Nutrición y estrés oxidativo

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Diversidad de neuronas CRH en el hipotálamo

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Regulación epigenética en el aprendizaje y la memoria

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Producción de aldosterona inducida por VLDL

La aldosterona es una hormona mineralocorticoide  involucrada en el mantenimiento del balance de líquidos y electrolitos a través del control de la homeostasis de sodio y potasio y de esta manera  regula el volumen y la presión sanguíneos. La excesiva producción/secreción  de esta hormona no solo provoca  hipertensión arterial sino que también contribuye a la fibrosis cardiaca y a la insuficiencia cardiaca congestiva al tiempo que exacerba la morbilidad y mortalidad asociada con estos desordenes.  Por otra parte, una significativa proporción de individuos con hipertensión esencial en ausencia de hipokalemia son diagnosticados con hiperaldosteronismo. En efecto, el hiperaldosteronismo ocurre en aproximadamente 10% de todos los hipertensos, especialmente aquellos con hipertensión resistente (3 o más medicaciones para controlar la presión arterial). Adicionalmente, los resultados del Framingham Offspring Study sugieren  que los altos niveles de aldosterona están asociados con  un mayor riesgo  de desarrollar hipertensión arterial. La hipertensión, a su vez  ha sido asociada con alteración cognitiva y es un factor que contribuye a la enfermedad renal, pérdida de la visión e insuficiencia cardiaca congestiva. Se ha postulado  que hay efectos directos  de la aldosterona en la enfermedad renal, independientemente de sus efectos sobre la presión arterial y los estudios clínicos recientes apoyan esta idea.

La aldosterona, además de sus efectos  sobre la presión arterial que promueven disfunción cardiaca, exhibe acciones directas sobre los cardiomiocitos  que contribuyen a la fibrosis cardiaca y a la insuficiencia cardiaca congestiva.  La aldosterona también puede inducir daño vascular estimulando la generación de sustancias reactivas de oxígeno (ROS) y activando rutas pro-inflamatorias y pro-fibróticas en las células endoteliales, provocando disfunción vascular crónica. Más aún, algunos estudios sugieren  que las interacciones entre aldosterona  y angiotensina II (AngII) pueden aumentar la inflamación, la fibrosis y la proliferación celular. Los resultados de estos estudios sugieren la importancia  de la aldosterona en las patologías cardiacas. Adicionalmente, varios reportes han sugerido que la aldosterona puede ser uno de los vínculos  entre la obesidad y la hipertensión arterial, aunque los mecanismos que subyacen a esta asociación no son muy claros.  Por otra parte, es posible que no todos los efectos del receptor mineralocorticoide (MR) resulten de su activación  por aldosterona. Es conocido que el cortisol  se une al MR con aproximadamente igual afinidad que la aldosterona. En algunos tejidos como el riñón, la activación del MR por el cortisol es prevenida  por la co-expresión de la 11-beta-hidroxiesteroide deshidrogenasa 2 (11β-HSD2), la enzima que  convierte  cortisol activo en cortisona inactiva. Sin embargo,  otros tejidos como el músculo cardiaco expresan mínima cantidad de 11β-HSD2, lo cual sugiere la posibilidad que en estas células, el cortisol pueda activar MR y contribuir a la fibrosis cardiaca, particularmente cuando los niveles circulantes de cortisol son 100 a 1000 veces mayores que los niveles de aldosterona. Sin embargo, en el músculo liso vascular, la 11-beta-hidroxiesteroide deshidrogenasa (11β-HSD1), la cual usualmente cataliza la conversión  de cortisona inactiva en cortisol activo, muestra una inusual actividad oxidasa, es decir, actividad 11β-HSD2.  En un modelo experimental de hipertrofia y fibrosis cardiacas en roedores, la inhibición de la actividad 11β-HSD2 incrementó la presión arterial, el peso cardiaco y renal  y los niveles de marcadores inflamatorios. Estos resultados sugieren que los niveles endógenos de glucocorticoides pueden inducir patología cardiaca  a través de la inhibición  de la actividad 11β-HSD2.

