucosa basal y estimulada por insulina  en los miotubos. La deficiencia de cadena respiratoria mitocondrial  dispara una respuesta compensatoria  en el músculo esquelético  a través de un incremento  en la expresión de FGF21 que resulta en un aumento de la función mitocondrial  a través de la ruta  dependiente de PGC-1α. Más aún, el FGF21 tiene muchas similitudes funcionales con la adiponectina, la cual  regula hacia abajo al FGF21 y controla la glucosa sistémica  y la homeostasis  de lípidos  en músculo esquelético e hígado de una manera endocrina.  El FGF21  es un importante regulador endógeno del metabolismo de lípidos, inhibe la lipólisis durante el ayuno.  El aumento en la secreción de FGF21 por el músculo  está asociado con disturbios de la función mitocondrial.  El FGF21 también tiene efectos endocrinos, provoca la marronización del WAT, regulando hacia arriba la expresión de las proteínas UCP1 y PGC-1α.

En el año 2012 se identificó  un nuevo péptido  secretado por el tejido muscular, FNDC5/irisina.  La FNDC5 es sintetizada como una proteína transmembrana tipo 1 y su forma soluble, irisina,  es liberada en la circulación durante un proceso proteolítico. Se especula que la actividad y/o expresión de la FNDC5 puede ser mediada por un receptor de la superficie celular pero la identidad de tal receptor aun no es conocida. La irisina actúa sobre el músculo  esquelético incrementando el gasto de energía y el metabolismo oxidativo a través de la inducción  de genes metabólicos  asociados  con la regulación de la energética celular.   En los miocitos humanos, la expresión del ARNm de FNDC5 y la secreción de irisina, así como la expresión de PGC-1α y genes miogénicos aumentan durante la diferenciación miogénica,  en adición a la ruta de la quinasa regulada por señal extracelular (ERK). Más aún, la irisina induce  la captación de glucosa  a través de la ruta AMPK acompañada por la translocación de transportadores GLUT en células de músculo esquelético  diferenciadas.  En sujetos  obesos, la expresión de FNDC5 en músculo esquelético  y los niveles circulantes de irisina  se encuentran disminuidos  y están relacionados con la sensibilidad a la insulina. La irisina mejora la homeostasis de la glucosa con la regulación hacia arriba  de la UCP1 y la activación  de las rutas de señalización  p38MAPK y ERK, lo que incrementa el gasto de energía en el adipocito y modula la expresión de enzimas e intermediarios metabólicos. Esto inhibe la acumulación de lípidos y reduce el peso corporal en ratones, lo que sugiere que la irisina potencialmente previene la obesidad y la diabetes tipo 2 asociada con la obesidad. La irisina también promueve la expresión d ela proteína UCP2 en adipocitos y una mayor densidad de mitocondrias, una característica  de los adipocitos marrones.  Estos hallazgos demuestran que la FNDC5/irisina es una mioquina  involucrada en el mejoramiento del metabolismo del adipocito.  Sin embargo,  varias preguntas aun no tienen respuesta definitiva, incluyendo (1) la identificación del receptor de irisina; (2) la dilucidación  de la ruta molecular  que modula la separación  de la irisina de la proteína FNDC5 y (3) la identificación de otras funciones  de la irisina  en base a su efecto sobre el metabolismo energético en músculo esquelético y tejido adiposo.

La mionectina es una mioquina recientemente identificada expresada principalmente en  músculo esquelético. La mionectina es un regulador de nutrientes (carbohidratos o lípidos) secretado por el músculo esquelético en respuesta a los cambios  en el estado energético  celular  que resultan de los flujos de glucosa o ácidos grasos.  En adipocitos y hepatocitos, la mionectina promueve la captación de ácidos grasos regulando la expresión de genes involucrados  en la captación de lípidos como la translocasa de ácidos grasos (FAT/CD36), la proteína transportadora de ácidos grasos 1(FATP1) y las proteínas ligadoras de ácidos grasos 1 y 4 (FABP1, FABP4). La expresión de mionectina puede ser regulada diferencialmente dependiendo del tipo de fibra muscular. Predominantemente las fibras oxidativas  de sacudida lenta tienden a tener  mayores niveles  de expresión  de mionectina que las fibras glucolíticas de sacudida rápida.  El ejercicio  y los nutrientes son estimuladores primarios de la expresión de mionectina.  Entonces, la mionectina puede responder a un  flujo de nutrientes en un tejido promoviendo la captación y almacenamiento de nutrientes.

El tejido adiposo no es solamente  una reserva  de energía  que proporciona  ácidos grasos libres a los diferentes tejidos, sino también un órgano endocrino con funciones autocrinas y paracrinas  debido a la secreción de adipoquinas  como leptina y adiponectina. Los diferentes depósitos de grasa  (subcutáneos o viscerales) son heterogéneos no solo en términos de capacidad metabólica sino también en el patrón de secreción de adipoquinas.  El termino adipoquina es usado para describir  todas las proteínas  secretadas por cualquier tipo de adipocito  y que juegan un rol central  en la homeostasis de energía y la inmunidad. La leptina, la primera adipoquina identificada, es una hormona producida  principalmente por el WAT así como también por  otros tejidos y células incluyendo al tejido adiposo marrón. Hay una asociación  entre leptina  y volumen del adipocito y los adipocitos subcutáneos  son más grandes que los adipocitos del epiplón. El músculo esquelético también libera leptina, pero el patrón de liberación  es diferente del  de tejido adiposo subcutáneo.  La leptina y el aminoácido  de cadena ramificada  leucina  regulan sinérgicamente  el metabolismo de proteínas en el músculo esquelético.  La producción de leptina es modulada por nutrientes, incluyendo varios aminoácidos.  Las rutas MEK-ERK en el hipotálamo  ventromedial  juegan un rol importante en la captación de glucosa inducida por leptina  en los músculos rojos y la utilización de glucosa en el cuerpo.  Esto es importante en el mecanismo  de los efectos antidiabéticos  de la leptina en humanos y roedores.

La adiponectina, identificada inicialmente como un factor secretado por el WAT y posteriormente por el tejido adiposo marrón, juega un rol critico en la homeostasis energética y la ruta de señalización de la insulina. Sus acciones son moduladas a través de la unión a receptores, especialmente el receptor de adiponectina 1. La localización de los depósitos adiposos influye diferencialmente en las concentraciones circulantes de adiponectina, las cuales  están positivamente asociadas  con la grasa de las extremidades inferiores y negativamente correlacionadas  con la grasa del tronco. La AMPK  es la proteína  que desencadena la cascada de señalización de la adiponectina y su activación  juega un rol crítico  en los efectos de la adiponectina  sobre la oxidación de ácidos grasos en el músculo esquelético. La adiponectina  regula la biogénesis  mitocondrial y mejora  el metabolismo de lípidos  en el músculo esquelético  a través de dos rutas: (1) mecanismos  dependientes de AMPK/SIRT1/PGC-1α; (2) ruta de señalización  p38MAPK/PGC-1α.  Adicionalmente, un estudio reciente indica que la adiponectina induce autofagia y reduce el estrés oxidativo, especialmente en condiciones patológicas.

En células de músculo esquelético, la incubación crónica con resistina  disminuye la captación y el metabolismo de ácidos grasos  a través de un mecanismo que involucra contenido reducido de FAT/CD36, expresión de FATP1 y fosforilación  de AMPK y acetil-CoA carboxilasa (ACC). La resistina también reduce la captación de glucosa  estimulada por insulina, la oxidación de glucosa y la síntesis de glucógeno mediante la alteración de la función de las proteínas sustrato  del receptor de insulina 1 (IRS1) y Akt1 y la disminución de la translocación de GLUT4. Estas observaciones sugieren un potencial rol de la resistina en la obesidad y en el deterioro de la homeostasis  de la glucosa. En el tejido adiposo visceral de humanos, la resistina estimula la lipólisis  a través de las rutas de señalización  PKA y ERK y promueve la salida de ácidos grasos  y glicerol de los adipocitos al plasma.

La quemerina es expresada  en sus mayores niveles  en WAT e hígado. La incubación con quemerina promueve la proliferación -y suprime la diferenciación-  de células musculares  a través de las rutas de señalización ERK1/2 y mTOR.  La quemerina induce resistencia a la insulina en adipocitos y células musculares. La acumulación de grasa visceral abdominal, la presión arterial alta y el perfil anormal de lípidos  están significativamente asociados con las concentraciones plasmáticas de quemerina. La expresión de quemerina, su receptor CMKLR1 y el receptor acoplado a proteína G 1 están alterados  en WAT y músculo esquelético en modelos de ratones obeso/diabéticos, lo que sugiere que la quemerina influye en la homeostasis de la glucosa y puede contribuir a las alteraciones metabólicas  que caracterizan a la obesidad y la diabetes tipo 2.

La visfatina y la leptina tienen un rol coordinado  en varias funciones. Los efectos de la leptina pueden ser parcialmente  mediados por la visfatina. La producción d evisfatin es incremenatda  por la leptina  en el tejido adiposo  a través de las rutas MAPK y PI3K. La visfatina estimula  la captación de glucosa  en células musculares  a través de la fosforilación  mediada por Ca²⁺ de la AMPKα2. Los resultados de un estudio reciente indican la visfatina es producida  en mayores niveles en músculo esquelético  que en tejido adiposo visceral; por lo tanto, la visfatina puede funcionar como una mioquina que afecta el crecimiento y metabolismo del músculo esquelético. 

El MCP-1 es expresado por adipocitos y otros tipos de células. El nivel basal de MCP-1 en tejido adiposo es significativamente mayor en ratones ob/ob que en ratones delgados. La insulina  incrementa la expresión  y secreción  de MCP-1 en adipocitos de ratón. El MCP-1 reduce la captación de glucosa  estimulada por insulina en los miocitos, aun en concentraciones por debajo de las circulantes,  acompañada por la activación  de la ruta ERK1/2.  Entonces, el MCP-1  abre una nueva e importante  ventana en la modulación del metabolismo del adipocito y la sensibilidad a la insulina.

