Rol fisiológico del sistema ghrelina

La ghrelina es una hormona peptídica acilada de 28 aminoácidos producida  principalmente por el estómago. Sin embargo, el péptido originalmente identificado como ghrelina es sólo uno de los componentes de una familia de péptidos generados por procesos de “splicing” altenativo o por modificaciones post-transcripcionales del gen ghrelina.  La evidencia acumulada  durante los  últimos 15 años ha revelado queghrelina es un sistema  regulatorio y multifuncional compuesto por péptidos y receptores presentes en una variedad de tejidos donde pueden ejercer acciones endocrinas, paracrinas y autocrinas.  El sistema grelina está involucrado en la modulación  de una multiplicidad de funciones como secreciones hormonales, procesos de memoria y aprendizaje, ingesta de alimentos, ganancia de peso corporal, liberación de insulina, supervivencia  de células β, adiposidad, balance energético, procesos  inflamatorios, desarrollo y progreso  de varios tipos de cánceres. El receptor clásico de ghrelina (GHSR) fue descubierto inicialmente por su capacidad para unir compuestos artificiales (hexarelin o GHRP6) con actividad liberadora de hormona de crecimiento, posteriormente la ghrelina fue identificada como el ligando endógeno de este receptor.

El péptido identificado inicialmente  como ghrelina se origina a partir de un precursor llamado preproghrelina (117 aminoácidos) que en los humanos es codificado por un gen localizado en el brazo corto del cromosoma 3. La preproghrelina humana contiene un péptido señal de 23 aminoácidos y un segmento  de 94 aminoácidos llamado proghrelina, el cual es procesado proteolíticamente para generar el péptido ghrelina  y un péptido C-terminal adicional llamado C-ghrelina.  El péptido C-ghrelina puede ser procesado proteolíticamente y generar un péptido llamado obestatina que inicialmente fue considerado antagonista de la ghrelina. Adicionalmente, el péptido ghrelina es  sometido a una modificación única que consiste en la acilación (adición de un grupo octanoil) del tercer  residuo serina. De acuerdo con el estatus  de acilación, el péptido puede ser llamado  ghrelina no acilada (UAG) o ghrelinaacilada (AG) que corresponde al péptido identificado inicialmente y  capaz de unirse al receptor GHSR1a.  La enzima responsable de la acilación de la ghrelina, conocida como ghrelina-O-aciltransferasa o GOAT, fue descubierta en el año 2008.  El proceso de acilación de la ghrelina aparentemente ocurre después del clivaje del péptido señal y antes  del proceso proteolítico de la preproghrelina. Sin embargo, aún no está claro sí la UAG es producto de una acilación incompleta del péptido ghrelina  o de una  desacilación  de la AG madura.  Aunque la UAG representa  más del 90% de la ghrelina total circulante, no se une al receptor clásico de ghrelina y sus funciones biológicas no están completamente dilucidadas.

Poco tiempo después del descubrimiento de la ghrelina nativa, varios laboratorios identificaron  péptidos alternativos derivados el gen ghrelina con pequeños cambios  en la secuencia  de aminoácidos de la ghrelina nativa. Este es el caso de la des-Gln 14-ghrelina, la cual es idéntica a la ghrelina nativa excepto por la ausencia de un residuo glutamina (Gln14). La diferencia funcional entre este péptido de 27 aminoácidos y la ghrelina nativa es desconocida. Por otra parte, el gen ghrelina puede sufrir procesos adicionales de “splicing” alternativo como “skipping” de exón o retención de intrón.  Específicamente, un evento de “skipping” de exón 3 genera un péptido de 91 aminoácidos  (Ex3-deleted ghrelin) que carece de la región que codifica para obestatina.  Aunque las funciones precisas de este péptido son desconocidas,  su expresión está aumentada en los cánceres de próstata y mama, lo que sugiere que podría tener algún rol en estas patologías.  Adicionalmente, una variante generada por retención de intrón 1 (In1-ghrelin)  es también sobre expresada  en cáncer de mama. La variante In1-ghrelin conserva la porción inicial de la ghrelina nativa incluyendo los primeros cinco aminoácidos  que es la secuencia mínima  requerida para la acilación  por la GOAT y para la unión y activación del GHSR1a. Sin embargo, la secuencia de aminoácidos  de la In1-ghrelin es alterada posteriormente por la retención de In1.

En los humanos, el GHSR es codificado por un gen localizado en el cromosoma 3, compuesto por dos exones que por “splicing” alternativo pueden generar dos especies de ARNm, llamados GSHSR1a y GHSR1b. El ARNmGHSR1a incluye los exones 1 y 2 y codifica un receptor acoplado a proteína G (GPCR) de 366 aminoácidos con  siete dominios transmembrana. Por el contrario, el ARNm GHSR1b resulta de la retención  del intrón localizado entre los exones 1 y 2 y genera una isoforma GPCR de 289 aminoácidos  con solo cinco dominios transmembrana y una secuencia de 24 aminoácidos en la región C-terminal diferente a la secuencia del GHSR1a.  Hasta el presente, la actividad funcional del GHSR1b  no ha sido completamente dilucidada. En cambio, está bien establecido que el GHSR1a  es el receptor responsable de la transducción de la señal  de la AG y la familia  de secretagogos sintéticos de hormona de crecimiento. En efecto, la interacción entre el GHSR1a y la AG está determinada fundamentalmente  por la alta flexibilidad conformacional  que produce la acilación de la Ser3 en la ghrelina.  Particularmente, la acilación experimental  del péptido ghrelina en otros residuos Ser (Ser2, 6 y 18) reduce  la funcionalidad de la ghrelina. La región N-terminal de Ser3 AG puede unirse  a los dominios transmembrana  del GHSR1a y determinar una orientación particular de la molécula donde la región C-terminal de la AG interactúa con el segmento N-terminal del receptor.  Por otro lado, la presencia de GHSRs diferentes del GHSR1a ha sido reportada en condrocitos y cardiomiocitos. Asimismo, estudios recientes sugieren la presencia de un receptor común que media los efectos biológicos de AG y UAG  en cánceres de mama y próstata.  El (los) receptor (es) para obestatina aún no ha (n) sido determinado (s). Aunque los reportes iniciales indicaban que este péptido se unía y activaba al  receptor “orfan” GPR39, actualmente esta noción  es materia de debate.  Recientemente, el receptor del péptido glucagonoide 1 (GLP-1R) ha sido postulado  como un receptor alternativo para la obestatina.

Como se  mencionó arriba, el péptido  ghrelina puede ser modificado post-translacionalmente en su residuo Ser3 por la GOAT, una enzima que pertenece a la familia  de O-aciltransferasas unidas a membrana (MBOATs) por lo que también es llamada MBOAT4. En los humanos, el gen de la GOAT está localizado en el cromosoma 8p12.  Específicamente, la GOAT es una proteína de membrana que  octanoíliza la Ser3 de la proghrelina en la luz del retículo endoplasmáticodespués del clivaje del péptido señal.  La GOAT es capaz  de procesar  una variedad de ácidos grasos, donadores de grupos acilos para la CoA y, por esta razón, ha sido postulada como potencial transportador de acil-CoA desde el citosol a la luz del retículo endoplasmático. La GOAT es ampliamente expresada en  estómago, páncreas, músculo esquelético, corazón, intestino y hueso, un patrón de expresión que se asemeja parcialmente al exhibido por la ghrelina.

La ghrelina es producida principalmente en el estómago por una población de células endocrinas (células similares a células A) localizadas en la mucosa gástrica, aunque también ha sido detectada en otras regiones del tracto gastrointestinal. La obestatina también es expresada en la mucosa del tracto gastrointestinal y la localización subcelular de ambas hormonas es idéntica, lo que sugiere que la obestatina y la ghrelina son almacenadas en las mismas células del tracto gstrointestinal. El hecho que la expresión del GHSR haya sido detectada en estómago y otras regiones del tracto gastrointestinal sugiere que la AG puede jugar un rol en la regulación de otras hormonas gastrointestinales.  A suvez, la secreción de ghrelina es  regulada por otras hormonas gastrointestinales, en particular adrenalina, noradrenalina y secretina que estimulan la secreción mientras que la somatostatina la inhibe, lo cual sugiere la existencia de un sistema de retroalimentación complejo entre las hormonas del tracto gastrointestinal.

