Rol fisiológico del sistema ghrelina

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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