La aldosterona es sintetizada por cuatro enzimas: el complejo clivador de la cadena lateral del colesterol (CYP11A1), la 3-beta-hidroxiesteroide deshidrogenasa tipo II (HSD3B2), la 21-hidroxilasa (CYP21) y la aldosterona sintetasa (CYP11B2). Las enzimas CYP11A1 y CYP11B2 se localizan en el lado interno de la membrana mitocondrial interna. Las tres enzimas CYP (CYP11A1, CYP21 y CYP11B2) pertenecen a la familia citocromo P450, las cuales pueden aceptar electrones  a partir de la NADPH y usan oxigeno molecular para desarrollar reacciones de hidroxilación o conversión oxidativa. La HSD3B2 pertenece a la familia de deshidrogenasas  de cadena corta y se localiza  en el retículo endoplásmico con la CYP21. La primera reacción en la biosíntesis de aldosterona es la conversión  de colesterol  en pregnenolona por la CYP11A1 en la mitocondria. Sin embargo, para que el colesterol tenga acceso a esta enzima en la membrana mitocondrial interna debe ser  transportado de la membrana externa  a la membrana interna, donde se localiza la CYP11A1,  por la proteína reguladora de la esteroidogénesis aguda (STAR). Esta etapa es la reacción limitante inicial. La pregnenolona es más soluble en agua  que el colesterol y puede moverse por difusión pasiva al retículo endoplásmico donde es convertida en progesterona por la HSD3B2.  La progesterona es convertida en deoxicorticosterona por la CYP21 y es convertida en aldosterona  por tres reacciones de oxidación: una 11 beta- y 18-hidroxilación,  seguidas por una 18-oxidacion, las cuales son  catalizadas por  la aldosterona sintetasa  CYP11B2 (en humanos).  La expresión de la CYP11B2 ocurre solamente en la zona glomerulosa, lo cual previene la producción de aldosterona  en las otras zonas adrenocorticales: la zona fasciculada y la zona reticular.  Entonces, la producción de aldosterona involucra dos etapas claves: la primera (aguda) etapa limitante requiere la expresión  y actividad de la proteína STAR, necesaria para el manejo mitocondrial  del colesterol por enzimas localizadas en la membrana interna mitocondrial. Una segunda (crónica) fase involucra la regulación  de la expresión  de la aldosterona sintetasa (CYP11B2), la enzima que cataliza las reacciones finales en la biosíntesis de aldosterona.

Varios estudios sugieren que la actividad STAR es regulada en los niveles transcripcional, translacional y post-translacional. Adicionalmente, la proteína STAR es fosforilada co-translacionalmente en respuesta  a elevaciones en AMPc, lo cual la convierte  en la forma activa  fosfo-STAR. La STAR moviliza colesterol  de la membrana mitocondrial externa  a la membrana interna, pero parece actuar en la membrana externa. Sin embargo, el mecanismo por el cual la STAR actúa  en la membrana externa para estimular el flujo  de colesterol hacia la membrana interna  aun no está claro.  Una hipótesis  es que cuando la STAR interactúa  con grupos fosfolípidos protonados  en la membrana externa, cambia su conformación, abriendo y cerrando el sitio de unión con el colesterol; este cambio conformacional presumiblemente es requerido  para la unión y translocación del colesterol. Los factores de transcripción como la proteína de unión  al elemento de respuesta  del AMPc (CREB) y el factor esteroidogénico 1 (SF-1) pueden regular la expresión de la proteína STAR actuando directamente o indirectamente sobre la región promotora del gen STAR.

El colesterol requerido  como precursor para la síntesis de aldosterona puede ser sintetizado de novo  o derivar  de las lipoproteínas. La biosíntesis  de novo de colesterol a partir de acil-coenzima A ocurre a través  de la ruta del mevalonato y la hidroximetilglutaril-CoA reductasa (HMG-CoAR), la etapa limitante en la biosíntesis de colesterol. Esta enzima es regulada por el colesterol exógeno, esto es, el colesterol absorbido de la dieta y/o transportado por lipoproteínas, por un mecanismo  de retroalimentación. Las lipoproteínas son macromoléculas  que contienen proteínas y lípidos y funcionan principalmente para transportar lípidos y colesterol  en el cuerpo. La porción externa de las lipoproteínas  está compuesta por fosfolípidos, colesterol y apoproteínas que poseen grupos hidrofílicos y la porción interna (hidrofóbica) de estas partículas  está formada por triglicéridos  y esteres de colesterol.  Hay cinco grupos principales de lipoproteínas, las cuales pueden dividirse por su densidad: (1) quilomicrones que transportan triglicéridos absorbidos  en el tracto gastrointestinal hacia el tejido adiposo, el hígado y los músculos esqueléticos  y tienen la más baja densidad; (2) lipoproteínas de muy baja densidad (VLDL),  tienen mayor diámetro, contienen una gran cantidad de triglicéridos y pequeñas cantidades  de esteres de colesterol y transportan triglicéridos  del hígado al tejido adiposo y otros tejidos. La VLDL es metabolizada a IDL  y luego a LDL; (3) lipoproteínas de densidad intermedia (IDL), las cuales se forman en el metabolismo de las VLDL y pueden transportar colesterol  del hígado al resto del cuerpo;  las IDL son intermediarias entre  las VLDL y las LDL y usualmente no son detectables  en la sangre; (4) lipoproteínas de baja densidad (LDL) de diámetro más pequeño (con una mayor densidad que las VLDL o las IDL), contienen una gran proporción de esteres de colesterol con pequeñas cantidades de triglicéridos y  transportan colesterol del hígado a otros tejidos del cuerpo; (5) lipoproteínas de alta densidad (HDL) que recogen el colesterol  de los tejidos  del cuerpo  y lo retornan al hígado.