El sistema ghrelina es conocido por su capacidad para regular no sólo acciones endocrinas  sino también algunas acciones no endocrinas. En este contexto,  la hipófisis anterior representa el principal blanco  de las acciones endocrinas  del sistema ghrelina. En efecto, la AG producida por el estómago inicialmente fue involucrada en la regulación endocrina de la función dela hipófisis. Sin embargo, está demostrado que la ghrelina nativa también es expresada en la hipófisis, lo que sugiere la existencia de una regulación paracrina y/o autocrina por parte de la ghrelina producida localmente. Esta idea ha sido reforzada por el hecho de que la GOAT también es expresada en el hipotálamo y la hipófisis. Adicionalmente, las variantes derivadas del gen ghrelina como la In1-ghrelin también han sido identificadas en la hipófisis. La AG es tan potente como la hormona liberadora de hormona de crecimiento (GHRH), el clásico factor liberador de hormona  de crecimiento (GH),  en la estimulación de la secreción de GH.   La AG también está directamente involucrada en la generación  del patrón de secreción pulsátil de la GH, los pulsos de GH y las concentraciones de AG se correlacionan altamente en un intervalo de una hora antes de -y durante- el pulso de GH en humanos sanos. La AG actúa a través de una variedad de mecanismos y establece comunicación bidireccional con otros moduladores de la GH para regular finamente la secreción de GH. Específicamente, la AG producida por el estómago podría actuar vía nervio vago para incrementar la liberación de GHRH y neuropéptido Y (NPY), en tanto que la AG inyectada en el hipotálamo estimula la secreción de GHRH y antagoniza  la somatostatina en la hipófisis. La somatostatina no sólo inhibe la liberación de GH sino también la de ghrelina. En la hipófisis, la AG también estimula la  liberación de prolactina  de las células lactotropas. Este efecto estimulador es independiente de la hormona liberadora de tirotropina, un estimulador bien conocido de la liberación de prolactina, pero es dependiente del sistema dopamina, pues es completamente bloqueado por agonistas dopaminérgicos. Por otra parte,  se ha demostrado que la AG estimula la secreción de hormona adrenocorticotropina (ACTH) en varias especies, incluyendo humanos. Este efecto podría depender del estatus energético y la AG  actúa incrementando los niveles de calcio en el citoplasma de las células corticotropas. A través de este efecto, la AG podría  modular la respuesta al estrés agudo  controlando al eje hipotálamo-hipófisis-adrenales.  El sistema ghrelina también regula la secreción de hormonas de la hipófisis posterior: arginina vasopresina y oxitocina,  probablemente a través  de una acción indirecta mediada por neuronas NPY.

La AG juega un rol muy importante en la regulación de la homeostasis de la glucosa a través de la inhibición de la liberación de insulina. La AG también modula la producción/secreción de glucagón. Por otra parte, el páncreas endocrino incluye una población de células (células ε, épsilon) especializadas  en la producción y secreción de ghrelina, aunque las células α yβ también pueden producirla, lo que sugiere una acción paracrina/autocrina del sistema ghrelina en el páncreas.  Adicionalmente, la AG es capaz  de modular las acciones de la insulina, puede inducir resistencia periférica  -sin afectar la sensibilidad hepática-  a la insulina.

El sistema ghrelina  es conocido por su rol en el control del eje hipotálamo-hipófisis-adrenales en humanos y otros mamíferos. Algunas hormonas derivadas del gen ghrelina, la GOAT y el GHSR son expresados en la corteza y la médula de la glándula suprarrenal. El GHSR es más abundante en la zona glomerulosa de la corteza. La AG, vía GHSR1a, podría estar involucrada en el control autocrino/paracrino del crecimiento adrenal.

Con relación a las acciones no endocrinas, uno de los roles centrales del sistema ghrelina es la regulación  de la ingesta de alimentos y la homeostasis energética, la AG promueve un balance energético positivo a través del incremento de  la ingesta de alimentos y la disminución del gasto de energía con el consiguiente aumento de peso corporal y  adiposidad. La regulación de la ingesta de alimento depende del estatus metabólico, la AG es conocida como la “hormona del hambre” y varios estudios indican que los niveles circulantes de ghrelina aumentan en el ayuno (y entre las comidas), y disminuyen durante el estado postprandial.  Esta hormona ejerce sus efectos orexigénicos  activando neuronas del núcleo arcuato  del hipotálamo, particularmente las neuronas productoras de NPY y AgRP (agouti-relatedpeptide) a través de la modulación  de la  ruta mTORC1/S6K1. La AG alcanza el hipotálamo por tres rutas diferentes: (i) a través  de la circulación general, cruzando la barrera hemato-encefálica; (ii) a través de las aferencias del nervio vago; (iii)  puede ser sintetizada en el hipotálamo, donde ejerce efectos paracrinos.  Por otra parte, la AG  es un potente acelerador  del vaciamiento gástrico y un estimulador  de la motilidad gastrointestinal en humanos. La AG induce la actividad motora  en el tracto gastrointestinal a través deun mecanismo dual, central y periférico. El mecanismo central es mediado a través de las neuronas NPY del núcleo arcuato, el nervio vago y/o el septum lateral, en tanto que los efectos periféricos incluyen la inducción de la fase III de las contracciones gastrointestinales. 

En otras acciones no endocrinas, el sistema ghrelina está involucrado en la regulación de varias funciones cerebrales como la modulación de procesos cognitivos, por ejemplo.  La aplicación i.c.v.de AG estimula la retención dememoria de una manera dependiente de dosis e independiente  del área cerebral inyectada (hipocampo, amígdala o rafe dorsal), a través de procesos que podrían incluir la promoción de la neurogénesis y la plasticidad sináptica. La AG puede aumentar la plasticidad sináptica en el hipocampo a través de mecanismos pre-sinápticos (aumentando los impulsos excitadores presinápticos) y post-sinápticos (elevando la excitabilidad  de las neuronas post-sinápticas).  Por otro lado, diversos estudios  han demostrado que la ghrelina estimula la supervivencia neural en diversos modelos experimentales de isquemia, injuria cerebral traumática, esclerosis lateral amiotrófica, epilepsia, enfermedad de Alzheimer y enfermedad de Parkinson. Las acciones de la ghrelina en la neuroproteción son mediadas por la inhibición de moléculas proapoptóticas asociadas con rutas mitocondriales  y la activación  de moléculas protectoras endógenas. El sistema ghrelina también ha sido implicado  en la regulación dela fisiología cardiovascular con acciones en diferentes niveles (vascular, endotelial y/o cardiaco). Específicamente, la AG incrementa el gasto cardiaco, la contractilidad cardiaca y la vasodilatación; en tanto que disminuye la presión arterial y la resistencia periférica  e inhibe la apoptosis en células endoteliales y cardiomiocitos.  Es de destacar el hecho que los cardiomiocitos y las células endoteliales son capaces de producir ghrelina, lo que sugiere que este péptido podría ejercer acciones paracrinas/autocrinas para regular la función cardiaca.  Muchos  estudios reportan que el sistema ghrelina está ampliamente distribuido en células y tejidos del sistema inmune como linfocitos T, linfocitos B, neutrófilos, bazo  y ganglios linfáticos. En este contexto, el sistema ghrelina regula la fisiología del sistema inmune, entre otras acciones, estimulando  el desarrollo  y maduración  del timo, así como también la producción y secreción de citoquinas proinflamatorias (TNFα, IL6, IL1β) en humanos y animales.

En conclusión, la ghrelina es el componente más notorio  de un complejo sistema que comprende numerosos péptidos alternativos (obestatina, ghrelina no acilada, In1-ghrelina, etc.), receptores conocidos (GHSR) y desconocidos, así como enzimas modificadoras (GOAT), que interactúan entre sí y con otros sistemas reguladores para modular procesos fisiológicos

Fuente: Gahete MD et al (2014).  Ghrelin gene products, receptors, and GOAT enzyme: biological and pathophysiological insight.  Journal of Endocrinology 220: R1-R24.

Control endocrino del calcio durante la lactancia

La lactancia representa demandas sustanciales en la homeostasis y el balance del calcio. Durante la lactancia las glándulas mamarias exportan grandes cantidades de calcio y fosfato en la leche. Estos minerales conjuntamente con  proteínas forman el osteoide y son esenciales para el crecimiento óseo del niño. Para una mujer, el amamantamiento de un niño requiere que diariamente aporte de 300 a 400 mg de calcio en la leche  y la pérdida  de 5-10% de la masa ósea durante un período de lactancia de 6 meses. Comparativamente, la pérdida total de calcio de la mujer durante 6 meses de lactancia es 4 veces mayor  que la pérdida durante el embarazo. El mantenimiento de un estado  de alto flujo de minerales óseos durante la lactancia incrementa el tamaño efectivo del “pool”  de mineral metabólicamente activo  disponible en las mamas. Esta expansión del “pool” de calcio minimiza las fluctuaciones de calcio circulante cuando aumentan las demandas. Por otra parte, todos los recursos fisiológicos necesarios para la homeostasis y el balance del calcio  en condiciones de no lactancia  también están disponibles durante la lactancia. Esto incluye a los principales órganos reguladores del calcio (hueso, intestino, riñón, sangre) y a las hormonas calciotrópicas: hormona paratiroidea (PTH), calcitonina (CT) y la forma hormonalmente activa de la vitamina D (1,25OH₂vitamina D o calcitriol).  Sin embargo, estos sistemas sólo responden directamente a las variaciones en el calcio libre  (Ca²⁺) plasmático y su respuesta al flujo masivo de calcio entre la madre y el niño es relativamente pobre. En este sentido, se han descrito cuatro mecanismos específicos para responder a la demanda especial de calcio durante la lactancia. Aunque hay diferencias importantes entre las especies, en general estos mecanismos son: (i) el péptido relacionado con la hormona paratiroidea (PTHrP), que interviene en  la conservación y extracción de calcio óseo; (ii) la prolactina y la hormona de crecimiento, como soporte hormonal de la absorción intestinal de calcio; (iii) los bajos niveles de estrógenos que incrementan la resorción ósea y otros mecanismos de pérdida ósea; y (iv) la eficiente exportación de calcio en la leche. Durante la lactancia, la PRL y el PTHrP reorganizan la homeostasis y el control del balance de calcio colocando a la glándula mamaria  en el centro de la homeostasis del calcio. Adicionalmente, estudios recientes incluyen a la serotonina (5-hidroxitriptamina, 5-HT) como un enlace esencial entre la glándula mamaria y el hueso.

