Regulación epigenética de la pubertad femenina

El inicio de la pubertad  en  los mamíferos necesita un  incremento  de la actividad secretora  de las neuronas hipotalámicas que producen la hormona liberadora de gonadotropinas (GnRH).  La actividad secretora de las neuronas GnRH depende  de impulsos trans-sinápticos y gliales proporcionados por  diferentes neurotransmisores, neuromoduladores y moléculas de señalización  célula-célula, derivados de grupos de neuronas o células gliales conectadas funcionalmente con las neuronas GnRH.  Mientras los impulsos trans-sinápticos pueden ser excitadores o inhibidores, los impulsos gliales casi siempre son excitadores.  La complejidad de los sistemas celulares  que regulan la actividad de las neuronas GnRH ha dado lugar a dos preguntas importantes: ¿cuál es el impacto sobre el inicio de la pubertad de los genes  expresados en las diversas poblaciones celulares? y ¿cuáles son los mecanismos para  la coordinación dinámica de las redes genéticas que contribuyen  al control central del proceso de la pubertad? Sobre la base  de estudios en modelos animales se ha propuesto que la pubertad no es un evento disparado por un único gen, sino que involucra a una diversidad de genes, los cuales están organizados  en redes funcionales. Las nuevas herramientas  para explorar el genoma humano han facilitado  la identificación  de varios genes esenciales para la pubertad. Entre estos genes se incluyen  a: (i) GNRHR, necesario para que las células gonadotropas de la hipófisis  respondan a la GnRH porque codifica al receptor de GnRH, (ii) LEP, el gen que codifica a la leptina, una citoquina producida por los adipocitos que es esencial para  no sólo para la regulación de la homeostasis energética  sino también para el inicio de la pubertad, (iii) LEPR, el gen que codifica al receptor de leptina. La epigenética (cambios en la expresión de un gen  que ocurren sin cambios en la secuencia primaria de nucleótidos del gen) es un sistema regulador biológico capaz de regular dinámicamente la expresión  de genes y al mismo tiempo imponer  un nivel de coordinación  y plasticidad transcripcional a los grupos  de genes que controlan el desarrollo reproductivo  femenino.

El control trans-sináptico  de las neuronas GnRH es dual, involucra impulsos excitadores e inhibidores. Una fracción sustancial  de los impulsos excitadores  es proporcionada por neuronas glutamatérgicas, pero el más poderoso impulso para la liberación de GnRH es proporcionado por neuronas hipotalámicas que secretan un grupo de cuatro péptidos biológicamente activos, conocidos como kisspeptinas, que resultan del clivaje proteolítico de un precursor que es codificado por el gen KISS1/Kiss1. Todas las kisspeptinas son potentes estimuladores  de la liberación de GnRH. La importancia crítica  de estos péptidos para la pubertad fue demostrada  hace 10 años en estudios con humanos que demostraron  que la pérdida de función de GPR54/Kiss1R, el gen que codifica al receptor de kispeptina, provoca  falla puberal. En oposición a esta influencia excitadora, hay tres grupos de neuronas que proporcionan regulación inhibidora  trans-sináptica de las neuronas GnRH: (i) neuronas opiatérgicas, (ii) neuronas que contiene péptido relacionado con RFamida (RFRP) y (iii) neuronas GABAergicas.  Las neuronas opiatérgicas inhiben la actividad de las neuronas GnRH liberando  péptidos que se unen  a receptores específicos en  neuronas GnRH y en neuronas  que controlan la secreción de GnRH.  Un ejemplo prominente  de este tipo de interacción   se encuentra en el núcleo arcuato. En esta región   del hipotálamo, las neuronas kisspeptina producen el péptido opiodedinorfina, el cual, al menos en parte,  inhibe la secreción de GnRH reprimiendo la liberación de Kisspeptinas a través de una interacción de tipo paracrina/autocrina.  El RFRP es el ortólogo  de la hormona inhibidora de GnRH (GnIH) en los mamíferos.  Las neuronas RFRP usan  los péptidos RFRP1 y RFRP3 para comunicación trans-sináptica. Ambos péptidos tienen alta afinidad por el receptor GPR147 o NPFFR1 y baja afinidad por el receptor GPR74 o NPFFR2. El GPR147 es expresado en las neuronas GnRH, por lo que las neuronas RFRP pueden actuar directamente sobre ellas para inhibir la secreción de GnRH. La acción de las neuronas GABAergicas sobre la red  neuronal GnRH es más compleja. El GABA inhibe la secreción de GnRH  a través de receptores GABA_A y GABA_B expresados en las neuronas conectadas a la red neuronal GnRH y a través de receptores GABA_B localizados en las neuronas GnRH. A pesar de estas acciones inhibidoras, las neuronas GABAergicas también excitan  directamente a las neuronas GnRH vía activación de receptores GABA_A.

