Las kisspeptinas y el control neuroendocrino de la reproducción

Las kisspeptinas, inicialmente catalogadas como factores supresores de metástasis, son codificadas por el gen kiss1 y operan vía el receptor acoplado a proteína G, GPR54 (kiss1R). Las neuronas que expresan kiss1 se encuentran en el hipotálamo, con dos poblaciones prominentes: una en el núcleo arqueado (ARC) y otra en el área preóptica/rostral, principalmente en el núcleo anteroventral periventricular (AVPV) en roedores y es mucho mayor en las hembras que en los varones. Las poblaciones de neuronas kiss1 de ARC y AVPV son reguladas de manera opuesta por los esteroides sexuales, los cuales reprimen la expresión de kiss1 en el ARC, pero la estimulan en el AVPV, como base de su regulación por retroalimentación negativa y positiva de gonadotropinas, respectivamente. Durante la pubertad, las neuronas kiss1 incrementan el número de aposiciones y acciones excitadoras sobre las neuronas GnRH.

   Las kisspeptinas activan neuronas GnRH y provocan una robusta respuesta de gonadotropinas en diferentes especies, incluyendo humanos. Un subgrupo de neuronas kiss1 en el ARC llamado neuronas KNDy co-expresan neuroquinina B (NKB) y dinorfina (Dyn) como señales estimuladoras e inhibidoras reciprocas, respectivamente par el control de las neuronas GnRH. En roedores, las neuronas kiss1 del AVPV juegan un rol clave en la generación del pico pre-ovulatorio de gonadotropina como principal disparador de la ovulación. Las neuronas kiss1 son moduladas por factores nutricionales y metabólicos que se ha propuesto que participan en el control metabólico de la pubertad y la reproducción.

   La señal kisspeptina en el hipotálamo juega un rol indispensable en el inicio fisiológico de la pubertad. Las kisspeptinas actúan en concierto con otros transmisores centrales y operan como amplificadores de la cascada de eventos que provocan la activación completa de la neurosecreción de GnRH en la pubertad. Los estudios iniciales demuestran un rol de la sustancia P (SP), codificada por Tac1, la cual opera vía el receptor NK1R, en el control de la pubertad. La interacción de la SP con la señal kisspeptina ocurre en dos sitios (1) la mitad de las neuronas Kiss1 muestran respuesta electrofisiológica a la SP, sugiriendo que la SP puede aumentar la descarga kisspeptina a las neuronas GnRH, (2) NK1R y GPR54  pueden heterodimerizarse. Otros transmisores centrales, además de kisspeptinas y taquiquininas, juegan un rol en el control de la pubertad. Un estudio reciente demuestra que las neuronas en el núcleo premamilar ventral (PMV) expresan PACAP (polipéptido activador de la adenil ciclasa de la hipófisis), el cual se proyecta y activa un grupo de neuronas Kiss1 en ARC y AVPV, sugiriendo una nueva ruta PACAP/kispeptina para la modulación de la pubertad.

   Los estudios farmacológicos han reforzado el concepto que NKB opera principalmente vía estimulación de la descarga kisspeptina sobre las neuronas GnRH, análisis que han permitido también  ponderar la contribución relativa de NKB (co-expresada en neuronas Kiss1) y otras taquiquininas como SP y NKA en el control de GnRH y la secreción de gonadotropinas. El trabajo farmacológico en roedores ha proporcionado evidencia de un efecto diferencial de NKB y otras taquiquinina dependiendo del estatus gonadal, el estado de desarrollo, el sexo y aún las gonadotropinas (LH vs FSH).

   El advenimiento de métodos más incivos también ha permito progresos en la caracterización de las propiedades neuroanatómicas y moleculares de la población de neuronas KNDy en diferentes especies y sus conexiones.  Esta técnica ha permitido identificar diferencias de sexo con alto número de conexiones en ratones hembras  en las neuronas que responden a los estrógenos en el núcleo periventricular y área preóptica medial. Estos análisis no solo han documentado que en humanos el grado de co-expresión de Dyn en las neuronas Kiss1/NKB en el ARC es mucho menor que en roedores, sino también diferencias en el grupo de co-transmisores de las neuronas Kiss1, pues en contraste con ratones, las neuronas Kiss1 humanas no  co-expresan galanina, ellas expresan SP, opioides derivados de proencefalina y CART (transcripto regulado por anfetamina y cocaína), el cual no se encuentra en las neuronas en  Kiss1 del ARC de roedores. Estos hallazgos sugieren potenciales diferencias funcionales entre las especies.

   En la caracterización de sus co-transmisores, las neuronas KNDy han demostrado ser también glutamatérgicas, al menos en ratones. El glutamato no participa en el control de la neurosecreción de GnRH sino que es relevante en la modulación estrogénica de estas poblaciones neuronales con roles claves en la homeostasis  metabólica, vía proyecciones KNDy, de una manera independiente de kisspetinas. En efecto, las neuronas KNDy expresan altos niveles del receptor α de estrógenos (ERα) y excitabilidad aumentada de las neuronas Kiss1 y la transmisión de glutamato disparada por estrógenos parece jugar un rol relevante en el control de la alimentación en ratones.

   El advenimiento de técnicas modernas para funcionamiento celular, manipulación in vivo, acoplados con los progresos de la interacción física entre fibras Kiss1 del ARC y neuronas GnRH ha proporcionado evidencia directa del modo de acción y relevancia fisiológica de las neuronas KNDy en el control de la secreción pulsátil de GnRH. El uso de estas técnicas ha proporcionado evidencia en ratones que un subgrupo de neuronas Kiss1 del ARC, sostenible con células KNDy, son el centro del llamado pulso generador de GnRH como mayor disparador extrínseco de los pulsos de GnRH. Estos estudios no solo apoyan el concepto que las neuronas Kiss1 del ARC son el pulso generador de GnRH sino también una relación no lineal entre frecuencia de pulso generador y frecuencia de LH, con inhibición de la secreción pulsátil de LH después de estimulación con frecuencia ultra alta.

   Entre los avances sobre la caracterización de mecanismos para el control transcripcional de Kiss1, posiblemente el concepto más relevante de los mecanismos que controlan la expresión de Kiss1 es el reconocimiento de los roles de diferentes mecanismos epigenéticos en este fenómeno. La regulación epigenética de la reproducción influye no solo en otras poblaciones neuronales (por ejemplo, neuronas GnRH) sino también en otros tejidos reproductivos como la hipófisis y las gónadas. Otro mecanismo epigenético involucra ARN no codificantes que participan en la regulación de varios aspectos de la función reproductiva. Esto es particularmente el caso de los microARN (miARN), los cuales operan a diferentes niveles para modular varias facetas de la función reproductiva.

   Las neuronas POMC en el ARC son un elemento central para la homeostasis metabólica. Adicionalmente, esta población neuronal modula la función reproductiva  y su principal producto α-MSH, actúa vía receptores melanocortina 3 (MC3R) y MC4R para modular directamente la actividad neurosecretora GnRH. Otro producto de las neuronas POMC, CART, también modula neuronas Kiss1. Las fibras CART positivas se encuentran en estrecho contacto con neuronas Kiss1 de ARC y AVPV, así como también neuronas GnRH, y el CART excita neuronas Kiss1 y GnRH en ratones. Las neuronas NPY/AgRP no solo  antagonizan la función de las neuronas POMC en términos de ingesta de alimentos y control metabólico, sino que tienen efectos opuestos en términos de control de la función reproductiva.

    Los estudios conducidos en la última década reportan potenciales acciones reguladoras de hormonas metabólicas en el control de las neuronas Kiss1. Este es el caso de leptina, insulina y ghrelina. La expresión del receptor de insulina ha sido detectada en neuronas Kiss1 de ratón y la insulina activa canales TRPC5 para excitar este tipo de células. Por otra parte, los estudios iniciales evidencian que la hormona orexigénica, ghrelina, inhibe la expresión hipotalámica de neuronas Kiss1 como mecanismo para la supresión de la pulsatilidad de LH en ratas. Estudios más recientes en ratones han demostrado la  co-expresión del receptor de ghrelina y ERα en sub grupo de neuronas Kiss1 y documentado que la respuesta de las neuronas Kiss1 a la ghrelina es modulada por estradiol. El blanco de rapamicina de mamíferos (mTOR) es un modulador de la expresión de neuronas Kiss1 y contribuye a trasmitir los efectos permisivos de la leptina en el inicio de la pubertad en ratas hembras. Recientemente, ha sido explorado el rol del homólogo de fosfatasa y tensina (PTEN) en las neuronas Kiss1. El PTEN es conocido por bloquear la PI3K. El PTEN puede restringir la ruta PI3K/mTOR en las neuronas Kiss1 para suprimir el eje gonadotrópico en condiciones de déficit de energía. El rol de la AMPK en el control metabólico del eje reproductivo y particularmente de las neuronas Kiss1 ha sido explorado en los años recientes. La AMPK es regulada y opera de manera opuesta a mTOR. La AMPK es activada en condiciones  de déficit de energía y es inhibida por la leptina. El SIRT1 es otro sensor metabólico que ha sido propuesto como modulador de neuronas Kiss1. Este es un miembro de la familia sirtuina que opera como  desacetilasa clase III dependiente de NAD⁺ actuando sobre varios blancos como histonas y p53 para modular numerosos procesos  biológicos. Como en el caso de la AMPK, SIRT1 puede funcionar como sensor de energía celular y es activado por condiciones de restricción de energía. La expresión de SIRT1 se encuentra en el ARC y el ayuno causa un moderado incremento de sus niveles.

   Hay total consenso que el sitio primario de expresión y acciones de las kisspeptinas para el control del eje reproductivo es el hipotálamo. Sin embargo, hay amplia evidencia de la expresión de Kiss1, kisspeptinas y  GR54  en múltiples tejidos periféricos, reproductivos y no reproductivos, donde las kisspeptinas participan en muchas funciones biológicas. Estas incluyen no solo un potencial rol como supresor de metástasis en diferentes canceres, sino también la modulación local de la función de la hipófisis y las gónadas, la regulación de la placenta humana, el control de la secreción pancreática de insulina, el tono vascular y el desarrollo renal.

   Kiss1, kisspeptinas y GPR54 son expresados en el ovario de mamíferos, incluyendo ratas, monos y humanos con una variedad de funciones como el control de la pubertad en ratas, modulación de células granulosa y envejecimiento ovárico en ratas. En este contexto, los estudios farmacológicos, usando antagonistas de kisspeptinas han demostrado que el bloqueo de las acciones de las kisspeptinas localmente en el ovario de la rata no solo perturba la maduración del ovario en la pubertad sino que también reduce el cuerpo lúteo mientas la inyección directa de kisspeptina en el ovario evoca los efectos opuestos.