Los estudios recientes revelan  que hay una considerable superposición  entre mioquinas y adipoquinas. Varias citoquinas (llamadas “adipo-mioquinas”) secretadas por células de músculo esquelético  son también secretadas por adipocitos.  Los miembros de esta familia mejor descritos son la IL-6 y el TNF-α. La IL-6 es una citoquina producida por múltiples tejidos en el cuerpo, incluyendo músculo esquelético, tejido adiposo y células inmunes. La mioquina IL-6 es de importancia critica para el  rendimiento del músculo durante la contracción, mientras la adipoquina IL-6, en niveles crónicamente elevados,  puede inducir resistencia a la insulina en el músculo.  La IL-6 ejerce su efecto biológico a través de la unión al receptor de IL-6 y la activación de  la ruta de señalización Janus quinasa-transductor de señal  y activador de transcripción (JaK/STAT). El rol  de la IL-6 en los sistemas vivos es ambiguo o contradictorio debido a su efecto dual, pues algunas veces funciona como citoquina pro-inflamatoria y otras veces  como factor anti-inflamatorio, dependiendo del ambiente (célula muscular o célula inmune). La IL-6 trabaja como un sensor de energía y ejerce efectos beneficiosos sobre el metabolismo. Cuando el contenido de glucógeno muscular es bajo, el nivel de expresión del gen IL-6 y la liberación de la proteína Il-6 aumentan, lo que indica  que la IL-6 está involucrada  en una ruta sensora de energía.  Una vez liberada por las fibras  musculares tipo I y II, la IL-6 actúa  de manera endocrina a través del receptor gp130Rβ/IL-6Rα, causando la activación  de las rutas AMPK y/o PI3K e incrementando la captación  de glucosa y la oxidación de ácidos grasos. La expresión de IL-6  es más prominente  en las fibras musculares tipo I, mientras las fibras tipo II únicamente  expresan TNF-α.  La especificidad  de  expresión de Ias adipo-mioquinas  en diferentes tipos de fibras musculares demuestra que hay factores que juegan roles reguladores específicos  en la fisiología normal del músculo y aumentan sus efecto endocrino  en el músculo.  Sin embargo, el modo de acción exacto de la IL-6  en adipocitos  no está claro. Una alta concentración local de IL-6 incrementa la lipólisis y la oxidación de ácidos grasos a través de la activación de la ruta de señalización  AMPK y modula la producción de leptina en el tejido adiposo humano.  La IL-6 del músculo esquelético puede afectar la masa de WAT a través de la regulación  de la capacidad de captación  de glucosa así como factores lipogénicos  y lipolíticos.

El factor de necrosis tumoral-α (TNF-α) es secretado por adipocitos y está relacionado con el desarrollo de la resistencia a la insulina en el tejido adiposo. El TNF-α también es secretado por otros tipos de células incluyendo músculo esquelético. En el músculo esquelético, el TNF-α inhibe la diferenciación de mioblastos a través de la disminución de la expresión  de miogenina vía activación  del factor nuclear kappa B (NF-κB) y  la alteración de la ruta de señalización del IGF-1. A través del receptor de TNF 1,  la señal  TNF-α suprime la actividad  de la AMPK y por consiguiente reduce la fosforilación de la ACC y la oxidación de ácidos grasos al tiempo que incrementa la acumulación intramuscular de diacilglicerol, causando resistencia a la insulina en el músculo esquelético.  Un trabajo reciente demuestra que diferentes relaciones n6:n3 de ácidos grasos poliinsaturados pueden mediar  la tasa de transcripción de IL-6 y TNF-α en músculo esquelético y tejido adiposo subcutáneo en modelos animales. El TNF-α de una manera paracrina puede limitar la masa de tejido adiposo  incrementando el metabolismo de la glucosa, acelerando la producción  de lactato y aumentando la lipólisis en adipocitos. Por otra parte, el TNF-α juega un rol activo en la regulación hacia arriba de factores proangiogénesis.

Algunas mioquinas y adipoquinas  interactúan unas con otras, la IL-6, el TNF-α y la leptina  son tres hormonas  moduladas de la misma manera. La administración de leptina promueve la miogénesis inducida por irisina, pero reprime la marronización del tejido adiposo subcutáneo inducida por esta mioquina. La administración de leptina también  induce un incremento  en la expresión de FNDC5  en músculo esquelético de una manera dependiente  de PGC-1α  e iNOS, pero reduce su expresión  en tejido adiposo subcutáneo  por disminución de la expresión d ePGC-1α. El nivel de expresión de FNDC5 en tejido adiposo subcutáneo  es mayor en sujetos no obesos  que en los obesos  y la leptina disminuye la expresión de FNDC5 en el tejido adiposo subcutáneo de sujetos no obesos.  

En conclusión, el músculo esquelético es un órgano efector y el tejido adiposo es un órgano que almacena energía. Adicionalmente, el músculo esquelético y el tejido adiposo son órganos endocrinos  que secretan citoquinas, específicamente mioquinas y adipoquinas, respectivamente. Las mioquinas incluyen miostatina, IL-8, IL-15, irisina, factor de crecimiento fibroblástico 21 y mionectina. Las adipoquinas incluyen leptina, adiponectina, resistina, quemerina y visfatina. Ciertas citoquinas  como la IL-8 y el factor de necrosis tumoralα son liberadas por músculo esquelético  y tejido adiposo, por lo que son llamadas adipo-mioquinas.  Por lo tanto, entender la complejidad de las relaciones  entre músculo esquelético y tejido adiposo permitirá el desarrollo de nuevas estrategias para mejorar la salud humana.

Fuente: Fengna L et al (2017). Myokines and adipokines: involvement in the crosstalk between skeletal muscle and adipose tissue.  Cytokine & Growth Factor Reviews 33: 73-82.

Receptor neuronal de insulina

El receptor de insulina (IR) pertenece al grupo de receptores tirosina quinasa y trasmite la unión de ligandos extracelulares de la familia insulina  en varias cascadas de señalización intracelular que resultan en efectos metabólicos  de corta y larga duración sobre el crecimiento y desarrollo. La insulina y el IR, además de los tejidos blancos clásicos como músculo, tejido adiposo, hígado y páncreas, también están presentes  en el cerebro. En los últimos 20 años,   muchos estudios han sugerido que la insulina actúa  sobre un receptor neuronal regulando la plasticidad sináptica a través de (1) la regulación de la captación, liberación y degradación de los neurotransmisores  noradrenalina y dopamina, (2) la regulación de la sensibilidad  de receptores post-sinápticos.  

Un estudio reciente  reporta que una pequeña fracción  de insulina en el cerebro (fuera del hipotálamo) deriva  de la liberación rápida  por células cerebrales, pero la fracción  principal de la insulina cerebral  procede de la periferia y difunde pasivamente en la barrera hematoencefálica. Dado que las concentraciones de insulina en la hendidura sináptica no han sido estudiadas  durante la actividad neuronal, es difícil saber si los niveles de insulina cerca de los IR varían  para modular su actividad en el corto plazo. Sin embargo, en ratones, los elevados incrementos en la insulina plasmática (mayores que los detectados en la condición postprandial) no tienen efecto  sobre el contenido total  de insulina en el cerebro ni en la concentración  de insulina en el líquido intersticial  del hipocampo. No obstante, el nivel de expresión  de IR y su sensibilidad a la insulina  en el hipocampo aumentan  durante el aprendizaje. Varios mecanismos  capaces de regular  al IR (neuronal y periférico) han sido descritos en los últimos años. Por ejemplo, las presenilinas reducen la expresión de IR en el hipocampo, mientras la conformación activa  de IR neuronal es inhibida por el contacto directo con proteínas clase I del complejo mayor de histocompatibilidad.  Por otra parte,  con relación al mecanismo de señalización  de la insulina neuronal, no se puede negar la importancia del IR neuronal para la cognición. La insuficiencia generalizada de IR en el cuerpo se manifiesta con problemas  en el aprendizaje y la memoria, aunque esto puede ser debido a efectos indirectos de la insuficiencia periférica  de IR. En efecto, la carencia de problemas cognitivos en ratones IR knock-out específicamente en neuronas provoca algunas dudas  acerca de la importancia  del IR neuronal para la cognición. Sin embargo, un estudio reciente con un modelo de ratones adultos IR knock-out en hipocampo  demuestra alteración de la plasticidad sináptica, lo que sugiere que la carencia de síntomas cognitivos en los modelos anteriores  es probablemente resultado  de una compensación durante el desarrollo.

El mecanismo de la señal insulina es clínicamente relevante, pues hay reportes que indican que está alterado en la demencia. Adicionalmente, la intervención en la señal insulina neuronal  es clave para la protección contra los síntomas de la enfermedad de Alzheimer (EA).  Los defectos en la señal insulina pueden impactar la demencia de varias maneras, incluyendo la reducción  de la trasmisión sináptica mediada por receptores NMDA. Estos defectos incrementan la unión de oligomeros β-amiloides (AβO), los cuales funcionan como agentes causales de la EA. Por otra parte, la expresión de IR en la superficie neuronal es fuerte, pero indirectamente reducida por AβO. El contexto de estos hallazgos es que varias proteínas de la membrana sináptica llevan a cabo la función de receptor de AβO, incluyendo al receptor metabotrópico de glutamato α-amino -3-hidroxi-5-metilisoxazole-4-propionato (AMPA). Cada una de estas proteínas es importante para la unión de AβO y varias de ellas se combinan  para formar un complejo macromolecular receptor AβO postsináptico, el cual puede afectar  y ser afectado por la señal insulina. Es de hacer notar que la reducción crónica  de la señal insulina neuronal en ratones con deficiencia de IR reduce la carga de AβO en el hipocampo.