La capacidad de la mujer para movilizar grandes cantidades de mineral en apoyo al crecimiento óseo del niño, sin consecuencias patológicas, es una de las adaptaciones más fascinantes en la evolución de los mamíferos.  Una característica única de la movilización ósea durante la lactancia es que la resorción y la formación de hueso están normalmente acopladas, a pesar de la rápida pérdida de hueso. La pérdida de hueso es “reparada” rápidamente  después del destete y no produce  ninguna consecuencia ósea negativa a largo plazo. Al respecto, se han propuesto dos posibles explicaciones: una explicación señala que los osteoblastos proliferan  pero hacen una pausa antes de completar la diferenciación  y la otra explicación  es que el osteoide  es secretado pero no es mineralizado. En cualquier caso, lo importante es que el acoplamiento fisiológico entre osteoblastos y osteoclastos durante la lactancia permite a la mujer movilizar minerales en la leche pero al mismo tiempo mantener la salud ósea.  Los niveles de CT en la mujer son elevados durante el embarazo y al inicio de la lactancia, pero retornan a los niveles  normales  después de las primeras 6 semanas de lactancia. La CT puede ser secretada, además de las células C de la glándula tiroides,  por la placenta  y las glándulas mamarias, lo cual es importante para preservar el esqueleto materno cuando las demandas de calcio aumentan. Los niveles de PTH generalmente son bajos en las mujeres durante la lactancia. El Ca²⁺ circulante es normal o ligeramente elevado comparado con  los niveles de mujeres en condiciones de no lactancia. Este nivel de Ca²⁺ presumiblemente suprime la secreción de PTH por las células principales de las glándulas paratiroides. El aporte de calcio a las glándulas mamarias, a pesar de los niveles bajos de PTH,  aparentemente depende de los efectos combinados de la PRL y el PTHrP. Entonces, la adaptación del metabolismo del calcio durante la lactancia involucra los ajustes de las hormonas calciotrópicas y de los estrógenos más los efectos únicos de la PRL y el PTHrP.   Estas señales movilizadoras de Ca²⁺ hacen que el  calcio fluya en la leche en respuesta al flujo transcelular de Ca²⁺ inducido por el receptor sensor de calcio (CaSR) y mediado principalmente por la Ca²⁺ATPasa 2 de la membrana plasmática (PM CA2).

La glándula mamaria opera como un órgano endocrino regulador del calcio que secreta PTHrP durante la lactancia. El PTHrP es sintetizado y secretado en grandes cantidades por la glándula mamaria lactante de varias especies (incluyendo humanos), actúa como hormona endocrina  y también como factor  de crecimiento local. La secuencia N-terminal del PTHrP, similar a la de la PTH,  se une al receptor PTHR1 e induce la diferenciación de los osteoblastos  y la expresión  de factores activadores de los osteoclastos (particularmente el RANKL, receptor-activator of NFκB-ligand) que disparan la resorción ósea.  Aunque el PTHrP, como la PTH, activa al PTHR1  y lleva a cabo muchas de las acciones celulares de la PTH, generalmente es secretado como un regulador local  de crecimiento y desarrollo.  Normalmente, el PTHrP actúa como hormona endocrina solamente durante la lactancia, cuando es secretado en grandes cantidades en la circulación y en la leche. Los potenciales roles del PTHrP de la leche en el crecimiento  y desarrollo del neonato no son bien conocidos.

La síntesis de 5-HT  en las células epiteliales de la glándula mamaria  incrementa durante la lactancia y depende de la distención alveolar. Una función de la 5-HT mamaria es regular las uniones estrechas a través  del receptor tipo 7 (5-HT7). Una segunda función, mediada por el receptor 5-HT2B, es inducir las señales reguladoras de hueso, incluyendo al PTHrP y al Runx2 (transcription factor runt-related transcription factor 2), una proteína esencial para la diferenciación de los osteoblastos. A través de la regulación de PTHrP, la 5-HT integra las necesidades del neonato en un sistema regulador de calcio durante la lactancia que incluye al  binomio madre-niño. Este sistema unificado es esencial para compaginar la homeostasis materna del calcio con los requerimientos del neonato.

El calcio es transportado en la leche a través de una ruta dependiente del aparato de Golgi. El fosfato de calcio se une a la caseína fosforilada y este complejo molecular es secretado por exocitosis. La Ca²⁺-ATPasa del retículo sarcoplasmático-endoplasmático (SERCA) y la ruta secretoria Ca²⁺-ATPasa que transportan el calcio en el  retículo endoplasmático y en el aparato de Golgi, respectivamente aumentan durante la lactancia. Sin embargo, esta ruta de secreción de calcio unido a proteína corresponde a menos del 50% del calcio transportado en la leche. Hay otros mecanismos de movilización de calcio, uno de ellos involucra a la PMCA2. La PMCA2, una  proteína exportadora de calcio de la membrana apical, es el transportador que más aumenta durante la lactancia. La actividad de la PMCA2 es regulada por el CaSR, el cual es expresado en las células epiteliales de la glándula mamaria en la transición del embarazo a la lactancia.  El CaSR regula la actividad de la bomba, pero no la transcripción ni la localización en la membrana. El CaSR, vía inositol trifosfato (IP₃) estimula la PMCA2.  La activación de la PMCA2 también puede ocurrir cuando se  estimula el flujo de calcio a través  del retículo endoplasmático vía receptor de IP₃. El CaSR también suprime  la secreción de PTHrP, constituyendo un asa de retroalimentación homeostática en el epitelio mamario.  Entonces, durante la lactancia, el CaSR y la PMCA2  permiten a la glándula mamaria “sensar” al calcio y ajustar la secreción de PTHrP y calcio en respuesta a los cambios en la concentración extracelular de Ca²⁺.

Por otra parte, estudios recientes sugieren que el osteocito es mucho más importante para el recambio óseo en adultos de lo que generalmente se piensa. Los osteocitos son las células óseas más numerosas, se diferencian a partir de los osteoblastos y se localizan entrampados en la matriz ósea donde se conectan entre sí y con otros tipos de células mediante extensos procesos dendríticos y una compleja red canalicular. Durante la lactancia, los osteocitos incrementan significativamente los niveles de ARNm para genes “específicos de osteoclastos”, incluyendo aquellos que codifican la fosfatasa ácida resistente a tartrato (TRAP), la catepsina K, la anhidrasa carbónica y varios transportadores de protones. La expresión de estos genes en los osteocitos depende del receptor PTHR1. Algunos autores sugieren que durante la lactancia la mujer absorbe hueso  convirtiendo los osteocitos en un estado fisiológico similar a osteoclastos. La evidencia acumulada indica que el osteocito es la principal célula blanco  de PTH/PTHrP que media la resorción ósea inducida por el RANKL en adultos.

En resumen, durante la lactancia, el calcio disponible en la leche es facilitado por la expresión y  activación de varios transportadores con la PMCA2 en un rol principal.  La disponibilidad de calcio  está integrada con la homeostasis sistémica de calcio a través de la acción  del CaSR. Las células del epitelio  mamario intervienen en la movilización  del calcio secretando PTHrP.  Por otra parte, la 5-HT constituye una señal local  esencial para la expresión y secreción del PTHrP. El receptor 5HT2B acoplado a la proteína Gq/11 media la inducción   de PTHrP por la 5-HT.

Fuente: Horseman ND y Hernández LL (2014).  New concepts of breast cell communication to bone. Trends in Endocrinology and Metabolism 26: 34-41.

Roles de la relaxina en la función ovárica y el embarazo

El término relaxina es usado para referirse al péptido H2-relaxina de los humanos (relaxina-1 en roedores) y diferenciarlo de la neurohormona ancestral relaxina-3 y sus homólogos y de la H1-relaxina (producida por la placenta) presente en humanos y chimpancés. La relaxina es el principal miembro de una familia de péptidos, estructuralmente relacionados con la insulina y los IGFs, producidos en el ovario de la mayoría de especies mamíferas.  Su nombre obedece a la acción relajante que ejerce sobre la sínfisis púbica en el embarazo. Como sugiere esta función, la relaxina es producida en el cuerpo lúteo durante el embarazo y ha sido identificada en esta estructura  en casi todos los mamíferos. En humanos y otros primates, el cuerpo lúteo deriva principalmente de las células granulosas del folículo ovárico, con poca contribución de las células tecales, y la producción de relaxina comienza pocos días después de la ovulación.  En el embarazo, el cuerpo lúteo persiste y la producción y secreción de relaxina continúa mientras el cuerpo lúteo se mantenga funcionando. La relaxina del cuerpo lúteo es la mayor contribución a los niveles circulantes de la hormona en las hembras de los mamíferos, al menos durante la fase luteal del ciclo y en el embarazo.  En humanos, la expresión de relaxina también puede ser detectada en las células de la teca interna de los folículos antrales antes del pico de LH. Esta relaxina no contribuye con los niveles circulantes de la hormona, pero es la principal contribución de la relaxina detectada en el líquido folicular. Entonces, en el ovario, hay dos fuentes diferentes de relaxina: las células de la teca interna de los folículos y el cuerpo lúteo. 