Las células gliales contribuyen  al control hipotalámico de la pubertad. Una serie de estudios han demostrado que los astrocitos y las células ependimogliales de la superficie ventro-lateral del tercer ventrículo, conocidas como tanicitos, facilitan la secreción de GnRH  liberando factores de crecimiento y moléculas pequeñas como ATP y prostaglandina E2 y a través de interacciones célula-célula. La primera forma de comunicación es  ejercida por factores difusibles, pero la comunicación adhesiva entre células gliales y neuronas GnRH requiere un contacto directo célula-célula e involucra moléculas de adhesión  con características estructurales únicas para permitir el movimiento bidireccional  de la señal intracelular.  Estas moléculas incluyen a la  molécula de adhesión sializada NCAM (PSA-NCAM), la molécula  de asdhesion sináptica 1 (SynCAM1) y la proteína tirosina fosfatasa-β similar a receptor (RPTPβ).

El incremento en la liberación pulsátil de LH es  actualmente aceptado como la primera manifestación  endocrina del inicio de la pubertad de los humanos.  La amplitud de los pulsos de LH detectados en la circulación sanguínea aumenta en la noche durante la transición  a la pubertad temprana. El mecanismo trans-sináptico  que subyace a la liberación  pulsátil de GnRH es la actividad sincronizada  de un grupo de neuronas localizadas en el núcleo arcuato del hipotálamo conocidas como neuronas KNDy porque producen kisspeptinas, neuroquinina B (NKB) y dinorfina. Las neuronas KNDy  liberan NKB, el cual actúa sobre las neuronas KNDy a través de receptores específicos para  estimular la liberación de kisspeptinas. NKB y kisspeptinas son liberadas periódicamente y esta conducta oscilatoria  está determinada por un mecanismo de retroalimentación negativa que la dinorfinaejerce sobre la liberación de NKB.  La liberación pulsátil de GnRH es regulada, además de las neuronas KNDy, por neuronas glutamatérgicas, GABAergicas, opiotérgicas y RFRP.Además de las neuronas KNDy del núcleo arcuato, hay otra población  de neuronas kisspeptinas localizada en el núcleo anteroventralperiventricular (AVPV) de roedores y el área rostral periventricular de humanos y roedores, Estas neuronas no contienendinorfina ni NKB y por lo tanto no contribuyen al control de la liberación pulsátil de GnRH. Las neuronas del AVPV  son requeridas para el pico preovulatorio de gonadotropinas y no están involucradas en el inicio de la pubertad femenina, pues el pico de gonadotropinas ocurre cuando  el proceso de la pubertad está bastante avanzado.

El concepto de una diversidad de genes que afectan el tiempo de la pubertad implica que ellos pueden estar funcionalmente organizados en redes capaces de generar señales biológicas coordinadas. Una de esas redes opera en el hipotálamo peripuberal de ratas y monos. Estos genes, conocidos como genes relacionados con tumor (TRG) están organizados en una red que contiene nodos centrales  en el corazón de la red  y genes subordinados (Ej: Kiss1) localizados en la periferia que son controlados transcripcionalmente  por los nodos centrales. La red TRG tiene cinco nodos centrales (CDP/CUTL1/CUX1, MAF, p53, YY1 y USF2), los cuales no sólo están fuertemente conectados entre sí sino que también se conectan con genes (OCT2, TTF1 y EAP1) involucrados en la regulación transcripcional  del proceso de la pubertad.  Los nodos centrales de la red TRG también están conectados con  22 de los 26 genes  relacionados con la menarquia. El gen Kiss1 inicialmente  era conocido como un gen supresor de metástasis y el gen EAP1 forma parte del complejo transcripcional represivo  que modula la apoptosis en el cáncer de mama. Un estudio reciente  reporta otra red transcripcional de genes en gatos. Aunque los nodos centrales de esta red son diferentes a los de la red TRG regulan genes similares como NELL2, NRG1 y genes que codifican  las moléculas de adhesión  involucradas en la comunicación célula-célula, como SynCAM1. Además de los represores transcripcionales que operan con la red TRG (YY1, EAP1, CUX1), hay un sistema represor post-transcripcional que puede contribuir  a controlar  el tiempo de la pubertad. Un nodo central de este  sistema es LIN28b, el cual codifica una proteína que inhibe la maduración  de let7 miRNAS, una familia de microARN con actividad supresora de tumor. La potencial contribución  del LIN28b a la regulación  de la pubertad fue sugerida  por el hallazgo de un nucleótido  cerca del gen LIN28B en el cromosoma 6 humano asociado  con pubertad más temprana y corta estatura  en las hembras. En ratas, la expresión de Lin28b disminuye en el hipotálamo durante el desarrollo prepuberal de machos y hembras, un cambio que coincide  con un incremento en la expresión de let7a y let7b, dos conocidos blancos del LIN28b.