El IR existe como un dímero preformado unido por puentes disulfuro, donde cada promotor  contiene dos cadenas (α y β) derivadas de un mismo gen. Los estudios estructurales han demostrado que una simple molécula  de insulina  se une de diferentes maneras  a los dos dominios extracelulares del receptor dimérico. La unión de la insulina provoca la fosforilación reciproca de residuos tirosina  en los dominios intracelulares y la interacción con varias proteínas intracelulares, algunas de las cuales son fosforiladas  en los residuos tirosina por el IR. La señal de la activación de IR es trasmitida  a través de proteínas de la familia sustratos del receptor de insulina (IRS) a la fosfatidil-4,5-bifosfaato-3-quinasa (PI3K), provocando efectos metabólicos de corta duración  en los tejidos blancos de insulina clásicos, o es trasmitida  a través de  IRS y/o miembros de la familia de proteínas que contienen dominios Src homología 2 a la quinasa regulada por señal extracelular (ERK) en aquellos tejidos  con actividad mitótica.  Hay evidencia que ambas rutas  están involucradas en los efectos sinápticos de la insulina; un incremento en la densidad sináptica disparado por la insulina  puede requerir PI3K, pero  no actividad ERK, mientras  la inhibición  de oscilaciones de Ca²⁺  en el hipocampo requiere ERK, pero no actividad PI3K. El ambiente de cada IR puede determinar  si la señal  insulina procede a través de ERK o a través  de PI3K, o posiblemente a través de moléculas especificas de la sinapsis como a IRSp53.

En los tejidos periféricos, especialmente en músculo y tejido adiposo, la activación de IR tiene efectos metabólicos de corta duración, particularmente la inserción  de transportadores de glucosa  en la membrana plasmática. En el cerebro, mientras la insulina regula la captación de glucosa por las glías,  aun concentraciones muy altas de insulina no aumentan la captación  de glucosa por  neuronas arriba de los niveles basales. La insulina en cambio puede modular la plasticidad sináptica. Entonces, ¿cuáles son las particularidades  del IR neuronal y su ambiente? La fosforilación  de residuos tirosina, serina y treonina en el dominio intracelular del IR es regulada por diferentes ligandos y proteínas. Está demostrado que la tasa de fosforilación de tirosina  puede influir  en la internalización del IR-A, el cual puede regular  la predominancia  de la señal PI3K sobre la señal ERK. El patrón de fosforilación del IR varía fuertemente  entre los tejidos y modelos animales.  En varios modelos de terminal sináptico, la unión de insulina  al IR  incrementa la liberación de noradrenalina   e inhibe  su recaptación. Asimismo, la señal de insulina  a través del IR  incrementa la frecuencia de descarga de las neuronas dopaminérgicas  y disminuye la degradación de dopamina.  Los efectos de la señal postsináptica de insulina en el hipocampo incluyen despolarización por aumento de la exocitosis de receptores NMDA, depresión de   larga duración  como resultado de la exocitosis de GluA1 y endocitosis de GluA2, disminución de la excitabilidad por incremento de la exocitosis  de GABA_AR e incremento en la formación o supervivencia  de espinas mediada por activación de PI3K.

La particularidad más obvia del IR neuronal  es que por “splicing” alternativo  resultan dos isoformas  de IR. La isoforma A (IR-A), carece del exón 11, predomina en el embrión  y es la única isoforma detectable  en neuronas adultas. La isoforma B, incluye el exón 11 y constituye más del 90% del IR total  en  hígado, tejido adiposo y glías del adulto. El músculo esquelético contiene cantidades comparables de IR-A e IR-B. Cuando las dos isoformas del IR están presentes en el mismo tipo de célula exhiben diferentes cinéticas de unión de la insulina. Sin embargo, el splicing solo no puede  explicar completamente  la conducta molecular del IR neuronal. En los tejidos periféricos, el IR muestra cooperatividad negativa, la unión de una segunda molécula  de insulina en el receptor dimérico tiende a disociar a la primera molécula, limitando el potencial mitogénico  de la insulina. En el cerebro, el IR  no muestra cooperatividad  negativa. Con relación a las particularidades del IR neuronal, las cadenas α y β son menos glucosiladas que en las glías y otros tejidos. Varios trabajos reportan que la diferente cooperatividad de unión  y la señalización  del IR cerebral resultan de las propiedades del mismo IR, al tiempo que sugieren que esas diferencias  pueden correlacionarse  con la  reducción del contenido de ácido siálico en el IR neuronal.  En células no neuronales se ha demostrado  que la desialización del IR inducida por la unión de la insulina regula la activación del IR.

Los estudios inmunocitoquimicos han demostrado la presencia  del IR en la membrana plasmática neuronal, específicamente  en las membranas pre y postsinápticas,  Los efectos del IR sobre la cascada de señalización  son más claros en fracciones de membrana sináptica que en el tejido completo, pero aun se sabe muy poco de la dinámica que subyace  a la acción sináptica de la insulina.  Los datos obtenidos en adipocitos demuestran que la señal IR es críticamente dependiente  de la asociación con caveolas, y que la motilidad del IR en un complejo con gangliósido GM3 media el estado de resistencia a la insulina. En las neuronas corticales, solamente el IR localizado  fuera de las balsas de  gangliósido GM1 responde a la insulina. Aparentemente, el IR localizado en las balsas GM1 no responde a la insulina  debido a la alta actividad tirosina fosfatasa en las balsas. En las neuronas hipotalámicas, la inhibición de la síntesis de gangliósidos  hace que el IR responda más a la insulina. Estos resultados son muy interesantes, pues la composición de lípidos de las espinas dendríticas, especialmente la proporción  de colesterol y esfingolípidos, difiere  de la de otras membranas  neuronales y modifica la actividad  de los receptores sinápticos, incluyendo al IR.

Un problema cuando se evalúa la importancia del IR para la cognición  es que los efectos cognitivos  asignados a la insulina pueden ser disparados   no solo  por su unión  al IR sino  también por la unión al receptor  del factor de crecimiento similar a insulina 1 (IGF-1R) y que el IR también puede  ser activado por  los IGF 1 y 2. En efecto, la isoforma IR-A presente en neuronas, puede ser activada por el IGF-2, aunque con menor afinidad que la insulina. Por otra parte, el IGF-1 es altamente producido en el cerebro y sus concentraciones son mayores que las de insulina en hipocampo y líquido cerebroespinal. En este contexto, se ha propuesto que la señal insulina a través del IR neuronal regula la saciedad  y el metabolismo periférico, mientras la acción de la insulina a través del dímero híbrido  IR/IGF-1R  es responsable  de los efectos cognitivos.  Sin embargo, hay razones para afirmar la relevancia  de la activación  del homodimérico IR por la insulina para la cognición. Más aún,  estudios in vitro han producido evidencia  que apoya los efectos cognitivos a través del IR sin involucrar al IGF-1R, usando manipulación farmacológica.  

En conclusión, la insulina es conocida principalmente por sus efectos en tejidos periféricos como hígado, músculo esquelético y tejido adiposo, donde la activación del IR tiene efectos de corta y larga duración.  La insulina y el IR también están presentes en el cerebro y la evidencia indica que la señal neuronal de la insulina regula la plasticidad sináptica  y que esta ruta puede ser clave para la protección contra –o la reversión de los síntomas de- algunas enfermedades, especialmente  en  la EA. Sin embargo, hay controversia acerca  de la importancia del IR neuronal, debido, al menos en parte, a que los datos  biofísicos sobre su activación y señalización  son mucho menos completos  que para el IR periférico. Las diferencias más conocidas entre el IR neuronal y el IR periférico tienen que ver con el “splicing” alternativo y la glucosilación; así como la carencia de datos con respecto a la fosforilación  y la localización de subdominios en la membrana. Las particularidades del IR neuronal y su ambiente pueden tener consecuencias en la señalización e impactar la plasticidad sináptica.  

Fuente: Gralle M (2017). The neuronal insulin receptor in its environment. Journal of Neurochemistry 140: 359-367. 

Nutrición y estrés oxidativo

Los organismos vivos no pueden existir sin oxigeno, pero bajo condiciones celulares  desfavorables, los derivados del oxigeno pueden interrumpir  el equilibrio oxidativo, dañar proteínas, lípidos y ácidos nucleicos, y comprometer la viabilidad de la célula. En este contexto, el estrés oxidativo define el desbalance  entre la formación excesiva de oxidantes y la limitada presencia de  defensas antioxidantes en el cuerpo humano. La evidencia acumulada indica que aun en condiciones fisiológicas las funciones normales del cuerpo humano, como la nutrición, potencialmente pueden general estrés oxidativo. Los macronutrientes pueden ser inflamatorios y posiblemente pro-oxidantes.  El nuevo termino estrés nutricional -o estrés postprandial-  oxidativo describe el estado de desbalance postprandial  entre la carga pro-oxidativa y la defensa antioxidante como consecuencia del exceso o -aporte inadecuado-  de nutrientes. El estrés postprandial oxidativo está íntimamente relacionado con la inflamación subclínica y la disfunción endotelial y, por tanto, podría estar involucrado en la fisiopatología de varios desordenes metabólicos y reproductivos.

Hay dos clases principales de radicales libres u oxidantes: especies de oxigeno reactivas (ROS) y especies de nitrógeno reactivas (RNS).  Las ROS derivan del oxigeno molecular, en reacciones incompletas del oxigeno e incluyen el anión superóxido  (O₂^-), el radical hidroxilo (OH^-) y el peróxido de hidrogeno (H₂O₂). Esta activación  tiene lugar a través de diferentes procesos celulares. Sin embrago, las mitocondrias son consideradas como la principal fuente de ROS. Específicamente, en la cadena transportadora de electrones (CTE), hay una tendencia a pasar un electrón directamente al oxigeno y, eventualmente, generar O₂^-. Las RNS constituyen una familia de compuestos químicos  que derivan del óxido nítrico (NO). Fisiológicamente, el NO es formado a partir de L-arginina mediante la acción catalítica  de la enzima sintetasa de óxido nítrico (NOS) en presencia de cofactores catalíticos como tetrahidrobiopterina (BH4), flavina adenina  dinucleotido (FDN) y flavina mononucleotido (FMN). Bajo ciertos estímulos, el NO reacciona con el O₂^- para generar peroxinitrito (ONOO^-), el cual es una de las RNS más tóxicas producidas en el cuerpo humano y puede promover la producción de otras formas de RNS, como dióxido de nitrógeno (NO₂) y trióxido dinitrógeno (N₂O₃).