En el ovario, la relaxina producida por las células tecales del folículo puede actuar de una manera autocrina/paracrina para influir en la función de las células granulosas y del cúmulus. La relaxina puede estar involucrada en la maduración y calidad del oocito. Se desconoce si esta acción  autocrina/paracrina de la relaxina también ocurre en el cuerpo lúteo. La relaxina actúa primariamente sobre un receptor acoplado a proteína G llamado RXFP1 aunque también puede activar al receptor RXFP2 (el cual es específico para el INSL3), pero sólo en altas concentraciones y en algunas especies como los humanos. La relaxina interactúa con el RXFP1para activar la adenil ciclasa y producir una elevación de los niveles intracelulares de AMPc. La relaxina puede también, en algunas circunstancias, activar la PI3-kinasa de una manera dependiente de la proteína  G_i/o. En el ovario, el receptor RXFP1 ha sido identificado en las células granulosas y del cúmulus de folículos antrales (cerdos), en el cuerpo lúteo  (monos y gatos) y en las células granulosas de folículos primordiales, primarios y secundarios (humanos). En ratas, el tratamiento con relaxina promueve la ovulación lo que sugiere un rol adicional de la relaxina  en la inducción proteolítica de la ruptura de la pared del folículo.

En primates y particularmente en humanos, la relaxina circulante tiende a alcanzar un pico en el primer trimestre del embarazo. Se ha demostrado que la exposición a la relaxina  del oocito y del complejo oocito-cumulus favorece el desarrollo a blastocisto. El blastocisto expresaa el receptor RXFP1 pero se desconoce si la relaxina actúa directamente sobre el embrión y/o el trofoblasto durante la implantación. Por otro lado, el útero es un blanco de la relaxina que expresa el receptor RXFP1 en las células epiteliales, las células del estroma endometrial y el miometrio. En el inicio del embarazo las hormonas ováricas –progesterona y estradiol- inducen la proliferación y diferenciación del estroma endometrial  en el proceso conocido como decidualización. Esta decidualización es esencial para  crear un útero receptivo en el que pueda implantarse el blastocisto y generalmente  tarda  6 a 10 días. Estudios in vivo en monos han demostrado que la  relaxina es capaz  de inducir un engrosamiento del endometrio y de aumentar la vascularización. Asimismo, se ha demostrado que existe una buena asociación entre los niveles circulantes de relaxina  y la disminución de abortos espontáneos en mujeres. En el miometrio de rata y cerdo, la relaxina actúa  directamente sobre las células de músculo liso para inducir la quiescencia uterina a través del bloqueo de las contracciones inducidas por la oxitocina. Se considera que al inhibir la contracción miometrial, la relaxina puede  tener un efecto positivo en la implantación  del blastocisto. Estudios recientes sugieren que la relaxina induce en el endometrio citoquinas proinflamatorias como CXCL1 y CXCL10, lo cual es importante para la apropiada implantación y placentación.

El embarazo representa una disrupción fisiológica del control de líquidos y osmolaridad en el cuerpo. En esta situación son reajustados la secreción de vasopresina, el volumen latido cardíaco, la vasodilatación y la “compliance” arterial. La relaxina puede actuar directamente sobre las células de músculo liso y las células endoteliales de las arterias. En estos vasos,   la relaxina provoca una respuesta lenta que  involucra la producción de metaloproteinasas y la generación de endotelina, la cual puede activar la producción de GMPc y NO. Adicionalmente, hay una repuesta rápida que involucra el acoplamiento entre receptores RXFP1, la PI3 kinasa y la activación de la enzima eNOS.

El INSL3 (insulin-like peptide 3) es un péptido estructuralmente relacionado con la relaxina y por esta razón originalmente fue llamado factor similar a relaxina (RIF). El INSL3 es más conocido como un producto de las células de Leydig del testículo con un importante papel en el descenso testicular, pero también es producido, aunque en cantidad más baja, por las células tecales internas de los folículos antrales  y también por el cuerpo lúteo. Los folículos antrales son la fuente principal, si no exclusiva, del INSL3 circulante en las mujeres no embarazadas. Debido a esto los niveles circulantes de INSL3 dependen grandemente del número de esos folículos en el ovario. Entonces, el INSL3 circulante es significativamente elevado en mujeres con ovarios poliquísticos y bajo en mujeres con una  reserva ovárica disminuida o en etapa de peri –o post- menopausia.  Estudios inmunohistoquímicos han demostrado que el INSL3 tiene un papel anti-apoptosis/pro-supervivencia en los folículos antrales.  El INSL3 interactúa con un GPCR clase A llamado RXFP2 que es expresado en oocitos y células tecales internas.  En los folículos antrales, el INSL3 es producido por las células tecales internas antes del pico de LH y después de la producción de hormona anti-mülleriana por estos folículos. Funcionalmente, el INSL3 está involucrado  en un sistema autocrino/paracrino  de retroalimentación de asa corta que regula la producción de andrógenos (particularmente androstenediona) por las células tecales. El INSL3, vía RXFP2, estimula la producción de androstenediona, la cual es transferida a las células granulosas para su conversión en estrógenos. En el folículo antral, las proteínas morfogenéticas del hueso (BMP) generadas en el antro por las células granulosas y/o el oocito suprimen la expresión de INSL3 en las células tecales y esto ayuda a regular la producción de andrógenos en el folículo. Es importante tener en cuenta que la producción de andrógenos es una etapa limitante  de la esteroidogénesis ovárica durante la fase folicular del ciclo menstrual, pues los estrógenos solamente pueden ser producidos por la acción de la enzima aromatasa sobre los andrógenos en las células granulosas. Aunque la atención sobre las  funciones del INSL3 en las hembras está enfocada en la fisiología del ovario, sus concentraciones circulantes son suficientemente altas para activar receptores RXFP2  en otros órganos.  En este contexto, es importante señalar el hallazgo reciente sobre la acción del INSL3 en el recambio y metabolismo óseo. En las mujeres en edad reproductiva, el INSL3 conjuntamente con el estradiol contribuye al mantenimiento  de la salud ósea.

Muy poco se sabe acerca del rol del INSL3 en la implantación del embrión o sobre el endometrio y el miometrio en cualquier estadio de la vida reproductiva. Aparentemente, las células miometriales humanas no responden al INSL3 aunque poseen el receptor RXFP2.  Sin embargo, es bien conocido que el feto masculino es un mayor productor de INSL3. El INSL3 es producido por las células de Leydig del testículo embrionario inmediatamente después de la determinación sexual dependiente de SRY. En humanos, este INSL3 puede ser detectado en el líquido amniótico entre las semanas  12 y 18 de gestación (no es detectable en líquido amniótico de fetos femeninos) coincidiendo con la primera fase  del descenso testicular. Un estudio reciente demuestra  que el INSL3 de origen fetal puede cruzar la placenta para entrar en la circulación materna, lo cual implica que, al menos en la primera mitad del embarazo, el INSL3 fetal potencialmente es capaz  de influir en la fisiología materna y/o placentaria.

Fuente: Anand-Ivell  R y Ivell R (2014). Regulation of the reproductive cycle and early pregnancy by relaxin family peptides. Molecular and Cellular Endocrinology 382: 472-479. 

Control neuroendocrino de la secreción de GnRH por las kisspeptinas

El gen KISS1 codifica un producto precursor de 145 aminoácidos que posteriormente es clivado en un péptido  de 54 aminoácidos, llamado originalmente metastina por su capacidad de reducir el potencial metastásico del melanoma, y actualmente conocido con el nombre de  kisspeptina 54 (Kp54). El clivaje adicional de la Kp54 da lugar a la producción de péptidos más cortos, llamados Kp16, Kp14, Kp13 y Kp10 según la cantidad de aminoácidos. Todos estos péptidos han sido detectados en el cerebro y son considerados neuropéptidos endógenos. Inicialmente se consideraba que los productos del gen KISS1 no eran secretados y por consiguiente sólo actuaban intracelularmente. Sin embargo, estudios posteriores revelaron una secuencia secretoria y plantearon la posibilidad de la interacción con un receptor de membrana. Este receptor fue identificado en el año 2001 y es conocido como KISS1R (también conocido como GPR54, AXOR12 o HH8). El KISS1R es miembro  de la familia  de receptores acoplados a proteína G (GPCR) y ha sido incluido en la clase A, subfamilia A5,  de los GPCR.

En los mamíferos se han identificado dos poblaciones principales de neuronas hipotalámicas que expresan Kp. La población más prominente está localizada en  el núcleo arcuato, donde la Kp es coexpresada con dinorfina y neurokinina B. La segunda población de neuronas Kp tiene una distribución neuroanatómica más variable dependiendo de la especie.  En los roedores está localizada en la región periventricular rostral (incluye al núcleo anteroventral periventricular, AVPV) del hipotálamo y es sexualmente dimórfica, con mayor cantidad de neuronas en las hembras que en los machos.  Por el contrario, en los primates está población de neuronas está localizada principalmente en el área preóptica.  Ambas poblaciones hacen contactos sinápticos  directos con las neuronas GnRH y/o sus terminales en la eminencia media.  La acción de la Kp sobre las neuronas GnRH favorece la secreción de la GnRH, la cual provoca en la hipófisis un marcado incremento de la liberación de hormona luteinizante (LH) y, en menor extensión, de hormona estimulante del folículo (FSH).