   Con relación a la expresión testicular y acciones de las kisspetinas, la evidencia indica la presencia en células de Leydig pero no en células de Sertoli en ratones. Los niveles de kisspeptina son modulados por la LH. A su vez, las kisspeptinas aumentan la magnitud de la respuesta de la testosterona al agonista de LH, gonadotropina coriónica humana (hCG) en monos in vivo. Sin embargo, el rol fisiológico de las kisspetinas locales en el control de la función testicular se mantiene controversial.

   En conclusión, el descubrimiento de la dimensión reproductiva de las kisspeptinas y los esfuerzos de investigación para la caracterización de sus funciones fisiológicas y mecanismos de acción en el control del eje reproductivo, puede ser considerado uno de los aspectos más relevantes en la neuroendocrinología contemporánea. Mientras la distribución anatómica y algunas características funcionales de las principales poblaciones de neuronas Kiss1 han sido bien establecidas, la heterogeneidad molecular de las neuronas Kiss1 de ARC y AVPV, su origen diferencial y sus patrones transcripcionales dependientes de sexo, estado de desarrollo y estatus funcional del eje reproductivo se mantienen aún desconocidos. Los mecanismos epigenéticos responsables del control de la expresión de Kiss1 han proporcionado un complemento al conocimiento previo del control transcripcional de Kiss1. Notable progreso se ha logrado sobre el conocimiento de los mecanismos  moleculares para el control de neuronas Kiss1 por factores metabólicos y nutricionales.

Fuente: Sobrino V el at (2022). Kisspeptins and the neuroendocrine control of reproduction: recent progress and new frontiers in kissspeptin research. Frontiers in Neuroendocrinology 65: 100977.

 

La correlación entre melatonina y hormonas reproductivas

La melatonina, N-acetil-5-metoxitriptamina, es una hormona conocida por estar asociada con la modulación de los ritmos circadiano y estacional en muchas funciones biológicas del cuerpo. Esta hormona es liberada rítmicamente en la noche por la glándula pineal y su síntesis está bajo el control del oscilador endógeno en el núcleo supraquiasmático (NSQ) del hipotálamo, el cual a su vez está sincronizado con el ciclo luz/oscuridad ambiental. Más aún, el tiempo y el intervalo de la producción nocturna de melatonina cambian de acuerdo a la duración de las noches. La secreción de melatonina es el reflejo interno del fotoperíodo externo. Entre otras acciones, la melatonina es conocida por integrar alteraciones rítmicas para controlar la fisiología circadiana y estacional en varios procesos como metabolismo, inmunidad, función cerebral y reproducción. Particularmente, el rol de la melatonina en el control de la fisiología reproductiva ha sido documentado en los últimos años. Este control es adquirido a nivel del eje hipotálamo-hipófisis-gonadal (HHG), el cual determina el desarrollo del ciclo reproductivo. La influencia de la melatonina en la síntesis y liberación de la hormona liberadora de gonadotropinas (GnRH) por el hipotálamo es bien conocida, eventualmente regulando una variedad de respuestas fisiológicas en la función y actividad gonadal.

   La síntesis de melatonina involucra al triptófano como precursor que es convertido en serotonina después de hidroxilación y descarboxilación para producir melatonina. La regulación de la síntesis de melatonina en la glándula pineal es controlada por una ruta neural multisináptica que involucra al tracto retinohipotalámico y al  NSQ del hipotálamo. La información llega a la glándula pineal vía fibras simpáticas postganglionares periféricas. Las elevaciones nocturnas en estimulación noradrenérgica vía receptores β y α1 adrenérgicos en los pinealocitos, activa la proteína quinasa C (PKC) e incrementa el movimiento de Ca^2+, provocando un incremento en la concentración intracelular de cAMP. La acumulación de cAMP activa la proteína quinasa A (PKA) la cual a su vez incrementa la actividad de la arilalquil-amina-N-acetiltransferasa (AANAT). Una vez sintetizada, la melatonina es secretada directamente en el líquido cerebro espinal del tercer ventrículo y en la circulación sanguínea, alcanzando todos los tejidos del cuerpo en un corto período de tiempo.

   La melatonina es capaz de regular  varias funciones fisiológicas a partir del ciclo sueño/vigilia y la modulación de ritmos circadianos para el desarrollo neural y la protección y regulación del sistema inmune y las funciones endocrinas. Estas acciones son manejadas a través de la activación de receptores de membrana acoplados a proteína G, MT1 y MT2, y un potencial receptor citoplasmático MT3. Debido a la conexión entre receptores y proteínas Gαi/o, la modulación del segundo mensajero cAMP y los niveles de calcio y también la activación de subtipos de PKC son las rutas de señalización disparadas por la melatonina más aceptadas. Receptores de membrana de melatonina funcionales  han sido descritos en varias estructuras cerebrales y también en tejidos no neurales como sistema cardiovascular, sistema inmune, sistema endocrino, tracto gastrointestinal, hueso y órganos reproductivos. Adicionalmente, la melatonina también exhibe múltiples acciones a través de un mecanismo independiente de receptor.

   Un estudio, usando un protocolo de rutina constante, determinó una posible influencia de diferencia de sexo en el metabolismo y la excreción de melatonina. Los hallazgos indican que las hembras exhiben una mayor amplitud en el ritmo de los niveles plasmáticos de melatonina, pero no reporta diferencia entre hembras y varones en los niveles urinarios de 6-sulfatoximelatonina (aMT6), el principal metabolito urinario de la melatonina. Diferencias individuales en peso corporal, edad, consumo de cafeína, medicaciones, privación  de sueño y diferencias metodológicas en la medición de melatonina han sido asociadas con la variabilidad  en los niveles de melatonina. La presencia de receptores de melatonina en los órganos reproductivos humanos y la evidencia de receptores de hormonas sexuales en la glándula pineal sugiere una relevante interacción entre hormonas sexuales y melatonina.

   Muchos reportes apoyan un rol crítico de la melatonina sobre los niveles de hormonas reproductivas y, por tanto, en las actividades reproductivas a través de la activación de receptores localizados en el eje HHG. En hombres, las investigaciones no reportan diferencias en la síntesis de hormona luteotrópica (LH), hormona estimulante de folículo (FSH) y testosterona después de la administración de melatonina. Por el contrario, en mujeres, los hallazgos indican una clara respuesta de las hormonas reproductivas al tratamiento exógeno con melatonina. Por ejemplo, el tratamiento con melatonina aumenta la amplitud  del pulso de LH y los niveles de LH durante la fase folicular del ciclo menstrual. Adicionalmente, la administración nocturna de melatonina disminuye los niveles de FSH. Estos estudios proporcionan  evidencia convincente de un ajuste de hormonas del sistema reproductivo femenino por la melatonina.

   La melatonina secretada por la glándula pineal regula a la hormona liberadora de gonadotropinas (GnRH), un componente central del eje HHG, afectando la secreción de hormonas reproductivas. Adicionalmente, la melatonina puede ajustar los niveles de hormonas reproductivas vía un circuito indirecto a través del sistema KISS-1/GPR54. El consenso actual es que los efectos de la melatonina sobre las hormonas reproductivas pueden ser coordinados por tres diferentes sitios de acción (1) Las neuronas hipotalámicas GnRH, (2) la hipófisis, (3) gónadas/órganos reproductivos.

   Los receptores de las hormonas reproductivas están presentes en la glándula pineal de roedores, bovinos y humanos, sugiriendo un posible rol de las hormonas reproductivas sobre la síntesis de melatonina. Es aceptado que los niveles plasmáticos de testosterona pueden ser indispensables para preservar el pico nocturno de melatonina. Por otra parte, en mujeres, está bien documentado que los niveles plasmáticos de melatonina disminuyen con la edad, alcanzando niveles mínimos en la menopausia. La secreción nocturna de melatonina incrementa en mujeres que usan anticonceptivos orales. Con respecto a la progesterona, la síntesis de melatonina disminuye en mujeres postmenopáusicas tratadas con progesterona durante el período de oscuridad. Por tanto, es posible sugerir que las hormonas reproductivas afectan el pico nocturno de melatonina, los niveles circulantes y la duración de la secreción. Es viable considerar que las alteraciones hormonales asociadas con la edad ajustan los niveles de melatonina a través de la regulación de actividad de la AANAT. También es posible que las acciones directas o indirectas de la melatonina apoyen las fluctuaciones de las hormonas reproductivas. La melatonina puede actuar en las células de Leydig del testículo y las células tecales del ovario.  La melatonina regula la secreción de testosterona, aumenta la respuesta de las células de Sertoli a  la FSH durante el desarrollo testicular y tiene un rol en el crecimiento celular, la proliferación y la actividad secretora de las células testiculares. Adicionalmente, esta hormona puede proteger al testículo contra la generación local  de especies reactivas de oxígeno (ROS) y la agresión inflamatoria. También, la melatonina protege a los espermatozoides de la apoptosis. La melatonina  presenta un rol modulador del balance oxidante/antioxidante que mantiene la fertilidad masculina y la espermatogénesis, pues el microambiente testicular se caracteriza por baja tensión de oxígeno y estrés oxidativo debido a la abundancia de ácidos grasos insaturados y la presencia de sistemas generadores de ROS incluyendo las mitocondrias y una variedad de enzimas que participan en la espermatogénesis.

   La melatonina regula la esteroidogénesis a través de la proteína StAR. La melatonina también puede inducir la expresión de la 5-α reductasa, la cual es importante para la conversión de testosterona en la forma activa 5α-dihidrotestosterona. La melatonina también inhibe la expresión de la 3α- hidroesteroide deshidrogenasa, una enzima que cataliza la interconversión entre 5α- dihidrotestosterona y 3α-androstanediol. Adicionalmente, la melatonina incrementa significativamente la inhibina B, considerada un marcador de daño de las células de Sertoli. La melatonina tiene múltiples rutas de transducción para modular la fisiología de las células de Sertoli e influir en la espermatogénesis.