Además de los pro-oxidantes antes mencionados, otras moléculas  que expresan propiedades pro-oxidantes e inflamatorias son las AGE. Las AGE o glicotóxinas constituyen un grupo heterogéneo  de más de 20 diferentes compuestos derivados de la glicación no enzimática endógena de macromoléculas o absorbidos de fuentes exógenas.  En su formación, las AGE promueven la generación de ROS y RNS a través de múltiples mecanismos. La unión de las AGE al receptor  para productos finales de glicación avanzada (RAGE) activa al NF-κB, el cual a su vez incrementa la generación de ROS así como también la activación de la NADPH oxidasa. En el cuerpo humano, los antioxidantes constituyen la fuerza opuesta en el mantenimiento del equilibrio oxidativo. Ellos pueden ser divididos en dos categorías principales: enzimáticos y no enzimáticos.  Los antioxidantes enzimáticos constituyen enzimas claves  que pueden desintoxicar  el exceso de  ROS y RNS,  incluyendo la superóxido dismutasa (SOD), la catalasa (CAT) y la glutatión peroxidasa (GPX), mientras los antioxidantes no enzimáticos  son moléculas exógenas y endógenas como el glutatión, la tioredoxina, el selenio (Se), el cinc (Zn) y las vitaminas  A, C y E. Cuando la sobre producción de radicales libres no puede ser compensada por el sistema de defensa antioxidante del cuerpo, domina el estrés oxidativo y las ROS inician múltiples rutas moleculares, pero también puede ocurrir con funciones fisiológicas normales del cuerpo humano como la  nutrición. Desde el establecimiento  de la asociación bidireccional entre ingesta calórica  e inflamación de bajo grado, ha surgido la pregunta si los macronutrientes son un estimulo inflamatorio y oxidante  que pueden disparar postprandialmente el estrés oxidativo y alterar la homeostasis del cuerpo.

A partir  del establecimiento de la hipótesis que postula  que el desarrollo de la vida temprana es críticamente sensible a los estímulos ambientales ha habido creciente interés por investigar cómo los factores ambientales que actúan durante el desarrollo temprano de los humanos pueden afectar la salud. Entre los factores ambientales, la nutrición, un potente promotor de modificaciones epigenéticas intrauterinas, ha sido extensamente estudiada. Específicamente, la malnutrición in útero y el bajo peso al nacer combinados con retardo del crecimiento durante la infancia han sido relacionados con un mayor riesgo de obesidad, resistencia a la insulina, enfermedad cardiovascular  y desregulación reproductiva. Asimismo, las crías  que crecen en un ambiente nutricionalmente rico tienen un incremento en el riesgo de desordenes cardiometabólicos y fertilidad comprometida  más tarde en la vida. El estrés oxidativo es un mediador de los cambios epigéneticos inducidos  por la nutrición en varios modelos experimentales. La malnutrición materna, la obesidad o la dieta obesogénica  materna  durante el embarazo han sido asociadas con un incremento en los marcadores de estrés oxidativo y alteración de la capacidad antioxidante en las crías, las cuales se vuelven más vulnerables a los estímulos diabetogénicos. La suplementación antioxidante  atenúa significativamente la adiposidad en las crías. Entonces, la nutrición durante los periodos críticos  de desarrollo prenatal y perinatal puede inducir cambios  epigenéticos  a través de diferentes rutas, incluyendo la generación de estrés oxidativo, un factor de riesgo para desordenes metabólicos y reproductivos  en la adultez.

En el año 2000, Mohanty y colaboradores demostraron  en humanos   que la ingesta de glucosa  induce inflamación y generación de ROS  a través de  leucocitos polimorfonucleares (PMN) y mononucleares (MNC). Posteriormente, se reportaron hallazgos similares  con la ingesta de lípidos y proteínas. La ingesta aguda de grasa saturada provoca un incremento en la generación de ROS por los leucocitos, similar en magnitud al observado con la  ingesta de glucosa pero más prolongado y persistente, mientras la ingesta de proteínas también incrementa la formación de ROS pero en una extensión mucho menor  en comparación con la glucosa y los lípidos. Más aún, evaluando una comida mixta en sujetos sanos se  detectaron cambios inflamatorios agudos con disminución  en IκBα e incremento en NFκB, proteína C reactiva (CRP) en plasma y la expresión de las proteínas inhibidoras IKKα y IKKβ y la subunidad p47^phox. Sobre la base de estos hallazgos se introdujo el término estrés oxidativo nutricional postprandial.

Postprandialmente, la formación y generación de ROS  por leucocitos y mitocondrias puede ser modulada por varios factores coexistentes. La cantidad  de ingesta calórica  es un factor decisivo que afecta la intensidad  del estrés oxidativo postprandial.  La excesiva cantidad de alimentos ricos en calorías  resulta en niveles sanguíneos anormales de glucosa, triglicéridos y ácidos grasos libres (AGL). Las concentraciones elevadas  de glucosa y AGL sobrepasan la capacidad  de las mitocondrias para la fosforilación oxidativa y provocan un incremento en la transferencia de electrones al oxigeno molecular. Como resultado, entran más aniones O₂^- en la circulación. Además de las mitocondrias, la generación de ROS en los leucocitos también es afectada por la cantidad  de calorías, como se demuestra en estudios  en los cuales la restricción calórica provoca una significativa disminución en la generación de ROS por leucocitos, la peroxidación de lípidos  y la carbonilación de proteínas. Más aún, el tipo de micronutrientes  consumidos es también catalítico  en la amplitud  del estrés oxidativo postprandial. En este contexto, el tipo de grasa consumido  puede tener un rol  en la inflamación postprandial inmediata, las grasas saturadas (SFA) han sido relacionadas con enfermedad cardiovasculares mientras las grasas n-3poliinsaturadas (PUFA) son conocidas por su efecto  anti-inflamatorio.  Sin embargo, los datos científicos son contradictorios y han fallado en demostrar un claro efecto beneficioso del consumo de comidas ricas  en PUFA sobre las citoquinas plasmáticas proinflamatorias o un efecto perjudicial de las SFA en un escenario  de alimentación aguda.  Con relación  a los carbohidratos, se han reportado diferencias  en el estrés oxidativo postprandial  en términos del índice glucémico de los alimentos, con una mayor activación  de leucocitos mononucleares y un incremento en la concentración  de NF-κB en sujetos sanos que consumen carbohidratos de alto índice glucémico.

El consumo de nutrientes antioxidantes y antiinflamatorios influye en el medio oxidativo en el estado postprandial. Por ejemplo, la ingesta de jugo de naranja combinado con una comida rica en grasas y carbohidratos previene el estrés oxidativo e inflamatorio inducido por la comida en sujetos normales, con una inhibición total  de la generación de ROS y una disminución en la expresión de genes pro-inflamatorios. De manera similar, el vino tinto, el cual tiene un efecto protector contra la ateroesclerosis y las enfermedades cardiovasculares,  previene el estrés oxidativo inducido por comida y mitiga el incremento postprandial de LDL. Las características del estilo de vida del individuo, como la presencia  de obesidad o inactividad física, también pueden afectar la generación de ROS en el estado postprandial. Los sujetos obesos experimentan  un estrés oxidativo más persistente  en respuesta  a una comida rica en grasas en comparación con los individuos sanos no obesos.  Con relación al ejercicio, prevalecen los datos contradictorios en la literatura, aunque el ejercicio  es considerado una poderosa herramienta de regulación hacia arriba  de las defensas antioxidantes endógenas, varios estudios han fallado  en demostrado un efecto beneficioso  del estado de entrenamiento en el estrés oxidativo postprandial. Finalmente, los métodos de cocción  también pueden tener un impacto agravante  sobre el metabolismo oxidativo postprandial.  Los alimentos, ricos en proteínas y grasas,  cocidos por corto tiempo a alta temperatura provocan la formación de AGE, las cuales postprandialmente provocan disfunción endotelial aguda.  Entonces, la evidencia acumulada  indica que la nutrición  induce inflamación y estrés oxidativo en el estado postprandial.   La hiperglucemia y la hiperlipidemia postprandiales  (o dismetabolismo postprandial) son factores de riesgo en varias enfermedades. La incesante acumulación  de estos trastornos  durante los continuos estados postprandiales que caracterizan al estilo de vida moderno puede contribuir  a la fisiopatología  de desordenes metabólicos y reproductivos.

La ingesta de nutrientes dispara una respuesta inflamatoria y oxidativa a nivel celular que altera el estatus metabólico  de los tejidos. El estrés oxidativo postprandial después de la ingesta  de carbohidratos, lípidos y proteínas provoca cambios  en diferentes tejidos incluyendo tejido adiposo, músculo esquelético, hígado y células β pancreáticas. La interacción  entre un tejido metabólicamente alterado y los nutrientes agrava el estrés oxidativo y, en última instancia, inicia un interminable ciclo vicioso. El tejido adiposo es un órgano endocrino con múltiples acciones metabólicas y hormonales, con un rol central en la captación de glucosa  mediada por insulina que contribuye al balance metabólico del cuerpo humano.  El metabolismo oxidativo y la producción de ROS tienen sus roles en la función del tejido adiposo.  Hay diferentes fuentes  intracelulares de ROS en los adipocitos. En primer lugar, aunque los adipocitos no son considerados  células puras de producción  de energía, las ROS pueden derivar  de  las mitocondrias  y la sobrecarga de sustratos de la CTE. Adicionalmente, varias enzimas pueden promover la producción de ROS en los adipocitos, incluyendo a la NADPH oxidasa.  La NADPH oxidasa 4 (NOX4) es la principal isoforma de la enzima en los adipocitos y su expresión aumenta en las células grasas expuestas a un exceso de derivados de nutrientes  como glucosa o palmitato. La inhibición de la NOX4  impide la generación de ROS estimulada por palmitato y glucosa, lo cual subraya la importancia de  fuentes extra-mitocondriales de ROS en los adipocitos.  Por otra parte, la NOS contribuye significativamente a la generación de ROS. La NOS endotelial (eNOS) y la NOS inducible (iNOS) son abundantes  en los adipocitos y su expresión  es particularmente alta en el tejido adiposo blanco de pacientes obesos, lo que sugiere que la obesidad  es acompañada por un estatus oxidativo alterado que tiene  un impacto desfavorable sobre la utilización postprandial de nutrientes.