Los estudios sugieren que, dependiendo del organismo, las LDL y las HDL son importantes fuentes del colesterol usado para producir aldosterona en respuesta a los secretagogos clásicos angiotensina II (AngII), hormona adrecorticotrópica (ACTH)  o niveles elevados de potasio extracelular. Las LDL proporcionan  la mayor parte del colesterol a las células glomerulosas, pero las HDL también son fuente importante  de colesterol para la biosíntesis de aldosterona.  Varios estudios han demostrado que las HDL y las LDL tienen efectos estimuladores equivalentes  sobre la esteroidogénesis  inducida por AngII. La LDL se une al receptor de LDL (LDLR) y el complejo LDL/LDLR es internalizado por endocitosis  en las células de la zona glomerulosa. Los niveles de LDLR pueden ser regulados  por el sistema de señalización  AMPc pero no por la AngII.  Por otra parte, la AngII puede incrementar  los niveles del receptor “scavenger” clase B, tipo 1 (SRB1) requerido para la captación  del colesterol de las HDL y esta proteína también es expresada  en las células de la zona glomerulosa.

Aunque se ha determinado que el exceso de depósitos de grasa contribuye a incrementar la presión arterial en pacientes con hipertensión esencial y que la ganancia de peso  está asociada con aumento de la presión arterial, no está claro cómo el exceso de peso resulta en mayor presión arterial. Los posibles mecanismos propuestos incluyen la activación del sistema nervioso simpático y/o el sistema renina-angiotensina II-aldosterona (RAAS) por tejidos extra adiposos.  Adicionalmente, también pueden estar involucradas la sobre secreción  de citoquinas derivadas del tejido adiposo (conocidas como adipoquinas) y/o citoquinas pro-inflamatorias y la compresión física  de los riñones, especialmente con incremento de tejido adiposo. Por otra parte, varios estudios sugieren que los niveles  de aldosterona constituyen un vínculo entre obesidad e hipertensión.  La  relación  aldosterona/renina es elevada en pacientes obesos, esta asociación es más obvia en individuos obesos que reciben una dieta rica en sal, en quienes está suprimida la actividad de la renina. Asimismo, se ha sugerido que la grasa visceral  incrementa la producción de aldosterona. Estas observaciones aumentan la posibilidad que en los pacientes obesos exista un sistema regulador  de aldosterona alternativo adicional  a los sistemas clásicos (agonistas AngII, niveles circulantes de potasio y ACTH).

Los pacientes obesos, además de un elevado riesgo de hipertensión y enfermedad cardiovascular tienen niveles aumentados  de lipoproteínas o dislipidemia que se caracteriza por un incremento en los niveles plasmáticos de triglicéridos, VLDL y LDL. Esta dislipidemia juega un rol importante en los efectos perjudiciales de la obesidad.  En sujetos obesos, los niveles de triglicéridos (una medida indirecta de los niveles de VLDL) se correlacionan positivamente  con los niveles plasmáticos de aldosterona. La eplerenona, un antagonista del MR, disminuye la presión arterial y los niveles plasmáticos de triglicéridos en individuos hipertensos con o sin síndrome metabólico. Por otra parte, las lipoproteínas, además de proporcionar colesterol para la biosíntesis de esteroides, pueden incrementar los niveles de aldosterona iniciando rutas de señalización que regulan la esteroidogénesis.  Por ejemplo, la HDL induce la expresión de CYP11B2 a través de eventos de señalización activados por calcio.

La evidencia acumulada apoya la capacidad de la VLDL  para inducir  eventos de transducción de señal. La VLDL, con un contenido de triglicéridos  de aproximadamente 50%,  es sintetizada en el hígado y es responsable de transportar  ácidos grasos y triglicéridos a los tejidos periféricos. En la circulación, la VLDL  convierte a las proteínas ApoC-II y ApoE de la HDL en su forma madura. Los triglicéridos de la VLDL son removidos por la lipoproteína lipasa para almacenamiento o producción de energía, formando primero una lipoproteína de densidad intermedia (IDL) y  a continuación una lipoproteína  de baja densidad (LDL). Aunque el receptor de VLDL  está presente en la glándula suprarrenal, la función de la VLDL en la esteroidogénesis adrenal ha sido poco estudiada. Sin embargo, los estudios en otros tejidos han establecido que la VLDL es capaz de iniciar varias rutas de señalización, lo que sugiere otros roles para la VLDL  adicionales al transporte de lípidos. Por ejemplo,  células HepG2 incubadas con VLDL incrementan los niveles de inositol 1,4,5-trifosfato (IP₃), lo cual sugiere  la estimulación  de una fosfolipasa C específica de fosfoinositido (PI-PLC), la liberación de araquidonato y la actividad de la proteína quinasa C y las quinasas reguladas por señal extracelular 1 y 2 (ERK1/2).  Adicionalmente, en células de músculo liso vascular tratadas con VLDL, se inhibe el ensamble dependiente de Src  de fibronectina y colágeno tipo 1 y en células de cáncer de próstata PC-3, la VLDL  estimula la proliferación celular y la activación  de las rutas de señalización ERK1/2 y Akt. La incubación de líneas de células derivadas de macrófagos con VLDL también estimula la actividad ERK1/2 de una manera dependiente  de proteína quinasa C (PKC). Por otra parte, la VLDL regula negativamente la ruta Wnt en células endoteliales. Entonces, la VLDL activa diferentes rutas de señalización en varios tipos de células.