   La melatonina presenta varios efectos en los ovarios. (1) Influye en la acción de la LH, (2) juega un rol en el mantenimiento de la morfología folicular, importante para el proceso de ovulación, (3) la melatonina está involucrada en  la dinámica folicular, la ovulación, la degradación del cuerpo lúteo, la calidad del oocito y la esteroidogénesis. El nivel de estrógenos puede interferir con la actividad de los receptores de melatonina (MT1 y MT2) en células granulosas de ratas. Por tanto, los estrógenos pueden cambiar el efecto del receptor de melatonina sobre la señal cAMP. Consecuentemente, melatonina y estrógenos coparticipan en los procesos de crecimiento folicular, angiogénesis y mantenimiento de la calidad del oocito. Esto puede explicar la razón porque la concentración folicular de melatonina es tres veces mayor que la de la circulación. Adicionalmente, la melatonina juega un rol en la morfología del ovario, la dinámica folicular y la integridad del folículo ovárico. La melatonina puede mantener la salud folicular a través de la inhibición de la apoptosis de células granulosas. La melatonina también activa las rutas StAR y PI3K/AKT en las células tecales del ovario e influye en la producción de andrógenos. La ruta PI3K/AKT es importante para la esteroidogénesis y la apoptosis. Por tanto, la melatonina puede modular la acción de la LH en la esteroidogénesis y la apoptosis a través de esta ruta, al menos en las células tecales.

   Además de sus efectos autocrino y paracrinos, la melatonina actúa como un antioxidante directo e indirecto, su estructura molecular consiste en un anillo pirrólico que contiene electrones que fácilmente atrapan ROS y especies nitrosativas reactivas (NOS). Estas reacciones generan otras moléculas antioxidantes estables como 3-hidroximelatonina cíclica, N1-acetil-N2-formil-5-metoxikinuramina y N1-acetil-5-metoxikinuramina, cuyos potenciales de atrapamiento de radicales libres son aún mayores que los observados para la melatonina. Con relación a los efectos antioxidantes indirectos, la melatonina incrementa la expresión de enzimas antioxidantes como superóxido dismutasa, glutatión peroxidasa y catalasa. Adicionalmente, la melatonina por su naturaleza anfipática cruza libremente todas las membranas del organismo, alcanzando las mitocondrias donde su rol es crucial para eliminar radicales libres en la cadena trasportadora de electrones. La melatonina ejerce sus efectos antioxidantes  por mecanismos dependientes de receptor y mecanismos independientes de receptor.

   La transición endocrina en la menopausia se caracteriza por disrupción de los sistemas regulados por estrógenos como termo-regulación, sueño y ritmos circadianos. Está bien documentado que entre mujeres menopáusicas y postmenopáusicas, uno de los mayores problemas reside en la desregulación de los ciclos sueño/vigilia probablemente como resultado de una reducción no solo de estrógenos sino también de los niveles de melatonina. La administración de melatonina resincroniza los ritmos circadianos, afectando síntomas asociados con fluctuaciones hormonales. En ratas ovariectomizadas, el tratamiento con melatonina reduce la ingesta de alimentos y previene el incremento de peso corporal y colesterol, cambios metabólicos asociados con la menopausia y la postmenopausia. Basados en la evidencia disponible actualmente, es razonable sugerir que la melatonina es una alternativa terapéutica para el control de la complejidad de síntomas del climaterio relacionados con la deficiencia de hormonas esteroides en mujeres menopáusicas y postmenopáusicas.

   En conclusión, está claro que la melatonina interactúa con las hormonas esteroides sexuales de una manera recíproca, donde la acción de la melatonina influye pero también es influenciada por los esteroides sexuales. Esta comunicación depende de los niveles de melatonina, la edad, el estatus hormonal y las condiciones ambientales. Más aún, las rutas directas o indirectas involucradas en esta interacción tienen un alto nivel de complejidad. Clínicamente, la relación entre la melatonina y las hormonas esteroides sexuales es de particular importancia en la reproducción masculina y femenina así como también en la transición a la menopausia.

Fuente: Cipolla-Neto J et al (2022). The crosstalk between melatonin  and sex steroid hormones. Neuroendocrinology 112: 115-129.

 

Fisiología y fisiopatología de la irisina

Los miocitos o células musculares producen mioquinas (las cuales son citoquinas) en respuesta a la contracción muscular. Las mioquinas están involucradas en las regulaciones autocrinas del metabolismo muscular, mientras en otros tejidos y órganos como tejido adiposo,  cerebro e hígado son responsables de la regulación paracrina o endocrina a través de sus receptores. Los receptores de las mioquinas están presentes en músculo, corazón, hígado, tejido adiposo, páncreas, hueso, células inmunes y células cerebrales. La localización del receptor indica que las mioquinas tienen múltiples funciones. Adicionalmente a otras mioquinas que han sido encontradas en el músculo esquelético como IL-15, IL-6, IL-8, factor inhibidor de leucemia, FGF21, BDNF está la irisina, la cual fue reportada por primera vez en 2012. Fue reportada como una molécula capaz de inducir cambios en el tejido adiposo y activar la termogénesis. Desde su descubrimiento, la irisina ha sido objeto de extensa investigación debido a su función en varias condiciones fisiológicas.

   La irisina  deriva de la proteína FNDC5 a través de  su fragmento extracelular y es secretada en la circulación periférica. Los estudios iniciales demuestran que la irisina convierte el tejido adiposo blanco (TAB) en tejido adiposo marrón (TAM) principalmente regulando al alza la expresión de la UCP1 a través del aumento del gasto de energía. Recientemente se ha revelado que la irisina está involucrada en mejorar la tolerancia a la glucosa y ayuda a disminuir la resistencia a la insulina.

   Varios estudios han descubierto importantes roles biológicos de la irisina como la regulación de la conducta depresiva, la proliferación de osteoblastos y la masa ósea cortical. Se ha sugerido que la irisina también tiene algunos roles beneficiosos en el sistema nervioso central y que activa las rutas de señalización Akt y ERK1/2 en tejidos cerebrales. Más aún. La irisina regula algunos factores de riesgo de la enfermedad de Alzheimer (EA), incluyendo neurogénesis alterada, estrés oxidativo, resistencia a la insulina y desbalance de factores neurotróficos. La irisina tiene un rol importante en varias condiciones, incluyendo neurogénesis en el hipocampo, inflamación, envejecimiento y otras condiciones metabólicas.

   La irisina es secretada principalmente por el músculo esquelético. Sin embargo, estudios inmunohistoquímicos demuestran que también se encuentra en páncreas, testículo, hígado y estómago. La secreción y síntesis de irisina son inducidas por el ejercicio y el PGC1α. El PGC1α es un co-activador de la transcripción multiespecífico, el cual es competente en múltiples regulaciones de genes en respuesta a señales nutricionales y fisiológicas en  tejidos como el TAM, músculo esquelético, hígado y corazón. Como la irisina es una mioquina inducida por el ejercicio, los niveles circulantes  aumentan en individuos con actividades inducidas por el ejercicio y disminuye progresivamente en los individuos sedentarios y menos activos. El ejercicio prolongado incrementa la expresión de PGC1α principalmente en músculo esquelético y corazón mejorando varios parámetros metabólicos, incluyendo la activación de AMPK, la fosforilación de PGC1α, la señal y sensibilidad a la insulina y la producción de FNDC5 y, por tanto, la secreción de irisina. La exposición al frío incrementa los niveles circulantes de irisina en humanos, sugiriendo que la irisina inducida por el ejercicio podría derivar  de la contracción muscular relacionada con escalofríos. Muchos estudios han confirmado que los niveles circulantes de irisina en el cuerpo son afectados por varios factores como dieta, enfermedades metabólicas y otros desórdenes patológicos.

   La irisina es una porción de la proteína de membrana celular conocida como FNDC5. La FNDC5 consiste en un péptido señal, un dominio fibronectina III (FNIII) y un dominio C-terminal. La FNDC5 comprende 209 residuos aminoácidos con una secuencia señal de 29 aminoácidos en el extremo N-terminal, seguida por un residuo fibronectina III de 94 aminoácidos, dos dominio irisina, un péptido de enlace de 28 residuos de aminoácidos, un dominio transmembrana de 19 residuos de aminoácidos y un dominio citoplasmático de 39 residuos de aminoácidos. La estructura de la irisina es homóloga a los dominios FNIII con un dominio N-terminal (30-123 residuos) y con un C-terminal compuesto por 124-140 residuos. La irisina es un péptido de 112 aminoácidos que incluye 94 residuos de aminoácidos del dominio extracelular de FNIII derivados del extremo C-terminal de FNDC5. En la irisina hay dos sitios de N-glucosilación, en la posiciones  Asn-7 Asn-52.

   Hay varias rutas de señalización intracelular a través de las cuales FNDC5/irisina lleva a cabo sus funciones biológicas. Las principales rutas a través de las cuales la irisina ejerce su acción en la marronización de TAB, la diferenciación neural y la proliferación de osteoblastos es la ruta de señalización MAPK. Adicionalmente, hay otras cascadas de señalización como las rutas AMPK, PI3K/AKT y STAT3/Snail, las cuales median otras funciones importantes de FNDC5/irisina. Las principales funciones del gen fndc5/irisina en el cuerpo son mediadas por p38 y ERK. Las rutas AMPK y PI3K/AKT median los efectos de la irisina en las actividades de proliferación, anti-inflamatoria  y anti-metastática. La irisina también estimula la ruta cAMP/PKA/CREB regulando la plasticidad neuronal. Por otra parte, la irisina puede inhibir la adipogénesis a través de la activación de la expresión de Wnt siguiendo la represión de factores de transcripción.

   Hasta el presente, el receptor para irisina no ha sido identificado completamente. Sin embargo, un estudio reciente sugiere que la familia αV de receptores integrina funciona como receptores de integrina en la grasa termogénica y osteocitos. La mayoría de los complejos integrina, incluyendo integrina β1-α1, muestran unión significativa con la irisina. Sin embargo, las integrinas αV/β5 muestran la más alta afinidad de unión. Estos datos sugieren que aunque ningún receptor específico para irsina ha sido identificado, ejerce su acción vía integrinas αV/β5 en hueso y tejido adiposo. Aunque las integrinas  αV/β5 funcionan como receptores de integrina en algunos tejidos, hay la posibilidad de otros receptores fuera de la familia integrina.