El primer efecto observado con la Kp fue una reducción de la invasividad celular. Este efecto fue asociado con una reducción de la actividad  de la metaloproteinasa de matriz (MMP) 9. Las MMP son enzimas expresadas en varios tumores humanos que participan  en la invasividad del tumor a través  de la degradación de la matriz extracelular. La acción Kp sobre las MMP tiene lugar a través de un mecanismo que involucra la inhibición de la translocación del NFκB  al núcleo. Estudios posteriores sugieren que la Kp podría a su vez  ser un sustrato para las MMP las cuales  cortarían el enlace Gli⁷-Leu⁸ en la región C-terminal de la Kp10.  Experimentos con animales demostraron que la aplicación de Kp54 o sus derivados más cortos, especialmente Kp10, a células transfectadas con el KISS1R induce la movilización de  Ca²⁺ lo que indica que el KISS1R podría estar acoplado  a una proteína G_q/11. Este acoplamiento fue confirmado con la observación de que la estimulación del KISS1R  induce la formación de IP₃ a través de un mecanismo dependiente de la fosfolipasa C (PLC). Estudios adicionales demostraron que, además de la movilización de Ca²⁺, hay otros eventos intracelulares asociados con la activación del KISS1R. En particular, la fosforilación de MAPK y la activación de β-arrestinas. La estimulación de la ruta MAPK puede ocurrir por diferentes vías: estimulación ERK1/2, estimulación de la kinasa de adhesión focal, fosforilación de la kinasa p38 y activación PI₃K/Akt.  Por otra parte, los datos de estudios in vivo sugieren que la respuesta Kp  disminuye después de la estimulación continua. Esta disminución de la respuesta Kp implica algún grado  de desensibilización y/o internalización del receptor.  En este sentido, las β-arrestinas son conocidas por su papel en la desensibilización de los GPCRs y hay evidencia de que la Kp10 induce el reclutamiento de β-arrestinas hacia la membrana. El KISS1R y las β-arrestinas se colocalizan en vesículas internalizadas lo que sugiere que las β-arrestinas participan en la internalización del KISS1R.

Estudios electrofisiológicos en roedores demostraron que la Kp tiene una acción directa sobre las neuronas GnRH caracterizada por una potente despolarización. Un componente involucrado en la despolarización inducida por la Kp es el cierre de los canales de la corriente hacia dentro rectificante de K⁺ (K_ir). La inhibición de esta corriente  de K⁺ resulta en una acción despolarizante. La naturaleza precisa de los canales de K⁺ involucrados en la generación de esta corriente es desconocida. Otra potencial acción Kp para modular la conductancia de K⁺ es a través del control de la actividad del receptor GABA_B. Los receptores GABA_B son GPCRs y su activación produce hiperpolarización neuronal a través del incremento de la conductancia de K⁺ en la membrana. La Kp inhibe la corriente hacia fuera de K⁺ y la hiperpolarización de la membrana asociada a través de la combinación de incremento de Ca²⁺ intracelular e hidrólisis  de PIP₂. Estos dos eventos están íntimamente relacionados  porque la estimulación de la Gq induce la activación de la PLC, provocando la hidrólisis de PIP₂ y la generación de DAG  e IP₃. El IP₃ a su vez dispara la liberación de Ca²⁺ de los depósitos intracelulares y con ello aumenta la concentración intracelular de Ca²⁺.  Un segundo componente involucrado en la despolarización de las neuronas GnRH por la Kp  es la apertura de canales de cationes no selectivos. Esta apertura es concomitante con la inhibición de los canales de K⁺ y podría contribuir a la despolarización de la membrana incrementando la concentración intracelular de Ca²⁺.  La naturaleza de estos canales no selectivos ha sido investigada y los datos indican que múltiples miembros de la familia de canales TRPC (transient receptor potential channel) están involucrados en la respuesta a la acción de la Kp. El cierre de la corriente K_ir y la apertura de los canales TRPC inducen la despolarización suficiente para abrir los canales de Ca²⁺ activados por voltaje en la membrana y estimular la liberación de Ca²⁺ de los depósitos intracelulares a través de la activación de los receptores de rianodina localizados en el retículo endoplasmático.  En suma: el incremento de la concentración intracelular de Ca²⁺ es un componente esencial en la respuesta de las neuronas GnRH a la estimulación Kp.

Recientemente se ha demostrado que la Kp también actúa como un  agonista sobre  otros dos receptores, concretamente, el GPR147 (también llamado NPFF1) y el GPR74 (también llamado NPFF2), los cuales actúan como receptores  de miembros de la familia de péptidos RFamida. Es particularmente de interés el GPR147, un GPCR cuya estimulación provoca una disminución de AMPc con un efecto inhibitorio general sobre la actividad celular. KISS1R y GPR147 coexisten en al menos una subpoblación  de neuronas GnRH.

En las ratas hembras,  el pico preovulatorio GnRH/LH es un fenómeno interactivo entre los altos niveles circulantes de estradiol y una señal neural. El reloj circadiano localizado en el núcleo supraquiamático del hipotálamo recibe señales fóticas y coordina temporalmente la liberación de arginina vasopresina (AVP)  en las neuronas Kp localizadas en el AVPV. En el AVPV, la estimulación combinada de AVP y estradiol libera Kp que actúa sobre las neuronas GnRH que a su vez dispara el pico preovulatorio de liberación de LH en la hipófisis. Por otra parte, aunque existen diferencias significativas entre las especies con respecto a su rol exacto, el neuropéptido RFRP3, producido por neuronas localizadas en el hipotálamo dorsomedial y el hipotálamo ventromedial, podría ser un modulador negativo del eje gonadotrópico y potencialmente contrabalancear el efecto estimulador de la Kp. El RFRP3, un neuropéptido RFamida,  es capaz de reducir la activación de las neuronas GnRH durante el pico preovulatorio de GnRH en ratas. Sin embargo, estudios recientes indican que en algunas especies el número relativo y la actividad de las neuronas que expresan RFRP3 es menor en el momento del pico de GnRH. Estos hallazgos sugieren que la coordinación temporal entre el incremento de impulsos Kp estimuladores y la disminución concomitante de impulsos RFRP3 inhibidores podría tener un papel en el pico preovulatorio de GnRH. 

La mayoría de las especies exhiben ciclos anuales recurrentes que son primariamente manejados por el fotoperíodo. Esto permite que algunas especies como hamsters y ovejas exhiban tiempos precisos de reproducción y que el nacimiento de las crías ocurra cuando las condiciones ambientales son más favorables para su  supervivencia. Los mecanismos neuroendocrinos que median el control estacional de la  secreción hipofisiaria de gonadotropinas   requieren de la hormona melatonina producida por la glándula pineal y, debido a un control directo por el núcleo supraquiasmático, la duración de la secreción de melatonina es proporcional a la duración de la noche. Dado que el secretagogo endógeno de GnRH más potente es la Kp, es plausible pensar que la Kp podría estar implicada en la reproducción estacional. La evidencia acumulada indica que los niveles de Kp en el núcleo arcuato de hamsters machos son: (i) mayores en los animales –sexualmente activos- con fotoperíodo largo que en los animales con fotoperíodo corto pero (ii) similares en los animales con fotoperíodos largo y corto refractarios, lo cual demuestra una reactivación espontánea del eje reproductivo  en los casos de exposición a fotoperíodos cortos, (iii) la pinealectomía previene la disminución de los niveles de Kp inducida por fotoparíodos cortos y (iv) la infusión de Kp en los animales con fotoperíodo corto es suficiente para reactivar el eje gonadal. Estudios recientes revelan que los niveles de Kp en el núcleo arcuato disminuyen  en los fotoperíodos cortos en ambos sexos.

Ahora bien, ¿cómo conectamos los cambios en la secreción de melatonina con los cambios en la expresión de Kp en el núcleo arcuato? El núcleo arcuato en sí no es blanco  de la melatonina pues no expresa el receptor de melatonina MT1 de alta afinidad, que es crucial para la respuesta estacional. La única estructura con alta expresión del receptor MT1 en los mamíferos estudiados es la pars tubularis de la hipófisis. La melatonina actúa sobre la pars tubularis para “resetear” un oscilador circadiano, responsable del control estacional de la liberación de tirotropina (TSH). La duración de la señal melatonina es descodificada a través de un mecanismo presente en las células tirotrópicas de la pars tubularis. Un fotoperíodo largo activa la producción de TSH, la cual actúa a través de receptores localizados en el hipotálamo medio basal, particularmente  en los tanicitos, para inducir la transcripción del gen DIO2. El producto de este gen, la enzima desyodasa tipo 2, convierte la T4 (o tiroxina) en T3 y por tanto activa la señal de las hormonas tiroideas en el hipotálamo medio basal en los días largos. El control fotoperiódico opuesto (días cortos) es ejercido sobre la D3, una desyodasa responsable de la inactivación de T3. Dado que la población neuronal Kp en el núcleo arcuato exhibe un control de su expresión dependiente del fotoperíodo, el incremento de T3 del hipotálamo medio basal en los días largos eventualmente podría influir en los niveles Kp del núcleo arcuato que manejan la liberación de GnRH y la reproducción estacional.

Fuente: Beltramo M et al (2014). Cellular mechanisms and integrative timing of neuroendocrine control of GnRH secretion by kisspeptin.  Molecular and Cellular Endocrinology 382: 387-399.