La VLDL estimula la producción de aldosterona en múltiples modelos  de células de zona glomerulosa, incluyendo cultivos primarios de células glomerulosas adrenales de bovino y humanas así como también en células de carcinoma adrenocortical humano (células H295R). En las células H295R, la  VLDL también aumenta la producción  de dehidroepiandrosterona (DHEA). El efecto esteroidogénico de la VLDL es mediado por su capacidad para incrementar la expresión de  STAR y CYP11B2 a través de una cascada de señalización  iniciada por el calcio. La VLDL incrementa los niveles citoplasmáticos de calcio  de una manera similar a la AngII, a través de efectos sobre los canales de calcio. Estudios  recientes han demostrado un rol clave de  la fosfolipasa D (PLD) en la respuesta  VLDL, inhibidores de la PLD  reducen la expresión de CYP11B2  inducida por VLDL y la secreción de aldosterona. La inhibición de la PLD también resulta  en disminución de la expresión de STAR estimulada por VLDL. Estos resultados apoyan un rol un rol de la VLDL como secretagogo  de aldosterona y sugieren que este agente  actúa  a través de la activación  de varias rutas de señalización para inducir la esteroidogénesis en la zona glomerulosa.  Algunas de estas señales  son activadas agudamente (minutos a una hora de exposición) e incluye la unión del agonista a su receptor, que en el caso  de la VLDL parece ser el SR-B1 y el inicio  de la hidrólisis de fosfoinositido por activación de la PI-PLC. En minutos, la generación resultante  de diacilglicerol y PI₃ activa la PKC que estimula la actividad PLD y libera calcio  de los depósitos intracelulares para aumentar los niveles citoplasmáticos de calcio. Otras señales son activadas  de una manera más lenta  para mantener y sostener  la esteroidogénesis. Estas señales sostenidas son generadas en varias horas  e incluyen elevaciones en los niveles de factores de transcripción como Nurr1 y un incremento en la transcripción de CYP11B2.

La  capacidad de la VLDL para estimular la producción de aldosterona puede ser considerada, desde un punto de vista evolucionista, como un mecanismo fisiológico para promover la retención de sodio de la dieta cuando el acceso a este mineral  es incierto. En este contexto, sobre la base de resultados preliminares, se presume que las concentraciones patológicas  de VLDL, como por ejemplo en la obesidad, podrían jugar un rol aún más importante en elevar las concentraciones de aldosterona in vivo. Por otra parte, es conocido que los niveles plasmáticos de triglicéridos pueden ser disminuidos por ciertos medicamentos. Por ejemplo, las estatinas no solo disminuyen los niveles de colesterol sino también los niveles de triglicéridos. Un estudio reciente demuestra que el uso de estatinas en sujetos hipertensos y diabéticos, en particular estatinas lipofílicas, reduce los niveles plasmáticos de aldosterona así como la respuesta aldosterona a la AngII y a una dieta baja en sodio. Adicionalmente, la literatura sugiere que las estatinas pueden reducir la presión arterial al tiempo que mejoran la dislipidemia. Varias líneas de evidencia apoyan la idea que las estatinas  pueden regular varios componentes del sistema renina-angiotensina II-aldosterona. Por otra parte, muchos medicamentos  usados en el tratamiento  de la hipertensión arterial antagonizan algunos aspectos de la ruta aldosterona. Por ejemplo, los inhibidores de la síntesis  o acción de AngII, principal regulador fisiológico de la producción de aldosterona, funcionan interfiriendo con la secreción o acción de la aldosterona. Esto incluye a inhibidores de la enzima convertidora de angiotensina (ACE),  bloqueadores del receptor de angiotensina (ARB), o del receptor mineralocorticoide (espironololactona y eplerenona) y antagonistas de la acción de la aldosterona (amiloride y triamterene).

En conclusión, la aldosterona secretada por la zona glomerulosa adrenal, aumenta la retención de sodio e incrementa el volumen sanguíneo y la presión arterial. Varios estudios sugieren que los niveles de aldosterona  son elevados en la obesidad y pueden representar un vínculo entre obesidad e hipertensión. Los pacientes obesos típicamente tienen dislipidemia, incluyendo elevados niveles plasmáticos de VLDL. Las VLDL  transportan triglicéridos  del hígado a los tejidos periféricos y estudios recientes demuestran que también estimulan la producción de aldosterona. La VLDL incrementa los niveles citoplasmáticos de calcio y estimula la actividad PLD que resulta  en la inducción  de  la expresión de STAR y aldosterona sintetasa.