Las ROS tienen un potencial  rol fisiológico en la función metabólica del tejido adiposo. Varios estudios reportan que la insulina  puede provocar la producción de H₂O₂ en los adipocitos. Esta producción transitoria de H₂O₂ amplifica la cascada de señalización de la insulina, aumenta la translocación de transportadores GLUT y por  consiguiente la captación de glucosa. Adicionalmente promueve la síntesis de lípidos e inhibe la lipólisis.  Por otra parte, después de la ingesta de una comida mixta tiene lugar una respuesta inflamatoria  en el tejido adiposo. Esto ha sido demostrado en ratas y humanos. Más aún, los sujetos con síndrome metabólico que consumen por mucho tiempo una dieta rica en grasas monosaturadas tienen atenuada la respuesta inflamatoria postprandial en el tejido adiposo en comparación con los sujetos que consumen  una dieta rica  en grasas saturadas.  Además  de la estimulación directa de rutas inflamatorias, una dieta rica en grasas  puede inducir inflamación local en el tejido adiposo a través de la liberación  de un exceso de AGL. Los  efectos de los AGL sobre las rutas inflamatorias  son mediados por  receptores similares a Toll (TLR-4), los cuales promueven la acumulación de macrófagos en el tejido adiposo y la secreción de citoquinas. Los elevados niveles de AGL resultan en un incremento del estrés oxidativo, vía activación de la NADPH oxidasa. El estrés oxidativo, a su vez, provoca una desregulación de la secreción de adipoquinas. Por lo tanto, el estrés oxidativo inducido por nutrición provoca un estatus redox adverso  que puede interferir  en el rol de los radicales libres en el tejido adiposo.

El músculo esquelético es considerado un órgano puro de producción de energía y posee gran cantidad de mitocondrias que ejercen un rol regulador en la homeostasis energética.  Después de la ingesta de nutrientes, la insulina promueve la captación de glucosa  en el músculo esquelético a través de transportadores GLUT4. Esto es una  etapa critica en las rutas metabólicas del cuerpo, pues la utilización de combustible debe ajustarse a la disponibilidad  del mismo. La capacidad del músculo esquelético  para cambiar su condición metabólica de un órgano con mucha  oxidación de lípidos  y altas tasas de captación de ácidos grasos durante la condición de ayuno por la supresión de la oxidación de lípidos y una alta tasa de captación, oxidación y almacenamiento de glucosa  bajo condiciones estimuladas por la insulina es conocida como flexibilidad metabólica.  La incapacidad para cambiar el uso de lípidos por carbohidratos (inflexibilidad metabólica) se observa en pacientes obesos  y está asociada con la acumulación intramiocelular de lípidos y resistencia a la insulina.  Varios factores determinan la flexibilidad metabólica de un organismo, incluyendo la disponibilidad de nutrientes, los niveles plasmáticos de AGL, la disponibilidad del tejido adiposo para almacenar lípidos  y el estatus de actividad física.  Otro factor que puede estar implicado en la flexibilidad metabólica  es la capacidad oxidativa mitocondrial. Aunque los datos en la literatura son contradictorios, se ha propuesto que las anormalidades mitocondriales  del músculo  influyen en la flexibilidad metabólica para los lípidos  e inducen resistencia a la insulina.

Cuando la ingesta de calorías excede  al gasto de energía como consecuencia  de una comida rica en grasas,  o por sobrealimentación, altas concentraciones de sustratos energéticos, como glucosa y AGL, se acumulan intracelularmente  en el músculo esquelético.  La alta entrada  de glucosa  resulta en un aumento del flujo glucolítico y la oxidación de la glucosa que sobrepasa al ciclo de Krebs  y la  capacidad  de la CTE provocando en última instancia un aumento de la formación de O₂^- y estrés oxidativo. Este exceso de ROS promueve la inhibición de la enzima glucolítica sensible a redox gliceraldehido 3-fosfato deshidrogenasa (GADPH).  El resultado de la inhibición de la GADPH es el aumento del flujo de metabolitos de la glucosa a través de múltiples rutas metabólicas, incluyendo formación de AGE, biosíntesis de hexosaminas y síntesis de DAG vía activación de la PKC provocando exacerbación del estrés oxidativo e interferencia con la señal insulina. Los elevados niveles plasmáticos de AGL también alteran la señal insulina en el músculo esquelético. Adicionalmente, los AGL activan rutas inflamatorias. La lipotoxicidad también está asociada  con estrés del retículo endoplasmático (RE). Los hábitos dietéticos  también pueden afectar los procesos metabólicos fisiológicos en el músculo esquelético a través de alteraciones de la biología y función de las mitocondrias. Por ejemplo, la sobrealimentación y las dietas ricas en grasas promueven disfunción mitocondrial, con disminución de la síntesis de ATP, alteración de la expresión de genes mitocondriales e incremento de la formación de ROS. Como resultado, se inicia un ciclo vicioso en el cual las anormalidades mitocondriales exacerban la disfunción metabólica del músculo esquelético.

La sobrealimentación o las dietas ricas en grasas provocan un incremento  en al aporte de AGL en el hígado y la acumulación  intracelular de lípidos, lo cual tiene un efecto perjudicial en el metabolismo hepático.  Los niveles aumentados de malonil CoA en el hígado promueven la síntesis de novo de ácidos grasos e inhiben la actividad de la carnitina palmitoiltransferasa-1 (CPT-1). Como resultado, los ácidos grasos no pueden ser oxidados en las mitocondrias y son desviados  a otras rutas biosintéticas, provocando la formación  de TAG, DAG y ceramidas. Estos lípidos inician varias cascadas inflamatorias que desregulan la señal insulina, incluyendo las rutas PKC y  c-jun NH-terminal quinasa (JNK). La sobrealimentación y el aporte masivo de sustratos exponen al RE a una pesada carga anabólica  que promueve alteraciones de las proteínas y estrés del RE, lo cual a su vez promueve la producción de ROS y la activación  de señales inflamatorias. Por otra parte, la acumulación intrahepatocelular de lípidos resulta en alteración de la producción hepática de glucosa mediada por insulina y dislipidemia que se caracteriza por una elevada secreción  de  VLDL-triglicéridos  combinada  con un elevado aclaramiento de HDL-colesterol. 

El estrés oxidativo puede comprometer significativamente la función de las células β del páncreas porque innatamente son muy sensibles al estrés oxidativo. En un experimento con ratas, las células β expuestas a H₂O₂ activaron la producción   del inhibidor de la quinasa dependiente de ciclina p21 y disminuyeron  el ARNm de insulina al tiempo que redujeron el flujo  de ATP y calcio en mitocondrias y citoplasma.  Por otra parte, las células β tienen bajos niveles de enzimas antioxidantes (SOD, catalasa y glutatión peroxidasa) y son más sensibles a la acción adversa de las ROS. Por lo tanto, el estrés oxidativo, inducido por los elevados niveles de glucosa y AGL, la inflamación crónica y la resistencia a la insulina actúan directamente en las células pancreáticas y alteran la secreción de insulina.  En los pacientes diabéticos, la elevación crónica de los niveles plasmáticos de glucosa y AGL tienen efectos perjudiciales en la función de las células pancreáticas.  El estrés oxidativo y la generación aberrante de radicales libres pueden ser uno de los mecanismos  que subyacen  a estos daños. Adicionalmente, la hiperglucemia por si misma  puede disparar  la formación mitocondrial de ROS en las células β pancreáticas y promover un microambiente local oxidativo, el cual a su vez activa múltiples rutas metabólicas  que exacerban el estrés oxidativo, incluyendo la inflamación de bajo grado crónica y la producción de AGE que deterioran la función de la célula β.

En conclusión, la nutrición puede generar  estrés oxidativo y disparar una cascada  de eventos moleculares que alteran el balance oxidativo y hormonal. La ingesta de nutrientes promueve  una  respuesta inflamatoria y oxidativa a nivel celular en el estado postprandial que altera el estatus metabólico  de los tejidos. Como resultado, se genera una serie de cambios  metabólicos desfavorables  en los principales órganos metabólicos, incluyendo tejido adiposo, músculo esquelético, hígado y páncreas.  En estos órganos puede tener lugar inflamación subclínica, disfunción endotelial, desregulación  mitocondrial y alteración en la respuesta a  -y la secreción de- insulina. En este contexto, la nutrición y su acompañante el estrés oxidativo postprandial,  pueden  potencialmente comprometer las funciones metabólicas normales y actuar como un mediador  de varios desordenes metabólicos.

Fuente: Diamanti-Kandarakis E et al (2017). Nutrition as a mediator of oxidative stress in metabolic and reproductive disorders in women.  European Journal of Endocrinology 176: R79-R95.

Diversidad de neuronas CRH en el hipotálamo

La reacción del cuerpo a los estresores ambientales, incluyendo factores físicos y psicosociales, es orquestada por la liberación secuencial de hormonas  en el eje hipotálamo-hipófisis-adrenal (HHA). La activación del eje HHA dispara la liberación de corticoesteroides por la corteza  de la glándula adrenal para movilizar la utilización de energía, provocando respuestas integrativa-protectoras a las condiciones nocivas. El primer nivel jerárquico en el eje HHA es la liberación de hormona liberadora de corticotropina (CRH) a partir de los terminales de las neuronas parvocelulares hipotalámicas en los vasos porta hipofisiarios en la eminencia media. De acuerdo con la definición clásica, la respuesta periférica al estrés progresa a través de la secreción  de hormona adrenocorticotrópica (ACTH) por el lóbulo anterior de la hipófisis. Finalmente, la ACTH induce  la esteroidogénesis en -y la liberación de corticoesteroides por-  la corteza adrenal. La acción de los corticoesteroides  es ejecutada  a través  de receptores glucocorticoides,  codificados por el gen Nr3c1, y seguida por los cambios adecuados en el estado celular necesarios para  cubrir los compromisos metabólicos. 