Desarrollo y función de los adipocitos beige

El tejido adiposo marrón o pardo (BAT) es un sitio clave de producción de calor (temogénesis) en los mamíferos.  Los adipocitos marrones del BAT son ricos en mitocondrias que contienen la proteína desacopladora-1 (UCP1) que incrementa  la actividad de la cadena respiratoria. El calor es generado a partir de la combustión de los sustratos disponibles  y es distribuido al resto del cuerpo  a través de la circulación.  Los adipocitos que expresan la UCP1 también se desarrollan en el tejido adiposo blanco (WAT) en respuesta a diversos estímulos y son conocidos con varios nombres: beige, “brite” (brown in white), iBAT (induced  BAT), BAT reclutable y wBAT (white adipose BAT). Las células beige del WAT, como ocurre con los adipocitos del BAT, son definidos por su morfología multilocular, el alto contenido  de mitocondrias y la expresión  de un conjunto de genes específicos de la grasa marrón. Sin embargo, las células marrones y beige tienen algunas características que permiten diferenciarlas por lo que deben ser consideradas como tipos de células distintas. En primer lugar, las células beige, al menos en los depósitos subcutáneos, no derivan de los mismos precursores embrionarios que dan origen a los adipocitos marrones.  En segundo lugar, existe un número de factores asociados  con el desarrollo inducido  de los adipocitos beige pero no de los marrones, lo que sugiere que estos tipos de células son regulados de maneras  diferentes. En tercer lugar, los adipocitos beige y marrones expresan distintos genes. En cuarto lugar, los adipocitos marrones expresan altos niveles de Ucp1 y otros genes termogénicos en condiciones basales (sin  estimulación) y en respuesta a activadores, mientras que los adipocitos beige expresan estos mismos genes solamente en respuesta a activadores  como la exposición al frío o  agonistas del receptor β-adrenérgico o del receptor activado por el proliferador de peroxisoma-γ (PPAR-γ).

La pregunta que surge de inmediato es sí las células marrones y beige tienen funciones diferentes. La respuesta a esta pregunta es aún desconocida y no ha sido bien estudiada. Sin embargo, un estudio reciente sugiere que ambos tipos de adipocitos cuando son completamente estimulados contiene cantidades comparables de Ucp1, por lo que tendrían similar  capacidad termogénica. Sin embargo, es altamente probable que los adipocitos beige y marrones tengan acciones específicas que aún no han sido estudiadas. Por ejemplo, los adipocitos beige pueden secretar ciertos factores que afecten la función del WAT, el metabolismo sistémico o a ambos.  En humanos, por mucho tiempo se consideró  que había poco grasa parda presente en los adultos, pero los estudios de imagenología han revelado la presencia  de depósitos sustanciales de adipocitos que expresan UCP1 en adultos cuya masa o actividad es menor en sujetos obesos o adultos mayores. La pregunta clave ahora es sí la actividad termogénica reducida de las células grasas es una causa o una consecuencia de la ganancia de peso en los humanos.

El BAT se forma durante el desarrollo embrionario antes que los otros depósitos de grasa y contiene una población uniforme de adipocitos. En los roedores, los mayores depósitos de BAT están en la región interescapular y alrededor de los músculos profundos de la espalda. En los humanos, el depósito interescapular de BAT es notorio en los infantes pero desaparece en los adultos. La mayoría de células grasas marrones se originan a partir de células precursoras en el mesodermo embrionario que también dan origen a células de músculo esquelético y a una subpoblación de adipocitos blancos. Estos precursores expresan Myf5 y Pax7, dos genes reconocidos como característicos de células miogénicas esqueléticas. El origen embrionario y la jerarquía celular de los adipocitos beige son menos claros. Es probable  que  los adipocitos beige y marrón  tengan linajes celulares diferentes, dado que las células beige, al menos en los depósitos subcutáneos, no expresan Myf5. Una pregunta importante  es sí en el WAT los adipocitos beige  se forman a través de  la transdiferenciación de los adipocitos blancos o por diferenciación de novo  y maduración  de precursores.  La idea inicial era que los grandes adipocitos blancos uniloculares  se transformaban en adipocitos beige en respuesta al frío o a agonistas β₃-adrenérgicos. Sin embargo, la evidencia reciente sugiere que, si no todos, la mayoría de los adipocitos beige  derivan de una población precursora más que de adipocitos pre-existentes.

El perfil termogénico de los adipocitos beige es reversible. En ratones, los adipocitos beige formados en el WAT durante la exposición al frío pierden la expresión de UCP1 cuando los animales son desplazados a un ambiente cálido. Cuando estos ratones son re-expuestos al frío, las mismas células inducen nuevamente la expresión de UCP1. Esto sugiere que los adipocitos beige  son retenidos y pueden funcionar como células grasas blancas  por un cierto periodo de tiempo en los animales previamente expuestos al frío.  Los datos recientes  sugieren que el  frío  (a través de agonistas β-adrenérgicos) dispara la diferenciación de las células precursoras en adipocitos beige y que las células beige requieren estimulación constante para mantener su perfil termogénico. Presumiblemente, los adipocitos beige son depletados  a través de los mecanismos normales que controlan el  recambio tisular.

Los adipocitos beige son más abundantes en el WAT inguinal, uno de los mayores depósitos subcutáneos de los roedores. Sin embargo, en respuesta a la exposición al frío, los adipocitos que expresan UCP1  son evidentes, si no en todos, en la mayoría de los depósitos WAT. En la grasa perigonadal (visceral) de ratones machos, los adipocitos beige  se desarrollan a partir de una población  de precursores que también se diferencia en adipocitos blancos. Estos precursores bipotentes expresan el receptor del factor de crecimiento derivado de plaquetas-α (Pdgfr-α) y están íntimamente asociados con los vasos sanguíneos. Después del tratamiento de los ratones con agonistas β₃-adrenérgicos, las células precursoras  proliferan, pierden el Pdgfr-α y se diferencian en adipocitos que expresan UCP1.  Por el contrario, una dieta rica en grasas estimula la diferenciación de las células  que expresan Pdgfr-α en adipocitos blancos.  Este resultado es consistente con el hallazgo que la mayoría (si no todos) de  adipocitos blancos descienden de células que expresan Pdgfr-α. En los humanos, es conocido que el WAT contiene células precursoras  que son capaces de expresar UCP1 y otras características de los adipocitos beige, particularmente en respuesta a la activación PPAR-γ.

Varios factores regulan  la diferenciación de adipocitos marrones y beige a través de la modulación de la expresión de Prdm16, un factor transcripcional que contiene un gran  dedo de cinc y es altamente expresado en el BAT de ratones y humanos. Entre estos factores está la proteína morfogenética de hueso-7 (Bmp7), una señal que es esencial para el desarrollo de la grasa marrón, y que incrementa las cantidades de ARNm de Prdm16 en células precursoras de adipocitos. Adicionalmente, la tiazolidinediona, un agonista de PPAR-γ, induce la expresión de genes termogénicos en células grasas  a través de efectos sobre el Prdm16. La exposición al frío también incrementa las cantidades de Prdm16.

El PGC-1α es inducido por el frío en la grasa marrón y actúa como un regulador master de la biogénesis mitocondrial y el metabolismo oxidativo. El PGC-1α también induce la expresión de UCP1 y otros componentes termogénicos. Aunque no es requerido para el desarrollo tisular, el PGC-1α es esencial para la activación termogénica , inducida por el frío o por agonistas β-adrenérgicos, de los adipocitos marrones y la expresión de genes termogénicos en el WAT. La expresión y la actividad del PGC-1α son reguladas directamente por la ruta de señalización adrenérgica. Específicamente, el PGC-1α es fosforilado (y activado) por la proteína kinasa activada por mitogenos (MAPK) en respuesta a la estimulación simpática. El PGC-1α regula la expresión de los genes termogénicos a través de su interacción con PPAR-γ, PPAR-α, receptor de hormonas tiroideas y otros factores. El PPAR-γ es un factor adipogénico que activa genes termogénicos específicos en los adipocitos marrones y beige, particularmente en respuesta a los activadores β-adrenérgicos.

Aunque la actividad del sistema nervioso  simpático es la señal primaria que activa la termogénesis en el BAT e induce el desarrollo de los adipocitos beige otros factores  y hormonas también regulan  el gasto de energía en el tejido adiposo. La irisina secretada por  el músculo esquelético estimula la “marronización” del WAT a través de acciones específicas  sobre la población de preadipocitos beige. Los niveles circulantes de irisina aumentan con el ejercicio  y estimulan el desarrollo de la grasa beige en ratones y humanos. El factor de crecimiento fibroblástico 21 (FGF21) es una hormona circulante que regula el balance energético. En el BAT, la expresión de FGF21 aumenta con la exposición al frío y tiene un importante papel en la termogénesis estimulando la oxidación de ácidos grasos  y las rutas de disipación de energía. En el WAT, el FGF21 incrementa la cantidad de PGC-1α que maneja el reclutamiento de adipocitos beige en respuesta al frío. El  péptido natriurético atrial (ANP) es liberado por el corazón en respuesta a la insuficiencia cardiaca o a la sobrecarga de presión  y actúa reduciendo el volumen sanguíneo, la presión arterial y el gasto cardiaco a través de  vasodilatación y  excreción de sal y agua por los riñones.  El ANP también promueve la lipólisis en los adipocitos, las altas concentraciones circulantes de ANP han sido asociadas con pérdida de peso en los humanos. Estudios recientes señalan que el ANP promueve el desarrollo de adipocitos beige en el WAT e incrementa la expresión de genes termogénicos en el BAT. Estos cambios obedecen a una acción directa del ANP sobre las células adiposas. El frío incrementa las concentraciones de ANP lo que constituye un efecto  protector de la función cardiaca  en animales durante la exposición al frío. El ANP dispara la lipólisis y la “marronización” del WAT a través de la activación de la proteína kinasa dependiente de GMPc (PKG). La PKG trabaja en paralelo con la ruta β-adrenérgica-PKA para disparar la lipólisis y estimular la termogénesis.  Las hormonas tiroideas y las orexinas reclutan y activan adipocitos marrones y son particularmente efectivas en promover el gasto de energía y la pérdida de peso en humanos.  Las hormonas tiroideas inducen directamente la expresión de genes termogénicos en los adipocitos marrones y las orexinas aumentan la función del BAT regulando la inervación simpática y promoviendo la diferenciación de los precursores de adipocitos marrones.  