Fuente: Tsal YY et al (2017). Very low-density lipoprotein (VLDL)-induced signals mediating aldosterone production.  Journal of Endocrinology 232: R115-R129.

Glucocorticoides y ejercicio

El ejercicio aeróbico, también conocido como actividad de resistencia o ejercicio cardiovascular, involucra un período sostenido  de movimientos rítmicos de los músculos esqueléticos y requiere  del bombeo de sangre oxigenada por el corazón para proporcionar oxigeno a los músculos  y generar energía. Está demostrado que el ejercicio aeróbico, (por ejemplo, correr) agudo o crónico (habitual/repetido), mejora la cognición, la memoria y la salud mental en humanos y roedores. Dos ejemplos en humanos son: (1) el ejercicio previene el declive  cognitivo y mejora la función cognitiva en adultos mayores, (2) el ejercicio tiene efectos terapéuticos comparables con el tratamiento farmacológico o la terapia psicológica  en pacientes con desordenes depresivos.  Sin embargo, mientras los beneficios del ejercicio están bien establecidos, su mecanismo de acción  es poco conocido.  Más aún, varios autores señalan  la existencia  de una paradoja (paradoja ejercicio-glucocorticoides).  A pesar  de los beneficios en la cognición, el humor y el cerebro, el ejercicio activa el eje hipotálamo-hipófisis-adrenal (HHA) e incrementa los niveles  de la “hormona del estrés”, el glucocorticoide (GC) cortisol en humanos (corticosterona en roedores). Numerosos estudios han demostrado  que el ejercicio agudo  incrementa los niveles de GC  inmediatamente, mientras el ejercicio crónico puede también elevar los niveles basales de GC. Por otra parte, los elevados niveles de GC que ocurren generalmente después de eventos estresantes, alteran la cognición/memoria y reducen la plasticidad estructural y funcional del cerebro. Contrario a los dos ejemplos que sugieren efectos beneficiosos del ejercicio, los niveles elevados de GC han sido definidos  como uno de los factores claves  o causa  de la depresión y del declive cognitivo en el envejecimiento.

Los efectos agudos  del estrés sobre los niveles de GC han sido bien establecidos. Varios estresores agudos incrementan significativamente  los niveles de GC en plasma y saliva, con un pico 21-40 minutos  después del inicio del estrés. Esto es cierto en hombres y mujeres. Sin embargo, la naturaleza del estresor y los sujetos examinados pueden moderar  la magnitud del efecto. Por ejemplo, niños, adolescentes y adultos muestran un incremento similar  en los niveles de GC, pero los hombres muestran mayor incremento que las mujeres. Mientras la exposición repetida  al mismo estresor puede inducir habituación, es decir, reduce cualquier respuesta GC posterior al mismo estresor, el estrés crónico  causa hiperactividad del eje HHA que resulta  en elevación de los niveles de GC en humanos y roedores. Los estudios en roedores demuestran que el estrés crónico incrementa los niveles basales de GC a través del ciclo luz-oscuridad en animales machos jóvenes y adultos. En roedores hembras jóvenes y adultas, el estrés crónico también puede incrementar los niveles basales de GC durante la fase de luz, especialmente en la mañana. Un estudio en ratas machos reporta un incremento consistente de los niveles de GC en orina de 24 horas durante las primeras cinco semanas  de estrés crónico, un efecto que desapareció después de la sexta semana. En otro estudio, tres semanas de estrés crónico incrementó significativamente los niveles urinarios  basales de GC en la mañana en ratones hembras adultas, mientras el mismo estresor  no afectó a los ratones machos adultos.  Entonces, la evidencia sugiere  que el estrés agudo incrementa significativamente los niveles de GC en humanos y roedores jóvenes y adultos de ambos sexos. Con respecto al estrés crónico, los niveles basales de GC  aumentan  en humanos y roedores varones y hembras, jóvenes y adultos, aunque el efecto en roedores hembras ha sido menos estudiado.