   Los roles más significativos de la irisina incluyen marronización de adipocitos blancos, proliferación neural y metabolismo óseo. Otros efectos de la irisina involucran la homeostasis de la glucosa y el metabolismo cardíaco. La obesidad resulta de un persistente balance energético positivo, lo cual ocurre cuando la ingesta de energía es mayor que el gasto de energía. Está asociada con el riesgo de enfermedades como diabetes mellitus, enfermedades cardíacas, etc. La acumulación de grasa en el tejido adiposo es importante para el almacenamiento de energía en el cuerpo. Sin embargo, la excesiva acumulación de grasa corporal provoca obesidad. La irisina induce la expresión de UCP-1 en las células grasas maduras, lo cual resulta en la reprogramación del TAB para tener el fenotipo del TAM por el proceso de marronización de TAB. La marronización del TAB es inducida por la irisina a  través de las rutas de señalización p38MAPK y ERK MAPK. La carencia de irisina está acoplada con una pobre respuesta de marronización y alteraciones glucosa/lípidos. La capacidad de la irisina para convertir células TAB en el fenotipo de células TAM puede ser un potencial blanco terapéutico para la obesidad y otras enfermedades asociadas.

   La irisina actúa como una hormona sensibilizadora de insulina y mejora el metabolismo hepático de glucosa y lípidos promoviendo las funciones de las células β pancreáticas y ayuda a mejorar la resistencia a la insulina y la diabetes tipo 2. La irisina facilita la captación de glucosa  por los músculos esqueléticos y también mejora el metabolismo hepático de lípidos y glucosa. Hay una asociación inversa entre irisina y diabetes tipo 2 con reducidas concentraciones de irisina en pacientes diabéticos. En los pacientes diabéticos, las complicaciones vasculares debidas a disfunción endotelial son la principal causa de muerte. En la diabetes tipo 2, la irisina mejora la disfunción endotelial reduciendo el estrés oxidativo/nitrato a través de la inhibición de las rutas de señalización NF-κB/iNOS y PKC-β/NADPH oxidasa.

   El ejercicio físico muestra efectos beneficiosos en el funcionamiento del sistema nervioso. En ratones, el ejercicio moderado y regular aumenta la diferenciación y proliferación de neuronas, incrementa el período de supervivencia y estimula la migración neuronal. La irisina se encuentra en células de Purkinje, hipotálamo y líquido cerebroespinal. Varias evidencias demuestran que la irisina cruza la barrera hemato-encefálica, donde induce al BDNF, el cual está involucrado en la regulación de la plasticidad sináptica. Por otra parte, la irisina juega un rol crucial en la activación de la autofagia y exhibe un rol protector contra la inflamación. Está demostrado que la activación de las rutas de señalización Akt y ERK1/2 puede ser esencial para los efectos neuroprotectores de la irisina. Además del BNDF, la irisina regula otros factores que afectan la proliferación en hipocampo como la señal STAT3.

   La pérdida de masa ósea con la edad incrementa la susceptibilidad a fracturas. La osteoporosis incrementa la comorbilidad, reduce la calidad de vida y acorta el tiempo de vida. Estudios recientes en ratones demuestran que la irisina actúa directamente en el tejido óseo y el tratamiento con irisina recombinante incrementa la densidad mineral cortical y mejora la geometría y fuerza del hueso. El tratamiento con irisina incrementa el nivel plasmático de esclerostina, un producto específico  de los osteocitos que causa resorción ósea e inicia la  remodelación del hueso. Los estudios in vitro sugieren que la irisina promueve la proliferación de osteoblastos y aumenta los niveles de expresión de reguladores transcripcionales de los osteoblastos. La irisina ejerce  su efecto osteogénico a través de la activación de las rutas ERK y p38 MAPK. Además de estimular la remodelación ósea, la irisina también funciona como una hormona contrarreguladora, pues actúa directamente sobre progenitores de osteoclastos para aumentar la diferenciación y promueve la resorción ósea.

   La irisina también está implicada en la carcinogénsis, pero su rol en la progresión del cáncer es actualmente ambiguo. La irisina puede  revertir la característica del cáncer de células resistentes a la muerte promoviendo la actividad de la caspasa 3 y, por  tanto, la apoptosis. Un reporte demuestra que el nivel de irisina incrementa significativamente en pacientes con tumores renales, sugiriendo que la irisina puede ser usada como biomarcador para el diagnóstico de cáncer renal.  Aunque los datos disponibles sugieren que la irisina puede ser una posible sustancia para la regresión del cáncer disminuyendo los marcadores pro-inflamatorios relacionados con la obesidad, hay aún controversia con relación a los beneficios de la irisina y algunos estudios no demuestran efecto de la irisina en varios canceres.

   En conclusión, la principal función de la irisina es promover la marronización de adipocitos blancos. Los otros efectos fisiológicos beneficiosos ejercidos por la irisina incluyen propiedades anti-inflamatorias, efectos anti-metastáticos, efectos neuroprotectores y mitigación del estrés oxidativo. El receptor de irisina no es completamente conocido. Sin embargo, es probable que en algunos tejidos actúe a través de una clase específica de receptores integrina.  La irisina está involucrada en varias enfermedades como obesidad, diabetes tipo 2, osteoporosis, isquemia cerebral  y enfermedad de Alzheimer.

Fuente: Waseem R et al (2022). FNDC5/irisina: physiology and pathophysiology. Molecules 27: 1118.

 

La regulación de la foenixina

Desde su identificación hace ocho años, el péptido foenixina (PNX) ha sido relacionado con numerosos procesos fisiológicos y posibles aplicaciones terapéuticas. La PNX fue descubierta por Yosten y colaboradores usando un algoritmo bioinformático basado en los datos del proyecto Genoma Humano. La PNX fue detectada en mayor cantidad en el hipotálamo de la rata, pero también está presente en corazón, bazo, timo y páncreas entre otros tejidos. En el hipotálamo, la presencia de PNX ha sido identificada en varios núcleos incluyendo el núcleo arqueado (ARC), núcleo paraventricular (NPV), núcleo supraóptico y eminencia media. La PNX deriva del C-terminal de la proteína de membrana 20 (SMIM20), una proteína involucrada en la  respiración celular a través de su rol en el ensamble de la citocromo C oxidasa mitocondrial. La PNX es producida predominantemente en dos isoformas amidadas: un péptido de 14 aminoácidos (PNX-14) y un péptido con N-terminal extendido de 20 aminoácidos (PNX-20). La PNX-14 es idéntica en humanos, roedores y cerdos, mientras la PNX-20 difiere por un aminoácido en cerdos. Aunque los patrones de distribución de las isoformas PNX no han sido completamente aclarados, los estudios sugieren que las isoformas muestran un patrón de expresión tisular ligeramente diferente. Por ejemplo, PNX-20 es más altamente expresada en el hipotálamo, aunque PNX-14 y PNX-20 parecen funcionar de manera similar.

   Un estudio reciente reporta que la PNX estimula la expresión de los genes Gnrh y kisspeptina (kiss1) en neuronas hipotalámicas, lo cual indica que PNX es un regulador positivo del eje hipotálamo-hipófisis-gónadas (HHG). En la hipófisis, la PNX potencia la actividad de la hormona liberadora de gonadotropinas (GnRH) y estimula la secreción de hormona luteinizante (LH). Estudios posteriores indican que la inyección de PNX podría impactar un amplio rango de procesos fisiológicos, incluyendo patrones de alimentación, inflamación, memoria, ansiedad y balance de agua.

   Tres potenciales receptores fueron identificados para la PNX y el receptor orfan acoplado a proteína G 173 (GPR173) se encontró que media los efectos de la PNX sobre la expresión de los genes Gnrh y Kiss1  en neuronas  hipotalámicas. El GPR173 es expresado en varios núcleos hipotalámicos, incluyendo ARC, NPV, núcleo ventromedial y área preóptica medial. Adicionalmente, el GPR173 es ampliamente expresado en tejidos periféricos, incluyendo corazón, páncreas y ovario.

   Además del control reproductivo, la PNX funciona en el control de la ingesta de alimentos y la homeostasis energética. La homeostasis energética es, en parte, controlada centralmente por neuronas hipotalámicas que gobiernan el apetito y el gasto de energía a través de la secreción de neuropéptidos. Por ejemplo, el neuropéptido Y (NPY) es un péptido orexigénico y la hormona estimulante de melanocitos-α (MSH-α) es un péptido anorexigénico. Estos neuropéptidos son secretados por el ARC y su acción en el NPV resulta en cambios en la ingesta de alimentos y el gasto de energía. Dado que la PNX es expresada en núcleos asociados con la homeostasis energética, incluyendo ARC y NPV, no es sorprendente que controle la ingesta de alimentos. La PNX también activa numerosas regiones cerebrales asociadas con la ingesta de  alimentos, incluyendo núcleo supraóptico y núcleo del tracto solitario (NTS) demostrando que sus receptores y actividad están ampliamente distribuidos a través del cerebro. Recientemente, se ha demostrado que la PNX no solo impacta la homeostasis energética por su acción en el cerebro sino también puede actuar sobre células intestinales. En células endocrinas del estómago MGN3-1, la PNX incrementa la secreción de ghrelina, mientras en las células enteroendocrinas STC-1, la PNX suprime la secreción de colecistoquinina, pero no tiene efecto sobre el péptido similar a glucagón-1 (GLP-1), el polipéptido inhibidor gástrico y el, péptido YY.

   Los datos emergentes demuestran que la expresión y secreción de PNX son controladas por factores metabólicos. La evidencia preliminar demuestra que la PNX se correlaciona con el índice de masa corporal en humanos. El incremento postprandial en PNX es alterado en ratas alimentadas con dieta rica en grasas, sugiriendo que los niveles elevados de grasas interfieren con la función normal de PNX contribuyendo a la patogénesis de la obesidad. Los nutrientes parece  que regulan la secreción de PNX en la periferia. En islotes pancreáticos, la exposición a altos niveles de glucosa incrementa la secreción de PNX, consistente con la teoría que la PNX podría ser anorexigénica. Estos estudios demuestran que la PNX está asociada con el peso corporal y puede ser regulada   por grasas y glucosa.

   Dado el rol de la PNX en el eje HHG, se podría esperar que el gen Pnx o la proteína PNX sean regulados por péptidos y hormonas reproductivos. La expresión del gen Pnx puede ser regulada indirectamente por estradiol a través de neuronas intermedias. Aunque el hipotálamo expresa PNX y GPR173 en niveles altos, ellos también están localizados en el ovario donde su expresión cambia con el desarrollo del folículo y el sistema parece ser gobernado por la maduración del oocito. La expresión de Pnx y GPR173 aumenta a través del desarrollo folicular con los niveles más altos en el folículo antral y el cuerpo lúteo.