El BAT es un tejido clave para mantener la temperatura corporal  en respuesta al frío, pero también es activado como un mecanismo para preservar el balance energético y limitar la ganancia de peso. Los ratones con deficiencia  de UCP1 ganan  peso  sólo cuando se encuentran en condiciones termoneutras (28-30 ^oC). Cuando la temperatura disminuye (20-22 ^oC), los ratones son fríos y deben gastar energía extra para conservar  su temperatura corporal. Los ratones con deficiencia de UCP1, que no pueden utilizar el BAT, activan mecanismos termogénicos alternos. El efecto obesogénico de la deficiencia de UCP1  en los ratones calientes  indica que la actividad de la grasa parda, beige o ambas puede afectar el balance energético. Los ratones con incremento de la actividad de la grasa marrón, beige o ambas resisten la ganancia de peso y también mejoran su metabolismo sistémico, incluyendo una mejor tolerancia a la glucosa y un aumento de la sensibilidad a la insulina. En este sentido, se ha sugerido que el incremento de la relación adipocitos beige/adipocitos blancos en el WAT modula la acción de la insulina sistémica a través de mecanismos  no termogénicos.

El frío es un regulador dominante de muchos aspectos de la biología del BAT. El frío, es procesado por varios mecanismos, incluyendo termorreceptores en la piel y activación simpática en el BAT a través de un intrincado circuito neural. Adicionalmente, los macrófagos activados en el BAT producen catecolaminas en respuesta al frío. El frío es también un activador del desarrollo y función del adipocito beige. La norepinefrina activa receptores adrenérgicos en los adipocitos, lo cual dispara una cascada de señalización intracelular que produce un incremento adaptativo en la expresión de genes termogénicos. La prolongada exposición al frío también estimula la proliferación y diferenciación de las células precursoras  marrones para expandir la masa de BAT e incrementar la capacidad termogénica. La actividad simpática también estimula la producción de calor activando la función UCP1. Por otra parte, la exposición al frío induce el crecimiento de vasos sanguíneos en el tejido adiposo para facilitar el aporte de oxígeno y el intercambio de calor. Este efecto angiogénico es regulado a través de un incremento de la producción del factor de crecimiento del endotelio vascular (VEGF). El VEGF secretado por el tejido adiposo también aumenta el reclutamiento de adipocitos marrones y beige.

Fuente: Harms M y Seale P (2013). Brown and beige fat: development, function and therapeutic potential. Nature Medicine 19: 1252-1263.

Interacciones entre la vitamina D y el IGF-I

La vitamina D, regulando la expresión de aproximadamente 3% del genoma, afecta la función de muchos tipos de células. Esta amplia actividad incluye interacciones con otras hormonas, entre ellas el IGF-I. Dado que tanto la vitamina D como el IGF-I son ampliamente expresados en el cuerpo y que ambos tienen un amplio espectro  de efectos, sus interrelaciones son extremadamente complejas. 

En humanos, la vitamina D, sintetizada en la piel (colecalciferol) o ingerida con suplementos  o ciertos alimentos (ergocalciferol o colecalciferol), es hidrolizada  a 25-hidroxivitamina D (25(OH)D) por enzimas dependientes de citocromo P-450 principalmente en el hígado. Otra  hidroxilasa dependiente de citocromo P-450, CYP27B1 (o 1α-hidroxilasa), cataliza la conversión  de 25(OH)D en 1,25 dihidroxivitamina D (1,25(OH)₂D) o calcitriol, la principal forma hormonalmente activa de la vitamina D. A través de la unión y activación del receptor nuclear de vitamina D (VDR), el calcitriol modula la transcripción de miles de genes. El receptor retinoide X y varios cofactores cooperan con el complejo calcitriol-VDR en la regulación de la  expresión de genes. Adicionalmente, algunos efectos del calcitriol son mediados por un VDR asociado con la membrana plasmática de ciertas células. Ejemplos de estas respuestas no genómicas son la rápida absorción intestinal de Ca²⁺, la inducción de exocitosis en las células de Sertoli y la secreción de insulina por las células β del páncreas.

Las células tubulares renales producen calcitriol a partir del 25(OH)D suministrado por la circulación. La mayor parte del calcitriol sintetizado en el riñón deja el órgano  y actúa de la clásica manera endocrina en el metabolismo óseo, la absorción intestinal de Ca²⁺ y fosfato, la reabsorción renal de Ca²⁺ y la liberación de PTH por las glándulas paratiroides. La actividad de la 1α-hidroxilasa renal y las acciones endocrinas del calcitriol  son reguladas por el fosfato, la PTH y el factor de crecimiento fibroblástico 23. Este último es secretado principalmente por los osteocitos y es un potente inhibidor  de la 1α-hidroxilasa. Sin embargo, la mayor parte del 25(OH)D circulante es tomado por tejidos extrarrenales, que expresan la 1α-hidroxilasa, para producir su propio calcitriol con actividad paracrina y autocrina.  La 1α-hidroxilasa extrarrenal es regulada de manera específica en cada tejido  por varios factores, como por ejemplo citoquinas.  En condiciones normales, el calcitriol producido localmente es usado rápidamente y no pasa a la circulación. Por tanto, los niveles sanguíneos de calcitriol solamente miden la vitamina D derivada del riñón. Por el contrario, la concentración de 25(OH)D es un buen indicador  de la cantidad de vitamina D globalmente disponible  para las funciones endocrinas y paracrinas/autocrinas.

El IGF-I es transportado por la circulación sanguínea  a los tejidos o es secretado por células locales. Estas dos fuentes  dictan la modalidad  de la acción de la hormona, endocrina o paracrina/autocrina. Aproximadamente 75% del IGF-I circulante es producido por el hígado. En la circulación sanguínea, la mayor parte del IGF-I es transportado formado parte de un complejo ternario con la proteína ligadora de IGF (IGFBP)-3 y la subunidad ácido lábil (ALS), secretadas también por el hígado. Este complejo estabiliza al IGF-I en la circulación, reduce su aclaramiento y prolonga el aporte  a las células blanco. Los órganos periféricos también liberan IGF-I en la circulación, pero en menor proporción que el hígado. La hormona de crecimiento es el principal regulador de la síntesis hepática de IGF-I, pero en los otros sitios, los factores tejido-específicos son iguales o más importantes que la hormona de crecimiento. En los mamíferos, para algunos efectos específicos, el IGF-I local  no puede ser sustituido por la hormona derivada del hígado pues dependen primariamente de la hormona producida localmente como ocurre con la inducción del desarrollo de la glándula mamaria.

En sujetos sanos, se ha demostrado ampliamente la correlación positiva que existe entre las concentraciones sanguíneas de IGF-I, 25(OH)D y 1,25(OH)₂D. La evidencia actual indica que al menos en parte esta asociación  es causal. El tratamiento con colecalciferol incrementa significativamente los niveles circulantes de  IGF-I  en niños y adultos con deficiencia de vitamina D. No hay información definitiva sobre el mecanismo por el cual la vitamina D modifica las concentraciones de IGF-I, pero si está bien establecido que el IGF-I estimula la síntesis de calcitriol en el riñón. Sobre la base de los resultados de estudios recientes se ha propuesto la hipótesis que indica que la vitamina D promueve la producción hepática de IGF-I e IGFBP-3 induciendo directamente la transcripción de los genes relevantes y/o aumentando el efecto estimulador de la hormona de crecimiento. Las células hepáticas no parenquimatosas (células estrelladas, células de Kupffer y células del endotelio sinusoidal) más que los hepatocitos expresan el VDR y por tanto son el blanco principal de la vitamina D. La vitamina D puede modular la síntesis hepática de IGFBP-3 vía SRC-3 (steroid receptor co-activator-3). Aunque el VDR es expresado en la hipófisis, la vitamina D no influye significativamente en la secreción de hormona del crecimiento. Es posible que la vitamina D incremente las concentraciones de IGF-I aumentando la absorción intestinal de Ca²⁺, pues la ingesta de Ca²⁺  está asociada positivamente con el IGF-I circulante en humanos.  El IGF-I induce la síntesis y actividad de la 1α-hidroxilasa renal, acción que también lleva a cabo la hormona de  crecimiento  pero a través del IGF-I local y endocrino. El IGF-I también estimula la síntesis de calcitriol en la placenta.

Las interacciones paracrinas/autocrinas entre la vitamina D y el IGF-I han sido descritas en diferentes tejidos. Varios autores han reportado interacciones entre metabolitos de la vitamina D, IGF-I e IGFBPs que pueden regular la diferenciación, proliferación  y función de osteoblastos y condrocitos en el tejido óseo. Por otra parte, hay datos  que sugieren  que la vitamina D  y la IGFBP-3  actúan conjuntamente para modular la sensibilidad a la insulina. Sin embargo, es el cáncer de mama el que puede ser considerado como modelo de las interacciones paracrinas/autocrinas  entre la vitamina D y el IGF-I. En el cáncer de mama, la acción del IGF-I es central en el desarrollo de hiperplasia, lesiones precancerosas y eventuales tumores de la glándula mamaria. En este caso el IGF-I producido localmente es más importante que la hormona circulante. La IGFBP-3 puede oponerse  a la acción tumorigénica del IGF-I evitando la unión con su receptor o a través de una acción anti-tumor independiente del IGF-I. La vitamina D disminuye la proliferación y estimula la apoptosis  de las células del cáncer de mama por dos vías: antagoniza los efectos mitogénicos y antiapoptóticos  del IGF-I y estimula la expresión de  IGFBP-3. Es conveniente señalar que las interacciones descritas entre vitamina D, IGF-I e IGFBP-3 pueden caracterizar solamente algunos subtipos de cáncer de mama.