El efecto agudo del ejercicio sobre los niveles de GC es más pronunciado en la tarde  y en la noche. Adicionalmente, la respuesta GC es dependiente de la duración y la intensidad del ejercicio, los períodos de mayor duración y más intensos inducen una mayor respuesta GC.  A mayor intensidad (velocidad, duración) mayor es el incremento en los niveles de GC. En un estudio, 30 minutos de carrera a 15m/min  incrementó 200% los niveles de GC  con respecto a los niveles controles, mientras la carrera a 30m/min incrementó 360% los niveles de GC con relación a los niveles controles. El incremento en los niveles de GC disminuye gradualmente a los niveles controles  30 min a 1 hora después del ejercicio.  El ejercicio crónico regula hacia arriba los niveles basales  de GC. Elevados niveles basales de GC en la mañana  han sido reportados en mujeres y hombres adultos atléticos. En roedores, el ejercicio moderado incrementa los niveles de GC en la mañana y la tarde (fase oscura) de una manera dependiente de la intensidad del ejercicio. Un estudio con ratas machos adultos reporta que tres semanas de ejercicio  resultó en un incremento  de 2,5 veces  los niveles de GC en la mañana. Entonces, el ejercicio agudo incrementa los niveles de GC en ambos sexos  en humanos y roedores adultos. El ejercicio crónico, por otra parte, incrementa los niveles basales de GC en hombres y mujeres adultas  y roedores machos  jóvenes y adultos. El estrés crónico y el ejercicio crónico inducen un incremento en los niveles de GC en roedores machos  jóvenes y adultos. La magnitud  y el tiempo del incremento en GC  dependen de la naturaleza del estresor y el ejercicio. Sin embargo, el estrés  crónico  induce un incremento  más consistente en los niveles basales de GC a pesar de que tanto el estrés crónico como el ejercicio crónico pueden elevar los niveles basales de GC 1,5 a 3 veces  los niveles controles. Es sorprendente  que a pesar de incrementar los niveles de GC de manera similar al estrés, el ejercicio ejerza varios efectos beneficiosos en el organismo.

El estrés crónico induce  depresión, altera la memoria/cognición  y es perjudicial para la plasticidad funcional y estructural del cerebro y los GC han sido propuestos como mediadores  de estos efectos. Con respecto a los mecanismos neurobiológicos, los investigadores han propuesto la hipótesis  de la “cascada glucocorticoide” en el contexto de estrés y envejecimiento, la cual sugiere que el estrés crónico  induce hiperactividad del eje HHA y los continuos niveles elevados de GC dañan  áreas del cerebro como la corteza prefrontal (CPF) y el hipocampo, las cuales proporcionan  regulación por retroalimentación negativa  al eje HHA. El estrés crónico provoca la desregulación del eje HHA, lo cual resulta en un grupo de síntomas como anhedonia y déficit cognitivo que contribuyen a la depresión.  Los estudios en humanos reportan  niveles basales elevados de GC en plasma y saliva de pacientes clínicamente deprimidos, lo cual es normalizado  con tratamiento psicológico o con antidepresivos. Los estudios longitudinales han demostrado  que los elevados niveles basales  de GC en plasma, particularmente en la mañana, predicen el inicio o desarrollo de la depresión. El estrés crónico también altera la cognición y la memoria. Los pacientes  exhaustos a causa del estrés tienen  fallas en la memoria  de trabajo y las tareas  relacionadas con la memoria episódica. Hombres y mujeres con depresión  muestran significativos déficits en la función cognitiva y la toma de decisiones. Los efectos perjudiciales del estrés crónico  son mediados por los efectos  de los GC sobre la plasticidad estructural y funcional  en el cerebro. El estrés crónico  causa atrofia dendrítica  en la CPF  y el hipocampo, reducción de la neurogénesis en el hipocampo y supresión  de la proliferación y supervivencia de nuevas neuronas. La supresión de la neurogénesis  inducida por el estrés está asociada con alteración del rendimiento  cognitivo dependiente del hipocampo. Adicionalmente, el estrés crónico y los niveles crónicamente elevados de GC disminuyen los niveles de factor neurotrófico derivado  del cerebro (BDNF) en varias regiones del cerebro. El BDNF juega  un importante rol  en el mantenimiento  y la supervivencia de neuronas y en la plasticidad sináptica. La disminución de los niveles de BDNF  puede contribuir a la depresión, mientras su incremento  juega un importante rol  en la acción de los tratamientos antidepresivos.  El estrés crónico  o los niveles crónicamente elevados de GC  dañan la plasticidad funcional. Adicionalmente, alteran la potenciación de larga duración  (LTP), un mecanismo molecular  que subyace al aprendizaje  y la memoria en la CPF y el hipocampo, también inducen  déficits en la corriente postsináptica excitadora en las neuronas piramidales  de la CPF.

A diferencia del estrés crónico, el ejercicio crónico a pesar de incrementar los niveles de GC ejerce efectos beneficiosos. Esencialmente, previene/revierte la depresión, mejora la memoria/cognición y promueve la plasticidad estructural y funcional del cerebro. Varios estudios han demostrado que el ejercicio puede reducir significativamente la depresión en jóvenes y adultos, principalmente en varones. En ambos sexos, el ejercicio crónico mejora la memoria de corto y largo plazo, particularmente en jóvenes,  y el rendimiento académico  en niños. En paralelo con los beneficios en humanos, los estudios en roedores, particularmente en machos adultos, demuestran que el ejercicio promueve el aprendizaje espacial y la memoria. Con relación a la plasticidad estructural y funcional, el ejercicio crónico incrementa en roedores machos adultos la longitud, complejidad y/o densidad de las espinas dendríticas en la CPF y el hipocampo, al tiempo que promueve la neurogénesis en el  hipocampo incrementando la proliferación, diferenciación y supervivencia celular. El ejercicio crónico incrementa los niveles sanguíneos de BDNF en humanos y en varias regiones cerebrales de roedores machos adultos, incluyendo el giro dentado del hipocampo.  Funcionalmente, el ejercicio crónico  aumenta la LTP en el giro dentado del hipocampo  en roedores machos y hembras jóvenes y adultos. Entonces, debe (n) existir  algún (os) mecanismo(s) o diferencia(s) significativa(s)  entre el estrés crónico y el ejercicio crónico esencial(es) para los efectos beneficiosos  del ejercicio.