La diferenciación sexual dependiente de estrógenos  del área preóptica (POA)  de roedores está sometida a modificaciones epigenéticas que afectan la metilación del ADN o el patrón  de modificaciones post-traslacionales  de  histonas  del gen del receptor  alfa de estrógenos (ERα). Mientras una porción del promotor del gen del ERα exhibe un patrón  de desarrollo de metilación de ADN que no se correlaciona con la expresión del gen, la metilación  de ADN de otra porción del promotor exhibe una buena correlación, lo que sugiere que tales cambios están circunscritos a un limitado número de dinucleótidosCpG en segmentos específicos de la región 5´ del gen. Las modificaciones post-traslacionales de histonas juegan un rol más decisivo que la metilación de ADN en la masculinización del POA. Un gen que muestra una fuerte expresión dimórfica en el núcleo AVPV de roedores es el kiss1. Aunque  la expresión  de kiss1 es mucho mayor en las hembras que en los machos, la metilación de ADN   del promotor del gen kiss1 es mayor en las hembras. Esta diferencia puede reflejar la capacidad de la metilación de ADN para bloquear  el reclutamiento de represores transcripcionales.  La  evidencia  sobre el control epigenético de la expresión del gen GNRH durante el desarrollo fue proporcionada  por un estudio con cultivos de neuronas GnRH de primates no humanos. Este estudio demostró  la disminución de  metilación de   8 a 14 sitios CpG en una región localizada a 2000 bp del sitio de transcripción del gen GNRH en coincidencia  con un incremento en la expresión de GNRH durante el desarrollo embrionario in vitro.  Este hallazgo implica que la desmetilación  de regiones específicas en locus del gen GNRH juega un rol  en la activación in vivo  de la transcripción de GNRH. En un estudio reciente se demuestra  que los estrógenos incrementan el contenido de H3 acetilada en el promotor  de kiss1 en el núcleo AVPV, pero lo reducen en el núcleo arcuato.Adicionalmente, los estrógenos  incrementan la unión de ERα al promotor del gen kiss1 en el núcleo AVPV pero no en el núcleo arcuato.

El modelo actual  para explicar el inicio dela pubertad parte de la existencia  de un “brake” puberal. De acuerdo con este modelo, durante el período prepuberal la actividad secretora de las neuronas GnRH  está bajo control inhibitorio trans-sináptico. En la pubertad, la supresión de la inhibición  resulta en un incremento de la liberación de GnRH. Un enfoque diferente, pero no necesariamente excluyente,  es que la pubertad  sólo puede ocurrir  si hay activación  de impulsos excitadores. Este concepto es apoyado  por la demostración  de que la activación  de las neuronas kisspeptinas proporciona  una fracción significativa de los impulsos estimuladores que controlan las neuronas GnRH, esencial para que ocurra la pubertad.  Sobre la base de estas y otras observaciones el modelo original  ha sido sustituido  por otro que incluye la disminución de impulsos inhibidores concomitantemente con un incremento de impulsos excitadores. El mecanismo inhibición/excitación  que regula la pubertad parece que ocurre a nivel transcripcional en las neuronas involucradas en la estimulación dela liberación de GnRH. La existencia  de un modo transcripcionalmente represivo  que controla los genes que activan la pubertad  fue sugerida inicialmente por el hecho  de que algunos nodos centrales de la red TRG pueden reprimir la actividad transcripcional del gen kiss1. La prueba definitiva fue proporcionada  por la demostración  de que el complejo PcG previene el inicio prematuro de la pubertad a través de la represión de la actividad transcripcional del gen kiss1 en las neuronas KNDy del núcleo arcuato.  Otro aspecto  evidente ahora  es que la disminución de la expresión  del complejo PcG que antecede al inicio  de la pubertad no es dependiente de estrógenos, no hay elementos de repuesta  a los estrógenos en los promotores de PcG. Más aún, la acción de los estrógenos  esta asociada  más con la activación  que con la represión de genes. Aunque los estrógenos no son responsables de la disociación de las proteínas PcG del promotor del gen kiss1 en las neuronas KNDy, intervienen  en  las modificaciones epigenéticas  que afectan  otros genes relacionados con la pubertad o al mismo gen kiss1 en las neuronas kisspeptinas del núcleo AVPV. Esta idea es apoyada por estudios que demuestran que los estrógenos inducen cambios en la acetilación de H3 en el promotor del gen kiss1 de las neuronas kisspeptinas del núcleo AVPV. Varias hormonas periféricas modifican la actividad de las neuronas kisspeptinas del hipotálamo. Mientras la leptina y el IGF-1 incrementan la expresión de kiss1, la grelina y el FGF21 reprimen el inicio de la pubertad inhibiendo la expresión de kiss1 en el núcleo arcuato y el núcleo AVPV, respectivamente.