   Múltiples estudios han sugerido que la PNX está involucrada en la respuesta fisiológica a diversos tipos de estrés. La PNX es expresada en neuronas del núcleo del tracto solitario, las cuales  están relacionadas con los circuitos del estrés debido a su conectividad con regiones del cerebro anterior implicadas en el eje hipotálamo-hipófisis-adrenal (HHA). El estrés puede modular la sensibilidad neuronal a PNX, potencialmente a través de desensibilización o internalización de GPR173. Los niveles centrales de PNX incrementan en animales inmovilizados con estrés físico y psicológico. Los niveles plasmáticos de PNX son bajos en pacientes con anorexia nervosa, un tipo de estrés metabólico frecuentemente asociado con hipercortisolemia. Por tanto, el estrés puede regular y ser regulado por la PNX.

   Además del estrés psicológico y fisiológico, la evidencia corrobora los efectos protectores de la PNX en las rutas de estrés oxidativo e inflamatorias en ratas. La neuroinflamación y sus citoquinas, neurotransmisores y otras moléculas de señalización acompañantes se comunican a través de microglias, neuronas y astrocitos para intermodular la expresión celular de proteínas necesarias. Los neuropéptidos cuya expresión de  mARN y proteína cambian con estímulos inflamatorios incluyen péptido relacionado con el agouti (AgRP), NPY y nesfatina-1, los cuales se relacionan con la PNX en distribución anatómica  y función. Por tanto, por inducción de efectos protectores de la PNX en el cerebro, su expresión podría ser regulada por el contexto de inflamación para ayudar a restaurar la función fisiológica. Además del sistema nervioso central, los efectos anti-inflamatorios de la PNX confieren protección a órganos y sistemas sometidos a isquemia seguida por reperfusión. Es cardioprotectora activando quinasas y factores de supervivencia e inhibiendo la apoptosis y hepatoprotectora en ratones con enfermedad hepática grasa no alcohólica inducida por dieta rica en grasa. Por tanto, las acciones beneficiosas de la PNX en la inflamación implican que los marcadores inflamatorios contribuyen al control de la síntesis, liberación, degradación y disponibilidad tisular del péptido.

   Dos aspectos no explorados de la expresión del gen Pnx son el análisis de su región promotora y consideración de reguladores epigenéticos como micro ARN (miARN). Un análisis preliminar de la región reguladora de Pnx en ratones revela que hay numerosos elementos de respuesta para factores de transcripción relacionados con la reproducción y la inflamación. Hay también elementos de respuesta glucocorticoides que sugieren que las hormonas del estrés podrían regular la transcripción de Pnx. Cuando consideramos la regulación de Pnx, debemos también considerar que es deriva de la  SMIM20, una proteína de membrana relacionada con la función mitocondrial. Los miARN son críticos para la fertilidad y la pérdida global de expresión de miARN en células granulosas y útero causa infertilidad. miARN específicos tiene roles cruciales en la fertilidad. Por ejemplo, miR-30 controla el inicio de la pubertad a través de Mkrn3.

   En conclusión, la PNX es un péptido dinámico cuya regulación aún no está muy clara. La mayor evidencia de la regulación del gen Pnx está relacionada con la homeostasis energética donde la PNX parece ser regulada por el estatus nutricional y, en particular, por los ácidos grasos libres. La PNX también parce ser ansiolítica y anti-inflamatoria, aunque si estos procesos regulan directamente el sistema PNX y GPR173 requiere más investigación. La PNX es crucial para la función reproductiva a través de la estimulación de hipotálamo, hipófisis y ovarios, pero poco se conoce acerca de su regulación por hormonas y péptidos reproductivos. La pregunta ¿qué puede controlar la expresión de PNX? se mantiene. La respuesta es clave para delinear los roles fisiológicos de la PNX, definir su desregulación en estados fisiopatológicos y establecer potenciales usos terapéuticos para la PNX.

Fuente: Mcllwraith E K et al (2022). The regulation of phoenixin: A fascinating multidimensional peptide. Journal of the Endocrine Society 6:1-7.

 

Homeostasis metabólica

Uno de los principios subyacentes de la homeostasis metabólica son  los períodos de transición entre disponibilidad de nutrientes y escases de nutrientes. En los mamíferos esto es mantenido a través de un cuidadoso balance entre depósito de nutrientes durante períodos de alimentación y liberación de nutrientes almacenados durante el ayuno. La homeostasis metabólica es mediada a nivel de varios órganos periféricos claves incluyendo el tracto gastrointestinal, el cual es el primero que maneja los nutrientes ingeridos y contiene otro órgano como el microbioma intestinal. Las células de los islotes pancreáticos liberan hormonas metabólicas. El hígado, el músculo esquelético y los adipocitos funcionan como depósitos de nutrientes. Las acciones de todos estos órganos deben estar temporalmente coordinados para limitar, por ejemplo, la disglicemia debida a producción hepática o la dislipidemia debida a aumento de la lipólisis durante períodos de absorción de nutrientes. En humanos y posiblemente en todos los mamíferos, la homeostasis metabólica es determina a nivel del cerebro por el ciclo sueño-vigilia. Loa mamíferos difieren en su relación entre niveles de actividad y los períodos luz-oscuridad, con  algunas especies como  los humanos activos durante el día mientras otros, incluyendo roedores, son activos en la noche. Sin embargo, la relación causal entre vigilia y capacidad para ingerir nutrientes se mantiene a través de todas las especies y es, en gran parte, determinada por el reloj circadiano. El reloj circadiano tiene un rol  esencial en asegurar la homeostasis metabólica desde la perspectiva de la sincronización entre tejidos metabólicos periféricos claves durante el período de alimentación.

   El reloj circadiano es un asa de retroalimentación transcripcional-translacional autorregulado que existe en todas las células  nucleadas del cuerpo. En los mamíferos, la señal activadora  zeitgeber (ZT) para el reloj  es la luz, recibida a través de células especializadas en la retina y transportada al núcleo supraquiasmático del hipotálamo vía tracto retinohipotalámico. La importancia del reloj circadiano en la homeostasis metabólica es enfatizada por datos epidemiológicos que demuestran un incremento en el riesgo de disrupción metabólica o enfermedad (por ejemplo, resistencia a la insulina, dislipidemia, obesidad, tolerancia a la glucosa alterada, diabetes tipo 2) en trabajadores con turnos laborales cambiantes y aquellos con jet lag o exposición a la luz alterada así como en roedores con mutaciones de genes reloj específicos. El rol crítico del reloj en la homeostasis metabólica es enfatizado por hallazgos que demuestran que el polimorfismo en los genes reloj está asociado con alteraciones en el tiempo de la ingesta de alimentos, así como con obesidad, hiperglucemia y diabetes.

   El reloj en el núcleo supraquiasmático juega un rol integral en el metabolismo periférico a través de la regulación de la ingesta de alimento así como de los patrones diurnos en varias hormonas metabólicas (por ejemplo, cortisol y hormona de crecimiento). Aunque los tejidos periféricos expresan células reloj autónomas, también trabajan en sincronía con otros tejidos para mantener la homeostasis metabólica durante los períodos de alimentación y ayuno.

   Las células epiteliales intestinales (IEC) son el primer punto de contacto de los nutrientes ingeridos con un tejido metabólico, jugando un rol crítico en la digestión de macromoléculas y la absorción de productos digestivos. Las IEC no solo expresan la maquinaria reloj sino también exhiben múltiples ritmos circadianos sincronizados, muchos de los cuales están coordinados con la ingesta de nutrientes. Los genes para varias  enzimas así como varios transportadores minerales del “brush border” de IEC también exhiben ritmos circadianos, incrementando en asociación con el período de alimentación para aumentar la capacidad digestiva y absortiva. Más aún, la disrupción genética del reloj circadiano está asociada con patrones anormales de absorción de carbohidratos, grasas y proteínas en el intestino. Mientras algunos de estos genes parecen estar bajo el control regulador directo de las proteínas reloj, los impulsos vagales circadianos pueden afectar su expresión y un desvío en el tiempo de ingesta de nutrientes puede inducir un desvío paralelo en su expresión. En los años recientes, está claro  que el microbioma intestinal juega un rol en el entrenamiento de estos patrones de expresión de genes. Varios estudios sugieren a los ácidos grasos de cadena corta (SCFA por ejemplo, butirato) y el inositol-1,4.5 trifosfato, los cuales exhiben patrones circadianos de expresión relacionados con el tiempo de ingesta de nutrientes. Como una consecuencia, la ausencia total de microbioma en ratones libres de gérmenes  induce cambios en los patrones de absorción de nutrientes.

   Además de los enterocitos absortivos, las células enteroendocrinas también exhiben patrones circadianos. En ratas machos, los ritmos circadianos de colecistoquinina (de las células I), el polipéptido insulinotrópico dependiente de glucosa (GIP de las células K) y neurotensina (de las células N) se correlacionan positivamente con el tiempo de ingesta de alimento y la capacidad de manejo de nutrientes, mientras el pico de ghrelina (de las células X/A) ocurre durante el período de ayuno/inactividad. Estudios recientes demuestran que los genes reloj así como el microbioma intestinal, son requeridos para el ritmo circadiano de la función intestinal de las células L. Las células L co-secretan múltiples hormonas derivadas de la misma prohormona (GCG) incluyendo la incretina y factor de saciedad péptido similar a glucagón-1 (GLP-1), la hormona intestinotrófica GLP-2 y la anorexígena oxintomodulina. El ritmo de secreción de GLP-2, el cual se presume paralelo al de GLP-1, puede asistir en la coordinación del patrón de absorción de nutrientes pues el GLP-2 estimula la translocación del transportador sodio-glucosa-1 a la membrana del  brush borde del enterocito. Más aún, GIP-1 y GIP-2 aumentan la inserción del transportador de glucosa-2 en la membrana basolateral, incrementando la absorción de glucosa a través del epitelio intestinal, mientras GIP-1 adicionalmente sirve como hormona incretina. Las células intestinales L secretan un factor de saciedad adicional, péptido YY, el cual también es liberado en altos niveles durante el período de actividad en ratas. El ritmo normal de secreción de las células L sigue el patrón de la ingesta de alimentos, sugiriendo que la ingesta de nutrientes es un zeitgeber para las células intestinales L. La disbiosis intestinal incluyendo la inducida por alteraciones en el tiempo de alimentación, la composición de la dieta y administración de antibióticos están asociadas con un una profunda disrupción en el ritmo de secreción de las células L.