En roedores  machos jóvenes y adultos, varias formas de estrés crónico incrementan los niveles de GC en repuesta a un nuevo estresor, lo cual puede ser atenuado  por el tratamiento crónico con antidepresivos. Sin embargo, los animales sometidos a dos o cuatro semanas de ejercicio crónico muestran  niveles reducidos de GC inducidos por  un estresor nuevo. En un estudio reciente con ratones machos adultos, el ejercicio fue asociado con mayores niveles de GC (concentración absoluta) 20 minutos después del  inicio del estrés y con  niveles menores de GC  90 minutos después de finalizado el estrés. Análisis posteriores  demostraron que los niveles picos  de GC inducidos por el estrés fueron similares entre las ratas sometidas a ejercicio y las ratas controles.  Estos resultados sugieren que el ejercicio  puede  acortar la respuesta GC reduciendo la secreción de GC.  Entonces, el ejercicio puede ejercer sus efectos beneficiosos amortiguando la secreción de GC en respuesta al estrés. Sin embargo, el cambio en la secreción de GC en la respuesta al estrés es solamente un factor y el ejercicio puede  mejorar el estrés a través de otros mecanismos.

Es bien conocido que el estrés crónico  disminuye los niveles de dopamina  (DA) en la corteza prefrontal medial (CPFm). Adicionalmente, en ratas machos adultos, varios tratamientos antidepresivos como inhibidores selectivos de la recaptación de  serotonina (5-HT)  (ej fluoxetina), agonistas 5-HT (ej R-8-OH-DPAT), inhibidores selectivos de la recaptación  de noradrenalina  (ej reboxetina)  y antidepresivos tricíclicos (ej imipramina) incrementan los niveles de DA en la CPFm. Asimismo, el ejercicio crónico  incrementa los niveles de DA y otros neurotransmisores (glutamato, 5-HT, noradrenalina, glicina, alanina y taurina) en la CPFm  en ratas machos jóvenes.  Las observaciones que el estrés crónico disminuye mientras el ejercicio crónico incrementa los niveles de DA en la CPFm y que la DA está asociada con  efectos antidepresivos, sugieren que la DA en la CPFm  puede ser una diferencia clave  entre el estrés crónico y el ejercicio crónico y, por lo tanto, otra posible solución a la paradoja ejercicio-glucocorticoides.

La CPFm proporciona regulación por retroalimentación negativa al eje HHA. Las lesiones en la CPFm  resultan  en un incremento significativo  en los niveles plasmáticos (pero no los niveles basales) de hormona adrenocorticotrópica (ACTH) y GC en respuesta  al estrés en ratas machos adultos, lo cual sugiere que la CPFm modula selectivamente la actividad del eje HHA en la respuesta al estrés. Más específicamente, los antagonistas de D1R/D2R inyectados en la CPFm aumentan los niveles de ACTH y GC inducidos por el estrés, lo que sugiere que la DA en la CPFm normalmente suprime la actividad del eje HHA. Sobre la base de estas evidencias, el aumento en los niveles de DA  en la CPFm inducido por el ejercicio crónico y la disminución  inducida por el estrés crónico reportados principalmente en animales machos jóvenes y adultos, se ha propuesto que el ejercicio crónico atenúa, mientras el estrés crónico aumenta, los niveles de GC en respuesta a un nuevo estresor. Por otra parte, hay evidencia que los elevados niveles basales de GC  juegan un importante rol en el mantenimiento de altos niveles de DA en la CPFm. En otras palabras, la razón por la cual el ejercicio  induce mayores niveles de DA en la CPFm  es el incremento en los niveles basales de GC, posiblemente a través de un mecanismo mediado por receptores GR. Entonces, bajo condiciones de ejercicio crónico, los GC normalmente funcionan para elevar los niveles de DA en la CPFm. Esto puede reflejar un mecanismo compensatorio fundamental subyacente a la retroalimentación  negativa de los GC, los niveles  basales de GC incrementan la DA que a su vez suprime la respuesta GC inducida por el estrés.  Los GC son liberados en la circulación y eventualmente alcanzan la CPFm. Los GC  pueden potenciar los impulsos glutamatérgicos en las neuronas DA en el área tegmental ventral (ATV), lo cual causa  la liberación de DA en la CPFm y por consiguiente, la  activación de sus efectos antidepresivos. Un estudio con microscopia electrónica  en ratas machos adultos  demuestra que las neuronas DA del ATV que reciben aferencias de la CPFm se proyectan recíprocamente a la CPFm. Más aún, hay evidencia que los GC inhiben la recaptación presináptica de DA, lo cual resulta  en elevados niveles de DA.