Las neuronas  parvocelulares  son consideradas  como las responsables de la liberación rápida, inducida por el estrés, de  CRH y están situadas en el núcleo paraventricular (NPV) del hipotálamo.  El NPV es uno de los mejores ejemplos  de la compleja organización neuronal en el hipotálamo: contiene al menos ocho subdivisiones con neuronas motoras secretoras  neuroendocrinas magnocelulares y parvocelulares (esto es, células que liberan péptidos bioactivos en la circulación porta a través de sitios localizados fuera de la barrera hematoencefálica), neuronas con proyecciones al tallo cerebral y neuronas hipotalámicas que se proyectan localmente. Oxitocina y vasopresina son producidas en neuronas magnocelulares que se proyectan directamente a la hipófisis posterior. Por el contrario, las neuronas parvocelulares son un caleidoscopio  de modalidades neuroendocrinas, a menudo co-liberan varios neuropéptidos  y neurotransmisores  “por demanda”.  Entre las neuronas parvocelulares del NPV, las células CRH,  además de sus proyecciones a la eminencia media, también emiten  axones hacia  otros núcleos hipotalámicos (por ejemplo, hipotálamo lateral), aumentando su capacidad integrativa a través del control coincidente  de circuitos neuronales y respuestas hormonales en la hipófisis.

Las células neuroendocrinas parvocelulares, además de CRH en su “centro del estrés”,  pueden producir  hormonas liberadoras y  hormonas que inhiben liberación de hormonas en la hipófisis anterior; por ejemplo, hormona liberadora de hormona de crecimiento y somatostatina que inhibe la liberación de hormona de crecimiento, hormona liberadora  de tirotropina (TRH), hormona liberadora de gonadotropinas (GnRH) y dopamina (hormona  que inhibe la liberación de prolactina. De particular interés con relación al estrés, la vasopresina potencia el efecto de CRH. Estos péptidos  co-existen en los mismos gránulos de almacenamiento en la capa externa  de la eminencia media. La observación  que los niveles basales  de ACTH y glucocorticoides  pueden ser detectados siempre en sangre, indirectamente sugiere  que la CRH es constitutivamente liberada en cantidades pequeñas  para estimular continuamente la producción y liberación  de hormonas. Este concepto tiene  un amplio significado fisiológico; por ejemplo, las células β pancreáticas requieren glucocorticoides para su supervivencia.  La liberación de CRH sigue un ciclo diurno con picos  durante horas tempranas de la mañana y  en la noche. Estos datos sugieren  que la CRH puede tener más roles que los que previamente se han descrito  a través de la expresión de sus receptores  en células o tejidos específicos. Además  de regular la respuesta al estrés, la CRH está implicada en la regulación del apetito.

La producción de CRH no ocurre solamente en el NPV. En el hipotálamo, la CRH  también es detectada  en células magnocelulares del hipotálamo lateral  y área preóptica. Una dificultad para identificar  los sitios celulares de producción de CRH consiste en los  inusualmente bajos niveles  en reposo  y su rápida inducción  durante condiciones de estrés o en estados metabólicos particulares. Sin embargo, los estudios histoquímicos sugieren  que la expresión  episódica  de ARNm Crh puede ser intrínseca a muchas neuronas hipotalámicas. Asimismo, la transcripción del gen Crh y la expresión de proteína han sido documentadas  en muchas áreas extrahipotalámicas, incluyendo núcleos talámicos, núcleo del lecho de la estría terminal, amígdala, médula oblonga, corteza piriforme y muchas regiones neocorticales e hipocampales. Entonces, emerge una heterogeneidad  de neuronas CRH con la CRH como determinante molecular de función celular bajo condiciones conductuales y metabólicas particulares.  Los estudios de co-localización sugieren que las neuronas CRH positivas podrían mediar la neurotransmisión  excitadora o inhibidora de una manera definida regionalmente.  Por ejemplo, interneuronas corticales e hipocampales que usan GABA como neurotransmisor inhibidor,  también pueden expresar  CRH. Las acciones de la CRH son diversificadas  a nivel celular con dos receptores acoplados  a proteína G (con acoplamiento G_s/G_q), CRHR1 y CRHR2  que activan rutas de señalización diferenciadas en respuesta a este neuropéptido.

La expresión de CRH es una modalidad inducida funcionalmente más que una característica para definir la identidad de la neurona.  Un análisis detallado de todas las neuronas Crh  del hipotálamo  demuestra su segregación en los fenotipos de neurotransmisores GABAergicas (esto es, co-expresión  Gad1, Gad2 y Slc32a1) o glutamatérgicas (Slc17a6).  Como la co-existencia de neurotransmisores es una característica relativamente común  de las neuronas hipotalámicas, las neuronas GABA/glutamato, dopamina/GABA, y dopamina/glutamato también pueden contener ARNm Crh.  Entonces, las neuronas Crh⁺ comprenden varios subtipos  de neuronas GABA y glutamato, reforzando el concepto  que la producción episódica  de CRH puede estar asociada  con múltiples redes manejadas por contextos relacionados con la enfermedad o el metabolismo más que una característica del desarrollo (definida filogenéticamente en el nivel transcripcional) de  un subgrupo  de neuronas hipotalámicas. El análisis con el método ScRNA-seq indica que las neuronas CRH que residen en el NPV son glutamatérgicas. Este grupo de células puede ser distinguido por la coexistencia de varios ARNm, incluyendo Tmem591, Fuca1, Npr3 y Arnt2, cuya existencia en el NPV ha sido validada por estudios histoquímicos. Mientras tanto, las neuronas GABAergicas  que  contienen CRH co-expresan Pgr151, un marcador histoquímico de neuronas que residen en la parte anterior del NPV y en el hipotálamo dorsomedial. Alternativamente, las neuronas GABAergicas CRH⁺  que  expresan el factor de transcripción LIM se localizan en el área preóptica.  Más aún, las neuronas hipotalámicas  que co-expresan CRH  se extienden hacia el núcleo del lecho de la estría terminal, un área extrahipotalámica que forma circuitos locales que regulan el eje del estrés. Sobre la base de los códigos transcripcionales, se ha formulado la hipótesis que las neuronas GABAergicas CRH⁺, a pesar de su heterogeneidad espacial, pueden originarse a partir de los mismos precursores, migrar hacia diferentes  subregiones (extra) hipotalámicas y constituir un subtipo neuronal unificado.

Dos genes (Crhr1 y Crhr2) codifican los receptores que median la acción  de la CRH y sus ARNm han sido detectados en muchas regiones del cerebro. Crhr1 es ampliamente expresado en neocorteza,  corteza piriforme, sistema olfatorio, hipocampo y cerebelo. Crhr2 tiene una distribución más restringida con una concentración primaria en los núcleos lateral y triangular del septum y el complejo amigdaloide.  Los receptores CRHR1 y CRHR2 pueden mediar  diferentes respuestas biológicas  e involucran  una combinación  de señales intercelulares.  Cuando se analiza la distribución  de los CRHR en el hipotálamo, los niveles de expresión  de Crhr1 y Crhr2 son relativamente bajos con el primero presente  en los núcleos arcuato, supraquiasmático, anterior y dorsomedial, mientras el último está presente  en los núcleos periventricular anterior, ventromedial, arcuato y anterior.  El estrés induce  la expresión de Crhr1 en el NPV, el cual es una significativa estación  de retroalimentación para la producción y liberación de CRH.

La liberación regulada  de cualquier péptido bioactivo  en el cerebro o la eminencia media  depende del ensamble coordinado  del complejo receptor adherido al factor sensible a N-etilmaleimida soluble (SNARE) para la fusión  de las vesículas que contienen el neuropéptido.  En el hipotálamo, la maquinaria de exocitosis  incluye  muchas proteínas específicas de región y tipo de células, incluyendo CAPS-1 y secretograninas. Un estudio reciente en ratones identificó la presencia coincidente  de Crh, Nr3c1 (receptor glucocorticoide, subfamilia 3, grupo C, miembro1) y secretagogina (Scgn) en NPV y eminencia media, con la Scgn en la membrana de los terminales que liberan CRH  en el sistema porta hipofisiario.  La Scgn  es miembro  de la superfamilia  EF-hand de proteínas ligadoras de Ca²⁺, expresadas en todos los órganos asociados  con células neuroendocrinas, incluyendo hipófisis, glándulas adrenales, intestino y páncreas. En el sistema nervioso, la Scgn  se localiza en poblaciones de neuronas de neocorteza, hipocampo, cerebelo, ganglios de la base y bulbo olfatorio.  La Scgn es una proteína sensora de Ca²⁺ que induce interacciones proteína-proteína a través de cambios conformacionales para controlar funciones celulares discretas. Entonces, la Scgn  posee las propiedades básicas  de un sensor integrativo  que puede orquestar la liberación  de las vesículas que contienen  neuropéptidos. En el hipotálamo, la Scgn es expresada principalmente en NPV y núcleo arcuato. En ratas y humanos, un subgrupo de neuronas vasopresina y oxitocina pueden co-expresar Scgn. Por el contrario, en ratones, la Scgn no co-existe   con vasopresina ni oxitocina. La evidencia genética e histoquímica sugiere que la Scgn es un marcador constitutivo  de las neuronas CRH activadas por el estrés que disparan la liberación de ACTH  por la hipófisis. Los datos ultraestructurales indican la presencia de Scgn en los terminales axónicos en la eminencia media y su asociación con el pool de vesículas de liberación rápida.

En conclusión, las neuronas CRH son funcionalmente  y molecularmente más diversas de lo que previamente se pensaba.   La CRH pertenece primariamente  a marcadores de “modalidad funcional” más que a los de “identidad celular”.

Fuente: Romanov RA et al (2017). Molecular diversity of corticotropin-releasing hormone mRNA-containing neurons in the hypothalamus.  Journal of Endocrinology 232: R161-R172.

Regulación epigenética en el aprendizaje y la memoria

La “neuroepigenética” describe procesos de la memoria como consecuencia de cambios dependientes de la experiencia dinámica. Los mecanismos epigenéticos causan compactación y relajación  del ADN, lo cual provoca represión y activación transcripcional, respectivamente. La cromatina está hecha de unidades de histonas,  cada unidad está compuesta por 8 subunidades en el centro y el ADN a su alrededor.  Como 146 bps de ADN rodean a una histona, el ADN  compactado  es capaz  de encajar en el núcleo. La cromatina puede adoptar uno de dos estados  de  manera intercambiables: heterocromatina y eucromatina. La heterocromatina  tiene una forma compacta  que resiste la unión de varias proteínas, como la maquinaria transcripcional, lo cual resulta en represión transcripcional. Por el contrario, la eucromatina tiene una forma relajada abierta a modificaciones y procesos transcripcionales, los factores transcripcionales y otras proteínas pueden unirse a sus sitios de unión en el ADN y activar la transcripción.