   Los humanos exhiben incremento en la secreción de insulina en el inicio del período de alimentación normal. La liberación circadiana alterada de insulina y la expresión de genes reloj en los islotes también ha sido demostrada en la diabetes tipo 2. Cambios en la sensibilidad a la insulina también afectan la función de las células β pancreáticas in vivo. Consistente con los estudios que demuestran patrones circadianos en la secreción de insulina, la co-secreción del polipéptido amiloide de los islotes (o amilina) es también circadiana y puede contribuir a los cambios rítmicos no solo en la secreción de insulina sino también en la sensibilidad a la insulina. Por otra parte, los ritmos circadianos  en GLP-1 y GIP parecen estar coordinados y aumentar la respuesta de las células β a la ingesta de nutrientes con efectividad óptima durante el período normal de alimentación. El microbioma intestinal ha sido implicado en la regulación directa de la función de las células β a través de los receptores de SCFA, FFA2 y FFA3. Por tanto, se puede presumir que los patrones circadianos en los metabolitos microbianos pueden jugar un rol como zeitgeber de célula β contribuyendo al ritmo normal de secreción de insulina. Además de los efectos anabólicos de la insulina en hígado, músculo  esquelético y tejido adiposo, es conocido que estos diferentes tipos de células expresan relojes circadianos autónomos.

   En los hepatocitos, procesos como captación de glucosa y ácidos grasos son estimulados por insulina, mientras la gluconeogénesis y la lipólisis son reguladas al alza por glucagón entre otras hormonas catabólicas que también muestran ritmos circadianos (por ejemplo, hormona de crecimiento y cortisol). Sin embargo, el manejo hepático de nutrientes es también controlado temporalmente por la maquinaria del reloj circadiano. La sensibilidad hepática a la insulina, la cual normalmente aumenta durante  el período alimentación/actividad en humanos, es reducida en pacientes con diabetes tipo 2. A nivel molecular, la expresión de genes metabólicos hepáticos, incluyendo transportador de glucosa-2, glucógeno sintetasa, fosforilasa, receptor α activado por proliferador de peroxisoma (PPRA-α) y proteína-1 de unión al elemento regulador de esterol, es controlada por el reloj circadiano, resultando en ritmos que son coordinados apropiadamente con los estados de alimentación y ayuno. Las hormonas oxintomodulina y ghrelina también sirven como un enlace directo entre el intestino  y los ritmos circadianos en el hígado, notablemente a través de la modulación de la expresión de Per2. Los SCFA también entrenan el reloj hepático, lo cual sirve para sincronizar los ritmos circadianos hepáticos con la ingesta de nutrientes.

   El músculo esquelético es el principal tejido responsable de la captación de glucosa mediada por insulina y la resistencia a la insulina en este tejido es un contribuyente clave de la tolerancia a la glucosa alterada así como de diabetes tipo 2. La translocación del transportador de glucosa 4 (GLUT4) a la membrana plasmática es una función clave de la insulina en los miocitos y la captación de glucosa, por tanto,  está sincronizada con la ingesta de alimento a través del patrón circadiano en secreción de insulina. Sin embargo, las funciones del músculo esquelético son también reguladas por relojes celulares autónomos. La expresión rítmica del reloj regula la expresión del gen para GLUT4 y puede contribuir a los ritmos de capacidad respiratoria mitocondrial y secreción de mioquinas. Más aún, el regulador master de la biogénesis de músculo esquelético, proteína-1 de determinación de mioblastos, es también un blanco directo del reloj circadiano.

   Los otros dos efectores mayores del reloj circadiano son el tejido adiposo blanco (TAB) y el tejido adiposo marrón (TAM), los cuales son esenciales para el almacenamiento de energía (BAT) y la termogénesis sin escalofríos (TAM), respectivamente. Los genes del reloj circadiano expresados por BAT regulan el metabolismo de lípidos, con los genes para transportadores claves y enzimas metabólicas que exhiben ritmicidad circadiana bajo el control directo de BMAL1. Las funciones del TAB también son afectadas por las hormonas insulina y glucagón y posiblemente por su ritmo circadiano. Más aún, los ritmos en la ingesta de nutrientes como los de ácidos grasos libres, también contribuyen a la actividad circadiana del TAB. La disrupción del reloj circadiano inducida por dieta rica en grasas está  asociada con un incremento en la  infiltración de macrófagos en el TAB y elevada expresión de citoquinas pro-inflamatorias.

   La expresión de genes reloj en el TAM es afectada negativamente por la dieta rica  en grasas, con una amplitud disminuida en el ciclo de los componentes reloj, así como disminución en la expresión de la proteína desacopladora-1 (UCP-1), la cual también es afectada por la disrupción circadiana. El TAB también secreta un número de adipoquinas que afectan la función del TAM incluyendo las hormonas leptina y adiponectina, las cuales oscilan con un ritmo circadiano. La leptina aumenta la expresión de UCP-1 en el TAB incrementando el gasto de energía. Por el contrario, la adiponectina inhibe la expresión de UCP-1 en el TAM. El balance entre leptina y adiponectina con la leptina correlacionada positivamente y la adiponectina inversamente con la masa grasa, contribuye a la homeostasis metabólica durante el ciclo luz/oscuridad de 24 horas. La actividad del TAM también es afectada por los ácidos biliares y varias hormonas intestinales con ritmos circadianos, incluyendo colecistoquinina, la cual estimula al TAM a través del sistema nervioso simpático y la ghrelina que inhibe al TAM. Estos factores  coordinan la actividad circadiana del TAM con el ciclo alimentación-ayuno.

   Las asas de retroalimentación entre los tejidos regulados circadianamente también contribuyen a la homeostasis metabólica. Por ejemplo, la ingesta de nutrientes estimula la liberación de hormonas de las células L que sirven como factores de saciedad de corto plazo (GLP-1, oxintomodulina y péptido YY), mientras la ghrelina y el glucagón disminuyen con la alimentación. La interleucina-6 secretada por el músculo esquelético durante el ejercicio y la leptina liberada por el TAB estimulan la secreción de las células L, la leptina proporciona una señal orexigénica al cerebro para suprimir la ingesta de alimentos a largo plazo.

   En conclusión,  el uso de señales de retroalimentación positivas y negativas, tanto hormonales y metabólicas, entre los tejidos asegura que las rutas metabólicas periféricas estén sincronizadas con el tiempo de la ingesta de alimentos, optimizando la distribución de nutrientes y previniendo enfermedades metabólicas. Los relojes periféricos tienen un rol esencial en el mantenimiento  de la homeostasis metabólica como se pone evidencia no solo por la relación altamente sincronizada entre el intestino y su microbioma,  las células de los islotes pancreáticos, los hepatocitos, los miocitos y los adipocitos sino también por las consecuencias metabólicas de la disrupción circadiana en uno o más de estos diferentes tejidos.

Fuente: Brubaker BL, Martchenko A. Metabolic homeostasis: it´s all in the timing. Endocrinology 163: 1-12.

 

Hormona de crecimiento y senescencia

El envejecimiento se caracteriza por daño celular acumulado que resulta en pérdida funcional y estructural de la integridad tisular, debilidad y múltiples comorbilidades por enfermedades crónicas. Los mecanismos que contribuyen al proceso de envejecimiento han sido extensamente estudiados y se han identificado  varias características  de la célula envejecida. Estas incluyen inestabilidad genómica, senescencia celular, alteración epigenética, disfunción mitocondrial, agotamiento de stem cells, pérdida de proteoestasis y alteración de la comunicación intercelular. Estos procesos pueden ocurrir separadamente, pero la mayoría de ellos están interrelacionados y delinean las contribuciones de cada mecanismo con  respecto al envejecimiento. Los cambios en la señal del eje hormona de crecimiento (HC)/factor de crecimiento similar a insulina 1 (IGF1) con la edad son bien conocidos y la evidencia apoya un rol en la senescencia celular.

   La senescencia fue originalmente identificada por Hayflick en 1961, describiendo lo que ahora se conoce como senescencia replicativa en fibroblastos humanos después de un prolongado período en cultivo de células. Estudios posteriores demostraron que la senescencia se caracteriza por acumulación de p16INK4, la cual mantiene estable la detención de la proliferación. La expresión de p16INK4 se correlaciona con la edad cronológica en múltiples tejidos y el locus INK4/ARF está fuertemente relacionado con patologías asociadas con la edad. La detención del ciclo celular asociado con la senescencia protege la integridad genómica en respuesta a estrés genotóxico, citoquinas, especies reactivas de oxígeno (ROS), disfunción mitocondrial y activación de oncogenes. La mayoría de los tipos de senescencia son provocados por daño al ADN causado por errores replicativos, acortamiento del telómero y daño oxidativo, aunque también puede ser causado por factores ambientales, incluyendo luz UV o drogas quimioterapéuticas. Cuando la célula no puede reparar el ADN dañado, su destino es morir por apoptosis o volverse senescente. La senescencia inducida por daño del ADN es iniciada por la activación de la ruta p53/p21, la cual dispara la detención del ciclo celular.

   Las células senescentes son aplanadas, grandes en tamaño y vacuolas y generalmente expresan β-galactosidasa  asociada a la senescencia (SA-β-gal). Las células senescentes humanas también exhiben focos de cromatina asociados con la senescencia, los cuales conjuntamente con SA-β-gal sirven como marcadores de senescencia.  Una característica distintiva de las células senescentes estables es que expresan y secretan múltiples proteínas como parte del fenotipo secretor asociado a la senescencia (SASP) incluyendo metaloproteinasas de la matriz, proteínas ligadoras de IGF, inmunomoduladores, quimioquinas, interleuquinas  (IL-1, IL-6, IL-8) y factor de crecimiento endotelial vascular A, los cuales actúan de manera autocrina y/o paracrina. La configuración de SASP depende del estímulo que dispara la senescencia y usualmente es específico de tipo de célula. Mientras el SASP puede ser beneficioso en la activación de respuestas inmunes para eliminar células senescentes, los efectos fisiopatológicos de las células senescentes también son mediados por SASP. Entonces, el SASP puede reforzar la senescencia de una manera autocrina o inducir la senescencia a través de acciones paracrinas sobre células vecinas, alterando la homeostasis tisular. El SASP también induce daño del ADN y activa p16 y p21 con quimioquinas e interleuquinas. Más aún, los factores SASP pueden facilitar la conversión de células premalignas en células malignas y aumentar la progresión del tumor a través de la inflamación crónica. Estos efectos en el estroma senescente son evidentes en canceres establecidos que se vuelven más invasivos y desarrollan metástasis más fácilmente cuando están rodeados de un microambiente envejecido con incremento en el número de células senescentes. En adultos mayores sometidos a cirugía, 7 proteínas SASP se correlacionan positivamente con la edad, fragilidad del paciente y consecuencias adversas postcirugía.