En resumen, las interacciones entre vitamina D e IGF-I ocurren a nivel endocrino y paracrino/autocrino. La vitamina D incrementa los niveles circulantes de IGF-I  e IGFBP-3. El IGF-I estimula la producción renal de calcitriol, lo cual incrementa su actividad endocrina. Como resultado aumenta la disponibilidad de calcio y fosfato en el cuerpo y disminuye la secreción de hormona paratiroidea. A pesar de la abundancia de datos experimentales, el significado e importancia  de las interacciones paracrinas/autocrinas entre vitamina D e IGF-I aún no son muy claras. El cáncer de mama, en el cual la vitamina D modula la relación IGF-I/IGFBP-3 para disminuir la proliferación  e incrementar la apoptosis de células cancerosas, representa una excepción.

Fuente: Ameri P et al (2013). Interactions between vitamin D and IGF-I: from physiology to clinical practice. Clinical Endocrinology 79: 457-463.

El INSL3 como marcador de la funcionalidad de la célula de Leydig

El factor insulinoide 3 (INSL3) es una  hormona peptídica, estructuralmente relacionada con la relaxina y la insulina, de aproximadamente 6 kDa una vez liberada por las células que la producen.  Tanto el precursor (pro-INSL3) como la forma madura (heterodímero A-B) son bioactivos. La pro-INSL3, aproximadamente 14-18 kDa,  incluye un dominio (péptido C) conector. Al menos en el cerdo, la pro-INSL3 es la principal forma circulante de la hormona, aunque la forma madura también está presente en la sangre. El dominio B comprende  el sitio de unión con el receptor, pero es esencial para la actividad de la hormona que ese sitio se encuentre en una conformación específica determina por el dominio A. El dominio C es parte del producto de la traslación inicial del gen y no interfiere con la unión o activación el receptor.  En todos los mamíferos machos, el INSL3  es secretado por las células de Leydig, puede cruzar la barrera hemato-testicular y estar presente en el líquido luminal de túbulos seminíferos, rete testis o epídidimo. 

En la mayoría de especies hay dos poblaciones de células de Leydig: fetal y adulta. Una población de células de Leydig aparece durante el desarrollo fetal después de la expresión del gen SRY y en la diferenciación temprana del testículo fetal a partir de la cresta gonadal. Estas células producen INSL3, así como también andrógenos, esencial para el correcto desarrollo del sistema reproductor masculino. En humanos, la secreción del INSL3 es máxima en la primera mitad del embarazo, mientras que en roedores los niveles máximos se observan al final del embarazo.  Estudios recientes sugieren que en el feto las células de Leydig producen androstenediona, la cual es convertida por las células de Sertoli en testosterona. Mientras la testosterona es necesaria para el adecuado desarrollo  de los derivados del conducto de Wolff, el INSL3 es esencial para la fase transabdominal del descenso testicular. El INSL3 actúa sobre receptores específicos, llamados RXFP2, localizados en el gubernáculo que une al testículo con la región inguinal de la cavidad abdominal.  Bajo la influencia del INSL3, el bulbo del gubernáculo se engruesa reteniendo efectivamente  al testículo en el abdomen inferior mientras el resto del cuerpo y sus órganos crecen dorsalmente. Poco se sabe acerca  de la regulación de la población fetal de células de Leydig, mientras en humanos al menos algunos aspectos de la regulación son gobernados por la hormona luteinizante (LH), en ratones la diferenciación de las células de Leydig fetales es independiente de la LH y más bien parece que depende  de la hormona adrenocorticotropica (ACTH). Esto es  bastante diferente  en la población de células de Leydig tipo adulto, la cual depende absolutamente  de la secreción de LH en humanos y ratones.

En humanos hay una población intermedia de células de Leydig durante la fase postnatal inmediata. Estas células dan origen a un pico en la producción de testosterona a los 3-4 meses de vida postnatal, referida como la “minipubertad”. El origen de estas células es oscuro, aunque alguna evidencia sugiere  que pueden representar una generación de células de Leydig independiente de las stem cells. Tampoco se sabe si durante la pubertad estas células nuevamente involucionan  sólo para rediferenciarse. Parte de la confusión en la interpretación de lo anterior se debe al hecho que tradicionalmente las células de Leydig son definidas por su fenotipo maduro y sí esa descripción no es identificable, las células son consideradas desaparecidas o muertas cuando en realidad solamente han sido desdiferenciadas.  Aparentemente la minipubertad es acompañada por un incremento de la secreción de INSL3.

Las células de Leydig han sido caracterizadas por su secreción regulada de testosterona bajo la influencia de la LH o agentes que generen AMPc. Los pulsos  de testosterona son liberados, y/o su síntesis enzimática  es regulada positivamente, por la estimulación de la LH. Por lo tanto, hay una correspondencia entre la testosterona que ingresa a la circulación  y la pulsatilidad de la LH. Esta relación no se observa con respecto a la secreción y síntesis de INSL3, el cual es liberado de las células de Leydig tan pronto como es producido, es decir de una manera no regulada. Por otra parte, las células de Leydig son altamente adaptativas y su estatus de diferenciación refleja el estatus del eje hipotálamo-hipófisis-testículo (HHT) y, particularmente, de la LH. De manera que el esteroide producido por las células de Leydig forma parte de un asa de retroalimentación negativa que regula la producción (amplitud y frecuencia) de LH. Cuando la testosterona circulante es insuficiente para disparar el asa de retroalimentación negativa, la testosterona es influenciada por el estado de diferenciación de las células de Leydig. Durante la pubertad, la diferenciación de las células de Leydig es influenciada grandemente por el incremento de amplitud y frecuencia  de los pulsos de LH. La diferenciación es evidente por el incremento en el tamaño citoplasmático y nuclear, el incremento concomitante del retículo endoplasmático liso para la esteroidogénesis y por la adopción de la morfología específica de la célula de Leydig adulta madura.

En contraste con la testosterona, el INSL3 es expresado constitutivamente por las células de Leydig, no es regulado por las hormonas del eje HHT y en individuos sanos muestra mínimas variaciones diurnas o fluctuaciones interindividuales. Entonces, a diferencia de la testosterona, el INSL3 proporciona una medida menos ambigua  de la funcionalidad de las células de Leydig (una combinación del estatus de diferenciación y el número absoluto  de células de Leydig en el testículo). El INSL3 declina gradualmente con la edad (12% por década) a partir de la adultez, lo cual presumiblemente refleja la capacidad funcional de las células de Leydig.

Es importante entender los posible roles del INSL3 en el testículo. La principal función del INSL3 parece ser la de inducir la primera fase del descenso testicular durante el desarrollo fetal. Adicionalmente, estudios recientes han sugerido un rol endocrino adicional del INSL3 en el remodelado óseo. En el testículo, los receptores RXFP2, específicos para el INSL3, son expresados en células germinales meióticas y postmeióticas en los túbulos seminíferos y también en las mismas células de Leydig, lo cual sugiere roles paracrinos y autocrinos del INSL3. Estudios recientes han demostrado que el INSL3 protege a las células germinales contra la apoptosis. El INSL3 es capaz de atravesar la barrera hemato-testicular en ratas adultas, del intersticio al compartimento seminífero, en cantidades suficientes para activar sus receptores en las células germinales. También se ha demostrado que el INSL3 endógenamente producido, en bajas concentraciones  es capaz de inducir la esteroidogénesis en las células de Leydig. El receptor RXFP2 actúa vía adenil ciclasa para elevar los niveles intracelulares de AMPc de manera similar a la ruta de la LH. Ahora bien, en el testículo adulto, hay concentraciones muy altas de INSL3  (aproximadamente 400 ng/ml) en el compartimento intersticial lo cual hace que no sea fisiológicamente relevante para las células de Leydig adultas en el testículo sexualmente maduro posiblemente por desensibilización del receptor RXFP2.  La situación puede ser bastante diferente al inicio de la pubertad durante la primera ola espermatogénica, cuando la LH aún no está disponible en cantidades sustanciales y la secreción de INSL 3 podría ser relevante. Esto también podría ser cierto para los receptores RXFP2 de las células germinales pues al inicio de la pubertad la barrera hemato-testicular no está completamente establecida y las concentraciones intersticiales de INSL3 podrían alcanzar el compartimento seminífero fácilmente.

En conclusión, el INSL3 es un producto de las células de Leydig expresado de manera constitutiva. Su secreción en el espacio intersticial testicular  y de aquí al torrente sanguíneo refleja la expresión del gen INSL3 y el estatus de diferenciación  de las células de Leydig así como también su número absoluto.  La expresión constitutiva no pulsátil da al INSL3 una gran ventaja sobre la testosterona como marcador de la funcionalidad de la célula de Leydig pues no es regulado por las hormonas del eje HHT y por consiguiente muestra poca variación interindividual. Por lo tanto, la medición de INSL3 refleja la dinámica de la diferenciación y proliferación de la célula de Leydig en situaciones como la pubertad y el envejecimiento.

Fuente: Ivell R et al (2013). INSL3 as a biomarker of Leydig cell functionality. Biology of Reproduction 88 (6): 1-8.