El término epigenética fue acuñado por Waddington en 1942 y fue usado  para describir las “interacciones de genes con su ambiente que sacan a la luz el fenotipo en existencia”. Waddington usó inicialmente  el término epigenética para explicar el fenómeno por el cual ocurren cambios no codificados  en el ADN  de la célula durante el desarrollo en respuesta a estímulos ambientales. Entre ellos se incluyen cambios postmitóticos en las neuronas  que son usados para incorporar cambios dependientes de la experiencia. Uno de los primeros estudios  que demuestra la importancia de la relación entre epigenética y plasticidad sináptica es el de Kandel y colaboradores. Este estudio investigó  el efecto a largo plazo  de las señales excitadoras e inhibidoras en neuronas sensoriales de Aplisia. Los autores descubrieron  que el neurotransmisor facilitador serotonina (5-HT) activa la proteína de unión al elemento de respuesta del AMPc 1 (CREB1), lo cual causa acetilación de histonas. Por otra parte, el neurotransmisor inhibidor  FMRFa  causa activación de CREB2 y desacetilación de histonas. Estos resultados indican que la expresión de genes  y los cambios epigenéticos son requeridos para la plasticidad sináptica relacionada con la memoria a largo plazo en  la Aplisia. Entonces, las modificaciones epigenéticas son hechas independientemente de los cambios en la secuencia del genoma y provocan la creación del “epigenoma”. El epigenoma  subyace a los cambios  bioquímicos en respuesta a estímulos ambientales  y provoca la remodelación de la estructura de la cromatina. El término  remodelación de la cromatina se refiere principalmente  a los procesos  de transformación genómica dependientes de ATP por enzimas que cambian los nucleosomas, como el complejo SWI/SNF. Este cambio en la conformación genómica sugiere  una plataforma para varios procesos, como la exposición  del promotor  de un gen específico  a su maquinaria transcripcional. La remodelación de la cromatina, la metilación del ADN y las modificaciones post-translacionales (PTM)  de histonas  son importantes  procesos de la memoria a largo plazo. Hay muchos tipos  de modificaciones de histonas, como acetilación, metilación, fosforilación, ubiquitinación y ribosilación de ADP.

La memoria nos permite  adquirir nueva información  y almacenarla en el cerebro. Mientras la formación  y el desarrollo de la memoria requieren  muchos procesos a nivel celular, el “memory engram” puede ser considerado un rastro biológico de la memoria. Este término  acuñado por Richard Semon   denota la “base material hipotética de información  aprendida”. Las células que conforman el memory engram retienen cambios bioquímicos inducidos por el aprendizaje y sostienen la información hasta su recuperación posterior sobre la base de señales apropiadas. Después de la formación  de una memoria, ocurre una cadena de reacciones biológicas para su almacenamiento a largo plazo. Roberson y Sweatt describieron  estas reacciones  como “nemogénicas” e incluyen la síntesis de novo de proteínas y las modificaciones en las histonas del ADN, las cuales alteran químicamente el sistema biológico de la información adquirida. Otro aspecto importante de la memoria es el cambio  en la fuerza de la conexión sináptica. Este fenómeno es llamado potenciación de larga duración (LTP) y durante el mismo las conexiones sinápticas aumentan en fuerza y eficacia. La LTP tardía (L-LTP) es considerada la base celular para el almacenamiento de memoria. Bliss y Lomo describieron la LTP por primera vez en 1973 a través de un experimento que demostró que un tren de estimulación de alta frecuencia causa un incremento en la eficiencia  de la transmisión sináptica en el cerebro de conejo. Esta fuerza sináptica fue efectiva por varias horas  y requirió varios cambios biológicos. En el lado postsináptico, el glutamato  a través de receptores ácido α-amino-3-hidroxi-5-metil-4-isoxazolepropionico (AMPA) y N-metil-D-aspartato (NMDA) dispara la activación de la proteína dependiente  de Ca²⁺/calmodulina (CaMKII), la cual a su vez activa a la proteína quinasa A (PKA) y la proteína quinasa activada por mitogeno (MAPK). La MAPK activada induce la transcripción mediada por  CREB en el núcleo. El CREB es un factor de transcripción que puede provocar la síntesis de proteínas como BNDF y tirosina hidroxilasa. Los brotes rítmicos de actividad que inducen LTP remedan al ritmo teta que ocurre naturalmente en el hipocampo durante el aprendizaje. Varios estudios han demostrado que  la inyección de bloqueadores de  la LTP causa alteraciones  de las tareas dependientes del hipocampo. Hay dos tipos principales de memorias: memorias de corto plazo  que duran pocas horas y memorias de largo plazo que persisten por varios días o más tiempo. La formación de la memoria de largo plazo requiere una cascada de procesos necesarios para producir nuevos ARNm y proteínas relacionados con la plasticidad sináptica. Las conexiones sinápticas son continuamente estabilizadas durante la adultez. Por otra parte, las tasas de recambio de espinas dendríticas varían en las diferentes regiones del cerebro. Esto indica que las diferentes regiones del cerebro difieren en su capacidad para la plasticidad dependiente de la experiencia.  El hecho que la plasticidad de una neurona pueda ser alterada  por un largo tiempo puede explicarse  por la síntesis de nuevas proteínas  en el soma de la neurona. La transcripción activa  y la translación local  ayudan al mantenimiento de la LTP y la consolidación de la memoria.

Una memoria, para ser establemente almacenada  debe superar su vulnerabilidad  a las disrupciones externas. Después de la adquisición inicial, la memoria se transforma  de un estado transitorio en un estado estable  durante la “consolidación de la memoria”. Los cambios estructurales a nivel celular y de circuito  apoyan el almacenamiento de la memoria de largo plazo e involucran diferentes regiones y redes  del cerebro.  Cómo persiste la memoria por largo tiempo puede explicarse por mecanismos de regulación epigenética. La transición de la cromatina entre los dos estados  son gobernados principalmente  por metilación del ADN y PTM de histonas. Un estudio reciente en ratas indica  que la expresión del gen de la ADN metiltransferasa (DNMT) aumenta en el hipocampo después del temor condicionado. Los autores también encontraron que la metilación del gen de la proteína fosfatasa 1 (PP1), represor de la memoria, aumenta después del temor condicionado, mientras el gen de plasticidad sináptica reelin es desmetilado y transcripto. La metilación de ADN cortical  es importante para la formación de la memoria remota. Por ejemplo, el aumento de la metilación del gen supresor de memoria, calcineurina (CaN), en las neuronas corticales  persiste hasta por 30 días. La infusión  de inhibidores de la DNMT en la corteza del cíngulo  causa disrupción de la memoria  y reduce los niveles de metilación  de CaN. Estos resultados apoyan la idea  que los cambios epigenéticos, como la metilación de ADN inducida por la experiencia, representan rastros de memoria de larga duración.

La metilación de ADN ocurre en las bases citosina que están próximas a guanina (CpG) y regula los estados de transición de la cromatina. Durante la metilación  del ADN, la DNMT ayuda a la unión covalente de un grupo metilo de la S-adenosilmetionina  en la posición 5´ de citosina. La metilación de ADN reprime la transcripción inhibiendo la unión de la maquinaria transcripcional a los sitios de unión y a menudo es referida como un cambio inhibitorio que induce genes silentes. En las neuronas, la metilación de ADN puede persistir porque las neuronas maduras no se dividen. Más aún, si una citosina metilada es dañada, la nueva citosina es metilada para reconstruir  el cambio epigenético. Entonces, podemos decir que la metilación de ADN, como otros procesos  epigenéticos, se auto-perpetúa  a través de la actividad DNMT.  Hay abundante evidencia que la metilación del ADN es regulada de una manera dependiente de la experiencia por la actividad neural.  Un estudio en ratones que indica el compromiso de la metilación de ADN en la memoria dependiente de hipocampo, demuestra que la activación neuronal induce cambios suficientes en la metilación de ADN  de los genes relacionados con la memoria y el tratamiento con inhibidores de la DNMT inhibe la formación  de memoria y la inducción de plasticidad sináptica. Hay tres tipos de DNMT: DNMT1, DNMT3a y DNMT3b. Antes del descubrimiento de la actividad desmetilasa de las enzimas Tet, se pensaba que la metilación  de ADN es irreversible y que la desmetilación rara vez ocurre en neuronas maduras.  Sin embargo, esta idea resultó ser equivocada con la publicación de un trabajo  que demostró que las enzimas Tet tienen actividad desmetilasa y afectan la formación y estabilización  de la memoria.  Los ratones transgénicos “knockout” Tet1 tienen afectada la expresión de genes  y la extinción de la memoria. Adicionalmente, cuando se bloquea la metilación de ADN en la corteza del cíngulo, con drogas que inhiben la DNMT, 30 días después de la formación  de memoria, se afecta la memoria remota. Estos datos implican que la metilación y la desmetilación  de ADN tienen  roles importantes en el mantenimiento y la extinción de la memoria.

¿Cómo regula la transcripción de genes la metilación de ADN? Un par de grupos metilo en la ranura mayor del ADN bloquea factores de transcripción   a partir del reconocimiento de sus sitios de unión. La metilación de ADN también incrementa la compactación  de cromatina por enzimas que remodelan histonas. Las proteínas que remodelan histonas son atraídas a sitios metilados del ADN por proteínas con dominios de unión a CpG metiladas (MDB).  Las proteínas MBD reclutan corepresores  transcripcionales, como las desacetilasas de histonas, lo cual incrementa la carga positiva  del nucleosoma y transforma la estructura de la cromatina en  heterocromatina transcripcionalmente incompetente. Las mutaciones en las proteínas MBD pueden causar discapacidades en el desarrollo, como el síndrome de Rett, el cual es causado por una mutación  en la proteína MECP2.