   Como los mecanismos de reparación de ADN son subóptimos en las células senescentes, estas células usualmente mantienen el ADN dañado. Las células senescentes se acumulan con edad en los tejidos humanos, potencialmente agravan el daño tisular relacionado con la edad y la actividad del SASP, vía paracrina, altera el microambiente tisular, disparando cambios en las células vecinas.

   A la luz de los efectos adversos del SASP sobre la homeostasis tisular, se ha prestado atención a la eliminación de células senescentes. Uno de los primeros estudios demuestra que el aclaramiento de células senescentes p16INK4-positivas por apoptosis inducible extiende el tiempo de vida saludable en ratones alterados genéticamente, proporcionando evidencia que la senescencia puede ser subyacente en ciertos fenotipos de envejecimiento. Pequeñas moléculas senolíticas inducen selectivamente la apoptosis en células senescentes, pero no en células proliferantes, resultado en menos células senescentes. Adicionalmente, los senomorficos, los cuales atenúan la expresión de citoquinas SASP como IL-6, actualmente están en investigación clínica para el tratamiento de una variedad de patologías relacionadas con la edad. Entonces, la senescencia celular puede ejemplificar un mecanismo protector que restringe la proliferación de células con ADN dañado, previniendo la adquisición de mutaciones peligrosas, mientras la acumulación de células senescentes puede afectar negativamente la homeostasis tisular y facilitar el desarrollo de características del envejecimiento celular.

   La HC es secretada principalmente por las células somatotropas de la hipófisis, mientras los tejidos periféricos, incluyendo colon, mama y linfocitos, expresan localmente HC que es reconocida por el mismo receptor (HCR). Muchos de los efectos promotores de crecimiento de la HC son mediados por IGF1, el cual también ha sido implicado en el proceso de envejecimiento.

   El envejecimiento en humanos está asociado con somatopausia, una disminución espontanea en la secreción de HC de aproximadamente 15% por cada década de vida adulta así como una reducción de IGF1. Disminuciones similares se observan en otras especies de mamíferos debido a la disminución en la secreción de hormona liberadora de hormona de crecimiento (GHRH). Algunos estudios sugieren que la supresión del eje HC/IGF1 es un componente de una ruta conservada que desvía el uso de energía hacia el crecimiento y la proliferación en organismos envejecidos. Estos hallazgos han llevado a postular la hipótesis que la disminución de la  señal HC está asociada con el envejecimiento del organismo.

   Si la atenuación de los niveles de HC y de la señal HCR es beneficiosa  para optimizar la duración de vida humana y, a su vez, atenuar el impacto perjudicial de las enfermedades asociadas con la edad incluyendo ateroesclerosis, diabetes y cáncer es algo que actualmente está bajo intenso estudio.  Modelos animales con deficiencia de la señal HC exhiben extensión del tiempo de vida con disminución de la incidencia de cáncer, anormalidades metabólicas asociadas con la edad y disminución del déficit cognitivo. Por el contrario, el exceso de HC en humanos con acromegalia y modelos de ratones  transgénicos resulta en acortamiento del tiempo de vida. Los pacientes con acromegalia desarrollan comorbilidades cardiovasculares, cerebrovasculares y respiratorias, así como un incremento en el riesgo de cáncer. Los ratones transgénicos que sobre expresan HC tienen una significativa disminución del tiempo de vida (aproximadamente 50%) con síntomas de envejecimiento acelerado,  incluyendo desarrollo temprano tumores mamarios en las hembras, incremento de la astrogliosis, acortamiento de la vida reproductiva e inicio temprano de cambios en la función cognitiva relacionados con la edad. Estos resultados sugieren un rol significativo para la HC como un determinante adverso del  fenotipo envejecimiento.

   La senescencia celular es un importante elemento del proceso de envejecimiento y la evidencia apoya el involucramiento de la HC en las rutas de señalización que subyacen al fenotipo senescencia. En humanos, los adenomas de la hipófisis que secretan HC también exhiben incrementos significativos de la expresión de p21, p53 y SA-β-gal, en comparación con otros tipos de tumores de la hipófisis. La secreción de HC por la hipófisis depende de la activación de cAMP y la estimulación por la GHRH. La HC por inducción de daño del ADN puede establecer la senescencia en las células somatotropas de adenomas de la hipófisis.

   La asociación de HC con senescencia ha sido confirmada en células de la hipófisis y células no hipófisis. Nutlin3, es una pequeña molécula que activa el daño al ADN a través de proteger a p53 de la degradación y el tratamiento con nutlin3 induce un fuerte fenotipo senescente. La p53, un activador de senescencia,  se une al promotor HC e induce la actividad del promotor HC y la transcripción del mARN de HC. En adenomas de hipófisis secretores de HC en humanos, la expresión de HC se correlaciona con la expresión de SA-β-gal y el tratamiento con nutlin3 in vitro de las células del adenoma resulta en un incremento significativo de la secreción de HC en el medio de cultivo. Los experimentos in vivo confirman esta observación  y los ratones inyectados con nutlin3 exhiben altos niveles de p53 en los tejidos e incremento en los niveles de mARN de HC  en hipófisis, pulmón e hígado. Entonces, en las células senescentes, la expresión de HC es disparada por p53. La p53 exhibe una regulación de retroalimentación positiva-negativa con la HC. La p53induce HC, mientras la HC, a su vez, suprime significativamente a la p53 in vitro e in vivo. La supresión de p53 inducida por HC parece ser mediada por la activación de la E3 ligasa conteniendo dominio tripartita 29 (TRIM29), la cual se une a la p53 haciéndola susceptible a la ubiquitinización. En humanos, el daño de ADN asociado con la edad induce HC y la HC suprime la acción de la respuesta al daño de ADN y las rutas de reparación de ADN resultan en acumulación de ADN dañado, una característica de un microambiente envejecido.

   La HC puede ejercer efectos autónomos y no autónomos en las células senescentes. Como la p53 juega un rol importante en el establecimiento de la senescencia, la HC inducida puede  suprimir la p53, cambiando el perfil de célula senescente, también puede afectar la expresión de p53 en células vecinas no senescentes vía acciones paracrinas. La supresión de p53 a menudo está asociada con incremento de la proliferación y las células senescentes usualmente pueden reentrar al ciclo celular, mientras las células no senescentes vecinas pueden también incrementar la proliferación. El ADN dañado se acumula  con la edad y es considerado un marcador y una causa de envejecimiento. Como el ADN dañado no reparado a menudo favorece  la senescencia prematura de la célula, los mecanismos que regulan la repuesta al ADN dañado juegan un rol importante en el desarrollo de la senescencia. La ATM es un componente clave de las rutas de señalización activadas por ADN dañado. La activación de ATM por autofosforilación en la serina 1981, fosforila la quinasa checkpoint 2 (Chk2) para detener la proliferación y también fosforila p53 en la serina 15 resultando en la activación y estabilización de p53. S su vez, la p53 fosforilada promueve la detención del ciclo celular y activa proteínas que reparan ADN. En estudios in vivo e in vitro con modelos animales, los altos niveles de HC inducen TRIM29 y suprimen la proteína interactuante tag 60 kDa (Tip60), provocando la desactivación de ATM. Por otra parte, la HC, suprimiendo la actividad DDR incrementa el ADN no reparado. Entonces, la HC inducida en células senescentes dañadas resulta en acumulación de ADN dañado en las células vecinas para alterar l microambiente tisular.

   En la hipófisis, estos mecanismos que subyacen a la acción de HC podría explicar las propiedades únicas de las células senescentes de adenomas que secretan HC que potencialmente relacionan la hipersecreción de la hormona con la inestabilidad del genoma y también proporciona una explicación porque los adenomas de la hipófisis son casi invariablemente benignos. La HC también está asociada con la senescencia en otros tejidos. Por ejemplo los fibroblastos de la piel de pacientes con acromegalia exhiben telómeros acortados y senescencia celular.

   En conclusión, el rol de la HC en el desarrollo y mantenimiento de la senescencia es complejo. La abundancia intracelular de HC o los niveles circulantes elevados pueden inducir daño del ADN. Por el contrario, en células altamente proliferativas, la senescencia y la  p53 inducen HC endógena, la cual, as u vez, suprime la p53 predisponiendo a las células senescentes a reentrar al ciclo celular y potencialmente a su transformación neoplásica. La HC, como un componente del SASP, puede aumentar el potencial proliferativo de células vecinas vía acción paracrina y por suprimir la reparación del ADN dañado puede incrementar la acumulación de ADN dañado. Por otra parte, dependiendo del tipo de tejido y las propiedades proliferativas, la HC puede inducir un fenotipo envejecimiento que aumenta la senescencia. Estos mecanismos, al menos en parte, pueden subyacer a los efectos pro-envejecimiento observados en modelos animales y en pacientes con niveles de HC crónicamente elevados.

Fuente: Chesnokova V, Melmed S (2022). GH and senescence: a new understanding of adult GH action. Journal of the Endocrine Society 6: 1-7.

 

Sueño, ritmos circadianos y diabetes mellitus tipo 2

La diabetes mellitus se caracteriza por hiperglucemia crónica debida a desregulación del metabolismo de carbohidratos, lípidos y proteínas. La diabetes mellitus tipo 2 (DMT2) es la forma más común de diabetes. La principal causa de DMT2 es la resistencia a la insulina en músculo esquelético, hígado y tejido adiposo que eventualmente produce disfunción e insuficiencia de las células β pancreáticas. Estas alteraciones resultan en un estado de hiperglucemia crónica que si no es tratada puede causar serias complicaciones, incluyendo enfermedad microvascular y macrovascular.

   La emergencia de la electricidad y la luz artificial han provocado que nuestros ciclos conductuales sean independientes de los patrones externos de luz solar  y lleva a las personas a permanecer más tiempo sin exposición a la luz solar acompañado con un incremento en la privación de sueño. Este cambio en la conducta sueño-vigilia ha provocado que la disrupción en el sueño y el ritmo circadiano (SCRD) sea más común que antes. La SCRD se refiere a cualquier problema asociado con la calidad, la duración y la cantidad de sueño incluyendo condiciones patológicas así como disrupciones voluntarias del sueño o los ciclos circadianos. Las disrupciones de estos ritmos pueden tener serias consecuencias para la salud con evidencia que implica fuertemente a la SCRD en el incremento de riesgo de DMT2. La relación entre sueño y DMT2 inicialmente surgió de estudios de laboratorio con humanos, los cuales demostraron que la restricción total o parcial de sueño por unos días resulta en una disminución de la tolerancia a la glucosa y alteración de la sensibilidad a la insulina. Varios estudios a gran escala y meta-análisis demostraron una relación en forma de U entre el riesgo de DMT2 y duración del sueño con 7-8 horas considerado como duración óptima del sueño. Es sorprendente que tanto la corta duración como la larga duración de sueño incrementen el riesgo de DMT2 reduciendo la posibilidad de una simple relación lineal entre enfermedad metabólica y horas de sueño.