Reexaminando los efectos del estrés crónico versus  ejercicio crónico sobre los niveles basales de GC,  encontramos que el estrés crónico  induce un incremento más consistente  en los niveles basales de GC, mientras una considerable proporción de  estudios sobre el ejercicio crónico  no reportan  tal incremento. Una posibilidad puede ser que al asumir que el objetivo funcional de incrementar los  niveles basales de GC es elevar los niveles de DA en la CPFm para ejercer control, el ejercicio crónico puede tener otro mecanismo  de acción que podría  ser utilizado para alcanzar este objetivo. Por ejemplo, se ha demostrado que cinco días de  ejercicio en ratas incrementa la expresión  del ARNm de tirosina hidroxilasa, la enzima  de la etapa limitante en la síntesis de DA y un marcador de neuronas DA. Esto ha sido relacionado con los mayores niveles circulantes de calcio inducidos por el ejercicio, el calcio puede entrar  en el cerebro  e influir en la síntesis de DA  dependiente de calcio/calmodulina activando la tirosina hidroxilasa.  El incremento en la síntesis de DA en el ATV puede provocar el aumento en la liberación de DA en la CPFm. Más aún, es posible que el ejercicio reduzca el transporte (recaptación)  de DA. La expresión de transportadores de DA (DAT) en la CPFm es baja y la recaptación de DA ocurre vía DAT y transportadores de noradrenalina (NAT). Por el contrario, el estrés crónico regula hacia arriba  la expresión de  DAT y NAT en la CPFm de ratas machos jóvenes y adultos.

Otra potencial solución a la paradoja ejercicio-GC tiene que ver con los receptores mineralocorticoides  (MR) y glucocorticoides (GR). Mientras el estrés crónico y el ejercicio crónico regulan hacia arriba los niveles basales de GC, su influencia sobre MR y GR es diferente. Hay evidencia que el incremento en los niveles basales de GC inducido por el estrés crónico  se acompaña  con una disminución de MR y GR. En humanos, los individuos con función MR relativamente baja  pueden presentar mayor susceptibilidad al estrés, mientras los roedores con  incremento en la actividad o expresión de MR pueden prevenir o revertir los síntomas  de conductas depresivas relacionadas con el estrés. Adicionalmente, la regulación hacia abajo de los GR en el cerebro, especialmente en el hipocampo, inducida por el estrés crónico, es importante en la fisiopatología de la depresión. En animales machos jóvenes y adultos,  el ejercicio agudo disminuye transitoriamente la expresión de MR en el hipocampo, una respuesta adaptativa al incremento agudo en los niveles de GC, por el contrario, el ejercicio crónico no produce ese efecto y en cambio causa un incremento en la expresión de GR en el hipocampo, pero no en otras regiones del cerebro. Se puede concluir, entonces, que mientras el estrés crónico y el ejercicio crónico  incrementan los niveles de GC, el primero  regula hacia abajo mientras el último regula hacia arriba o no altera  la expresión de GR. Esta diferencia se vuelve significativa a la luz  de los siguientes hallazgos: (1) durante el ejercicio los GC incrementan los niveles de DA en la CPFm  activando los GR, (2) los antidepresivos  ejercen varios efectos terapéuticos  a través de la activación de GR, incluyendo un incremento en la neurogénesis en el hipocampo.  Entonces, los GR pueden jugar un rol en la paradoja ejercicio-GC.

En conclusión,  la paradoja ejercicio-GC sugiere que a pesar de incrementar  los niveles basales de GC, el ejercicio crónico promueve la plasticidad estructural y funcional, mejora la cognición/memoria y ejerce efectos antidepresivos. El objetivo funcional de elevar los niveles basales de GC por el ejercicio crónico  puede ser aumentar (a través de GR) la concentración de DA en la CPFm. La DA es esencial para activar conductas  frente al estrés. Consistente con esta teoría se han identificado tres potenciales  respuestas a la paradoja  ejercicio-GC.  (1) El ejercicio crónico reduce, mientras el estrés crónico aumenta, la respuesta GC ante un nuevo estresor; (2) el ejercicio crónico aumenta, mientras el estrés crónico reduce, la DA en la CPFm; (3) el ejercicio crónico  no cambia o regula hacia arriba, mientras el estrés crónico regula hacia abajo,  la expresión de MR y GR.

Fuente: Chen C et al (2017). The exercise-glucocorticoid paradox: how exercise is beneficial to cognition, mood and the brain while increasing glucocorticoid levels.  Frontiers in Neuroendocrinology 44: 83-102.