La capacidad cognitiva tiende a disminuir con la edad. Un estudio reciente reporta  que el declive cognitivo  asociado con el envejecimiento es concomitante con una reducción en la expresión de DNMT3a2 en el hipocampo. Cundo los autores restauraron los niveles de DNMT3a2 en ratones envejecidos, la capacidad cognitiva  fue restaurada a niveles normales  en determinadas tareas. En otro estudio, el aprendizaje del temor causado por cambios en la metilación de ADN en diferentes regiones del cerebro, así como la expresión de DNMT3a y 3b en el hipocampo, aumentó  después del temor contextual condicionado.  En este contexto, el bloqueo farmacológico de DNMT resulta en alteración del temor contextual condicionado. Estos datos son bastante controversiales  porque la metilación de ADN es conocida por regular negativamente la memoria. Sin embargo, la evidencia reciente  sugiere que la metilación de ADN puede regular la memoria interactuando con la acetilación de histonas y cambiando sus niveles. La evidencia acumulada claramente indica que la formación de memoria  requiere la hipermetilación de genes supresores de memoria y la hipometilación de genes promotores  de memoria. Entonces, la metilación de ADN es dinámicamente regulada en los procesos de la memoria.

Además de la metilación de ADN, las PTM de histonas son también importantes para la geometría de la cromatina y la expresión de genes. Las cargas positivas de las histonas no modificadas promueven una fuerte interacción con  el ADN cargado negativamente y causan un estado transcripcionalmente desfavorable de la cromatina.  Sin embargo, las histonas experimentan modificaciones (acetilación, fosforilación y metilación) que alteran sus cargas y las propiedades de unión. La acetilación de histonas involucra a la enzima histona acetiltransferasa (HAT). Las histonas acetiladas actúan como sitios para  la maquinaria transcripcional. La fosforilación de histonas también está asociada con la activación transcripcional, mientras la metilación  de histonas puede promover  la  represión transcripcional. Las memorias dependientes del hipocampo recién formadas necesitan  ser estabilizadas en una traza de memoria persistente. Los ratones con niveles disminuidos de PP1 tienen un rendimiento  de memoria remota aumentado con un  incremento de las PTM de histonas. Esto sugiere que las PTM de histonas son importantes para la consolidación y retención de la memoria. En la medida que la memoria madura, aumentan los niveles de PTM de histonas asociadas con la región promotora  de Zif268, un gen involucrado  en la memoria,  y su expresión se desvía del hipocampo a la corteza prefrontal.  Estos datos  demuestran los importantes roles de las PTM de histonas  en diferentes regiones del cerebro  y cómo ellas facilitan  la consolidación de la memoria. El incremento en los niveles de acetilación de histonas por bloqueo de desacetilasas de histonas (HDAC) puede causar un aumento en el almacenamiento de la memoria. Por lo tanto, alteraciones en  las modificaciones de histonas  o la actividad de enzimas que modifican histonas, incluyendo la proteína de unión a CREB (CBP), afecta el almacenamiento de memoria. Las modificaciones de histonas pueden disparar la transcripción de los genes  de plasticidad que cambian la respuesta de neuronas individuales y regulan la conducta. Estos patrones  de modificaciones de histonas pueden alterar la estructura de la cromatina y su punto de contacto para las interacciones con proteínas transcripcionales.

Entre los diversos  tipos  de modificaciones de histonas, la acetilación  es uno de los mecanismos más estudiados. Se trata de  la adición de un grupo acetil  a una lisina presente  en el N-terminal  del nucleosoma, la unidad básica de empaquetamiento de ADN en las células eucarióticas. Por mucho tiempo ha sido aceptado que la acetilación de histonas provoca una neutralización de carga en el nucleosoma, lo cual a su vez causa facilitación transcripcional. Sin embargo, varios estudios indican que el reconocimiento de una lisina acetilada por proteínas transcripcionales  es más importante  que el cambio de carga. La acetilación de histona es rápida,  reversible y controlada por las actividades  de HAT y HDAC. Las HAT a menudo son coactivadores transcripcionales que contienen bromodominios mientras las HDAC son corepresores. Un bromodominio  comprende aproximadamente 110 aminoácidos y reconocen lisinas acetiladas en el  N-terminal de los extremos de las histonas.

Es bien conocido que la formación de la memoria de largo plazo requiere  de la síntesis de novo de proteínas. Está demostrado que hay períodos de tiempo críticos  de síntesis de proteínas después del aprendizaje, lo que indica que hay un tiempo limite para la expresión de genes en la consolidación de la memoria.  La evidencia acumulada indica que la acetilación de histonas  es importante para la persistencia de la memoria de largo plazo. Los inhibidores de HDAC, como tirosina A y butirato de sodio (NaBu) aumentan la LTP en el hipocampo y la consolidación de la memoria durante el temor condicionante contextual. La acetilación de histonas ocurre  en varias posiciones lisina  en la histona. Por lo tanto, es posible que las diversas formas de aprendizaje induzcan diferentes patrones  de acetilación  en promotores de genes específicos. De las tres principales clases  de HDAC, la HDAC2 regula negativamente la memoria  mientras las lesiones en el gen Hdac2 causan facilitación de la memoria. La CBP es un coactivador  transcripcional  que tiene actividad  HAT y es importante para la formación de la memoria a largo plazo. Las mutaciones en el gen  de la CBP pueden contribuir  a la patología del síndrome Rubinstein-Taybi, un desorden del neurodesarrollo  que se caracteriza por déficit cognitivo y microcefalia. El promotor  del gen que codifica al  BDNF es conocido por responder a cambios en la acetilación de histonas  después del aprendizaje. Un estudio reciente encontró que el temor condicionante  provoca un patrón distinto de acetilación  en las histonas H3 y H4  alrededor  de las regiones promotores  del gen bdnf.

La estructura de la cromatina también es regulada  a través de la metilación  de histonas. Aunque la metilación  generalmente es considerada como un marcador silente  de la transcripción, la metilación de histonas  también puede inducir la activación transcripcional. La lisina puede ser mono, di y tri metilada. La di y tri-metilación de la histona H3 en  lisina 9 (H3K9) está relacionada con represión transcripcional, mientras  la metilación de histona H3 en lisina 4 (H3K4) está asociada con activación transcripcional. Tanto la expresión como la represión de genes  a través de la metilación de histonas son necesarias para la formación de memoria. La metilación de histonas es controlada por enzimas llamadas histona metiltransferasas e histona desmetilasas. Las histonas metiltransferasas pertenecen a una de tres familias de enzimas: PRMT1 arginina metiltransferasa, histona metiltransferasas dominio SET y DOT/DOT1L metiltransferasas no dominio SET. La metilación de histonas puede ocurrir  en los residuos arginina y lisina, pero la metilación de lisina en las histonas H3 y H4 es la más estudiada. El tratamiento con NaB, inhibidor de HDAC, induce un aumento en la metilación de histonas en el hipocampo. Esto sugiere un vinculo funcional entre metilación de histona y acetilación de histonas durante la consolidación de la memoria. Los ratones deficientes en el gen histona-metiltransferasa mieloide/linfoide en neuronas excitadoras adultas  muestran alteraciones  en las tareas de la memoria dependiente del hipocampo. La regulación bidireccional  de la transcripción basada en el contexto celular  y la cantidad de grupos metilos separa la metilación de histonas de otras modificaciones epigenéticas como la metilación de ADN y la acetilación de histonas, las cuales promueven principalmente una dirección de la transcripción.

Está claro que la regulación transcripcional involucra interacciones activas entre los factores de transcripción y la cromatina. La estructura de la cromatina es  dinámica y controla  procesos celulares, incluyendo la expresión de genes. Los cambios que resultan de la remodelación de la cromatina  han recibido considerable atención  en asociación  con la expresión de genes y los procesos de la memoria. Los resultados apoyan la idea que la cromatina actúa  como una dinámica plataforma de señal a través  de modificaciones  de histonas. El extremo N-terminal  de las histonas sujetas a modificaciones post-translacionales crea un estado para interacciones dinámicas  entre las histonas y las modificaciones en el ADN y las posibilidades combinatorias para la regulación de genes. La estructura de la cromatina es modificada a través de dos mecanismos. (1) Ruptura de las interacciones entre nucleosomas. (2) Reclutamiento de factores en los nucleosomas. Hay varios tipos de enzimas que modifican histonas incluyendo acetiltransferasas, metiltransferasas, serina/treonina quinasas, ubiquitina ligasas y prolina isomerasas. Las metiltransferasa y las quinasas son las más estudiadas de las enzimas que modifican histonas. El aprendizaje y los procesos de la memoria están asociados  con la remodelación de la cromatina.

En conclusión, la formación y el mantenimiento de la memoria  son controlados por procesos complejos que ocurren en diferentes niveles. Entre estos procesos, la regulación de la expresión de genes  es especialmente crucial  para la memoria.  Algunos genes necesitan ser activados mientras otros deben ser suprimidos. La regulación epigenética  del genoma  involucra procesos  como metilación de ADN y modificaciones post-translacionales  de histonas. Estos procesos editan propiedades genómicas o interacciones  entre el genoma y las histonas e inducen cambios estructurales en la cromatina y provocan cambios transcripcionales de diferentes genes. La remodelación de la cromatina es un importante proceso en el aprendizaje y la memoria que consiste en cambios estructurales en la cromatina en relación con la regulación de genes. Las modificaciones post-translacionales de histonas incluyen la metilación, la acetilación y la fosforilación. Estas modificaciones covalentes  afectan la remodelación física de la estructura de la cromatina  o regulan el reclutamiento  de señales complejas  que activan o reprimen la transcripción de genes. Las modificaciones en las histonas y la remodelación de la cromatina son críticas para la expresión de genes durante los procesos de memoria. Aproximadamente 1-4% del ADN del genoma de mamíferos  consiste de dinucleótidos CpG y aproximadamente 75% de estos dinucleótidos  son metilados.

Fuente: Kim S y Kaang BK (2017). Epigenetic regulation and chromatin remodeling in learning and memory. Experimental & Molecular Medicine 49: e281.