   En apoyo a estos resultados, las investigaciones de la incidencia de DMT2 en pacientes con apnea obstructiva del sueño (OSA) quienes exhiben fragmentación del sueño y disminución de la duración, demostraron que los pacientes con OSA más severa tienen un mayor riesgo de DMT2 aún después de controlar otros factores de riesgo como edad y obesidad. El aberrante tiempo de sueño y los patrones de conducta como resultado de los turnos de trabajo nocturno, también incrementan el riesgo de diabetes. Las personas con jet lag social, y una diferencia de más de dos horas en el tiempo de vigilia entre los días de reposo y los días de trabajo, tienen una mayor incidencia de DMT2.

   A pesar de la fuerte evidencia que implica a la SCRD en la DMT2, la naturaleza de la interrelación entre sueño, ritmos circadianos y metabolismo ha hecho difícil  crear un modelo claro que explique la contribución de la SCRD en la DMT2. Un estudio reciente propone un esquema que divide las consecuencias de la SCRD en dos brazos diferentes. El primer brazo es la consecuencia de la privación de sueño, activando varios procesos para mantener la vigilia con un factor homeostático S (se acumula en la vigilia y se disipa durante el sueño).  El segundo brazo enfoca  los efectos de la alteración circadiana por cambios en los tiempos de los ciclos conductuales (por ejemplo, ejercicio o alimentación). Ambos procesos están interrelacionados e influyen uno en el otro, la disrupción de uno de estos ejes invariablemente afecta al otro.

   De acuerdo con este modelo, la consecuencia primaria de la privación de sueño podría ser la acumulación del factor S que no puede ser completamente disipado. Sin embargo, la identidad del factor homeostático aún no está clara con estudios que sugieren que es mediado por somnógenos, incluyendo adenosina, prostaglandinas o interleucinas con la adenosina liberada por los astrocitos como la más estudiada. Los estudios de microdialisis demuestran que la adenosina extracelular incrementa periódicamente en el cerebro anterior basal, promotor de la vigilia, y disminuye en el sueño. Más aún, la activación de receptores de adenosina incrementa el sueño mientras los antagonistas (por ejemplo, cafeína) promueven la vigilia. Aunque está claro que la adenosina y otros somnógenos contribuyen al sueño, no solamente son factores promotores de sueño. En la teoría de los somnógenos, la evidencia más reciente sugiere que el factor S puede ser codificado por la acumulación de especies reactivas de oxígeno (ROS) que resulta en estrés oxidativo neuronal y varios estudios sugieren que la principal función del sueño es proporcionar un período de quietud neural global para aliviar el estrés neuronal.

   Estudios recientes demuestran que la adenosina y las ROS causan disrupción del balance del sistema nervioso autónomo resultando en una dominancia simpática relativa y una disminución del tono vagal ampliando los efectos observados en la privación de sueño. Aunque estos estudios hacen énfasis sobre los efectos cardiovasculares, el desbalance simpático-vagal claramente afecta la función metabólica. El relativo incremento en la actividad del sistema nervioso simpático (SNS) incrementa la sensibilidad de las glándulas adrenales a la ACTH antes del sueño elevando los niveles de cortisol, una observación común en los individuos con privación de sueño. El incremento en las concentraciones de cortisol en un tiempo equivocado del día causa aumento del estrés neuronal por mayor generación mitocondrial de ROS.   Además de los efectos de la acumulación de factor S, los circuitos neurales que promueven la vigilia pueden manejar la liberación de cortisol y el desbalance simpático-vagal. Uno de los ejemplos mejor estudiado de esto son las neuronas orexina del hipotálamo que incrementan su actividad durante la privación de sueño. Estas neuronas orexina tienen proyecciones a las células del núcleo paraventricular (NPV) y núcleos autonómicos facilitándoles  la regulación al alza de los ejes hipotálamo-hipófisis-adrenal (HHA) y SNS mientras regulan a la baja el sistema parasimpático (SNP). Estos cambios en la actividad autonómica  y la liberación de cortisol tienen un gran impacto a través del cuerpo afectando la inmunidad, el apetito y el metabolismo.

   Los elevados niveles de cortisol reducen la sensibilidad a la insulina, disminuyendo la inhibición de la lipólisis. La lipólisis libera ácidos grasos libres  no esterificados (AGLN) que son convertidos en acil CoA para producir triglicéridos en músculo esquelético e hígado. La acumulación de grasa ectópica en  hígado y músculo esquelético puede causar otras complicaciones como enfermedad hepática grasa no alcohólica, también relacionada con la privación de sueño. Cuando se sintetizan triglicéridos, el diacilglicerol (DAG) producido activa a la PKCε en hepatocitos o PKCε/PKCθ en miocitos para inhibir la señal insulina. Este efecto se debe a la reducción inducida por cortisol de la sensibilidad a la insulina en estas células. Esta reducción en la sensibilidad a la insulina en los miocitos reduce la inserción de GLUT4 y por consiguiente la captación de glucosa en el músculo, incrementando los niveles circulantes de glucosa. En el hígado, la reducción de la sensibilidad a la insulina y el incremento en los niveles de acetil CoA disparan la gluconeogénesis. Normalmente, los elevados niveles de glucosa manejan la liberación de insulina en el páncreas, pero el relativo incremento en la actividad del SNS y el cortisol inhiben esta respuesta. Por tanto, en largos períodos de tiempo, la glucotoxicidad altera la función de las células β pancreáticas. El desbalance autonómico y el cortisol también pueden manejar directamente procesos inversos a la acción de la insulina (por ejemplo, incrementar la gluconeogénesis hepática, reducir la captación de glucosa vía GLUT4 en tejido adiposo y músculo esquelético).

   El ritmo circadiano es manejado por un asa de retroalimentación transcripción-translación que involucra cuatro genes reloj: CLOCK, BMAL1, PER y CRY oscilando cíclicamente en un período de aproximadamente 24 horas. Este ritmo endógeno es producido por el reloj master en el núcleo supraquiasmático (NSQ) del hipotálamo, pero todas las células en órganos periféricos también tienen un reloj circadiano intrínseco. El NSQ entrenado primariamente por la luz, vía tracto retinohipotalámico, usa rutas neuroendocrinas para sincronizar los relojes en otras áreas del cerebro y órganos periféricos. Entonces, todos los relojes a través del cuerpo están sincronizados al NSQ y a los ciclos luz-oscuridad del ambiente. Estos relojes periféricos influyen en la función local de los tejidos y, con base en el ciclo luz-oscuridad, el cuerpo anticipa y prepara varias conductas. Estas anticipaciones son críticas en el metabolismo con el pico de la tolerancia a la glucosa y la sensibilidad a la insulina en la mañana. Esto significa que las disrupciones en el ritmo circadiano pueden afectar la sensibilidad a la insulina, incrementando el  riesgo de DMT2. Más aún, los experimentos demuestran que la alteración circadiana por si sola puede manejar la resistencia a la insulina, independiente de la privación de sueño.

   Los efectos circadianos sobre la tolerancia a la glucosa son manejados primariamente por relojes periféricos en sincronía con el NSQ mediante cambios anticipatorios que preparan los ciclos conductuales. Es de hacer notar que algunos de los mecanismos neuroendocrinos usados por el NSQ para mantener la sincronía de los relojes periféricos pueden influir directamente en los procesos metabólicos. Por ejemplo, el SNC además de señales de nervios autonómicos, maneja directamente la liberación de cortisol, hormona de crecimiento y melatonina, las cuales afectan separadamente la sensibilidad a la insulina. Estos ritmos anticipatorios están sincronizados con los ciclos de luz, pero la emergencia de la luz artificial hace que los ciclos conductuales no necesiten adherirse a la luz solar. Por ejemplo, en la ingesta de alimentos, la constante exposición a nutrientes, especialmente en horas de la tarde cuando la tolerancia a la glucosa es baja reduce la capacidad para metabolizar eficientemente los alimentos. Esto podría provocar niveles plasmáticos  elevados de glucosa y triglicéridos que resultan en acumulación ectópica de lípidos y glucotoxicidad que pueden contribuir al inicio de la DMT2. Al igual que los alimentos, el ejercicio y la temperatura pueden funcionar como dadores de tiempo (“zeitgebers”) de varios relojes periféricos cuando los ciclos conductuales no siguen los patrones de luz. Si los ciclos conductuales no están alineados con los ciclos de luz externa, la amplitud de las oscilaciones circadianas del NSQ es menor, alterando los procesos  metabólicos anticipatorios  mediados por el NSQ (por ejemplo, liberación de cortisol, hormona de crecimiento). Esta reducción en la amplitud del ritmo central resulta en pérdida de sincronía no solo entre el NSQ y los relojes periféricos sino también entre los relojes periféricos.   Como los diferentes tejidos periféricos son entrenados por diferentes estímulos, la alteración circadiana puede resultar en pérdida de la sincronía de los relojes periféricos.

   En conclusión, la evidencia obtenida en experimentos con animales  y en estudios controlados en humanos demuestra que la privación de sueño y las alteraciones de los ciclos circadianos pueden disparar directamente la disfunción metabólica, causando diabetes. Sin embargo, el mecanismo preciso por el cual estos procesos contribuyen a la resistencia a la insulina aún son pobremente entendidos. Varios estudios proponen que la privación de sueño causa una dominancia relativa del sistema nervioso simpático y un incremento en la producción de cortisol. Los niveles elevados de cortisol reducen la sensibilidad a la insulina y disminuyen la inhibición de la lipólisis. Por otra parte, si los ciclos conductuales no están alineados con los ciclos de luz externa, la amplitud de las oscilaciones circadianas del NSQ es menor, alterando los procesos metabólicos anticipatorios mediados por el NSQ resultando en falta de sincronía entre el NSQ y los relojes periféricos y también entre los relojes periféricos entre sí. La falta de sincronía entre los relojes circadianos puede alterar la función metabólica resultando en acumulación ectópica de lípidos y elevados niveles plasmáticos de glucosa y triglicéridos. La glucolipotoxicidad altera la función de las células β pancreáticas.

Fuente: Parameswaran G, Ray D W (2022). Sleep, circadian rhythms, and type 2 diabetes mellitus. Clinical Endocrinology 96: 12-20.