Las señales metabólicas también  juegan un papel importante en el inicio d ela pubertad.  Hay un período crítico durante la gestación tardía de humanos  y la vida postnatal temprana de roedores en el cual se establece  un “programa de desarrollo” de la homeostasis energética. Si la disponibilidad  de nutrientes es aumentada o limitada durante este tiempo, el programa es afectado irreversiblemente  y se producen alteraciones persistentes en la homeostasis energética  con incremento de la susceptibilidad  a la diabetes y enfermedades cardiovasculares y metabólicas. La pubertad femenina también  es afectada por la disponibilidad de nutrientes duranteel período crítico, la expresión de kiss1 es retarda por la desnutrición temprana que  altera la conectividad  de las neuronas Kisspeptinas en el núcleo arcuato. Por el contrario, el incremento en la disponibilidad de nutrientes durante ese período adelanta el inicio de la pubertad. Debido a que los metabolitos celulares son usados como fuente  de modificaciones post-traslaciones de histonas, los mecanismos epigenéticos podrían  modificar la  expresión  de genes específicos en las redes celulares involucradas  en el control de la secreción de GnRH. Dos sistemas reguladores funcionan como enlaces epigenéticos  entre las alteraciones tempranas en la disponibilidad de nutrientes y el control neuroendocrino  de la pubertad. Uno de ellos está representado por las sirtuinas, una clase de desacetilasas de histonas, que pueden silenciar la expresión de genes  promoviendo la síntesis de histonas  represivas  o formando complejos con otros represores transcripcionales.  El otro sistema  es la ruta biosintéticahexosamina que integra el metabolismo de aminoácidos, grasas, carbohidratos y nucleótidos a través de la síntesis de uridinadifosfato N-acetilglucosamina (UDP-GlcNAC) cuyos niveles citoplasmáticos fluctúan  en respuesta a los cambios en el flujo de nutrientes y representa la etapa limitante en la síntesis de β-D-Nacetilglucosamina (O-GlcNAc). La O-GlcNAc juega un rol crítico  en el mantenimiento  de la estructura de la cromatina y en la regulación de la transcripción de genes.

Los estudios en ratas ovariectomizadas tratadas con estrógenos  han demostrado que en el núcleo AVPV los niveles de ARNm de kiss1 y la actividad  de las neuronas kisspeptinas  son incrementados por los estrógenos  de una manera circadiana. Esta ritmicidad diurna  no es aparente  en ausencia de estrógenos.  A pesar de la especulación  que señala que la expresión rítmica de kiss1 y la liberación de kisspeptinas pueden ser responsables de los ritmos diurnos de la secreción de LH que se observa en la peripubertad de las hembras, no se ha demostrado aún que los cambios diurnos en la expresión de kiss1 en las neuronas KNDy estén asociado con el inicio de la pubertad.  Dado que el incremento puberal  en la liberación pulsátil de LH  ocurre en presencia  de bajos niveles de estrógenos, es posible que el cambio circadiano en la actividad  de las neuronas KNDy  también sea independiente de estrógenos. Esta idea es apoyada por estudios que demuestran que el incremento en la actividad  de las neuronas del núcleo supraquiasmático  que emiten proyecciones  al núcleo arcuato que se observa en la última parte  del ciclo de luz ocurre en ausencia  de cambios en la producción de estrógenos.

En los años recientes  ha aumentado el interés por los efectos  de agentes hechos por el hombre como los pesticidas, el alcohol, el asbesto, el arsénico, los metales pesados, la contaminación del aire y una variedad de agentes estructuralmente similares a esteroides  o aminas, los cuales pueden interrumpir el desarrollo  neuroendocrino alterando mecanismos epigenéticos reguladores. De estos agentes, probablemente el más estudiado es  el ultimo grupo, conocido como disruptores  químicos endocrinos (EDC). El bisfenol A (BPA) es un EDC que requiere mención especial por su amplia prevalencia. El BPA es usado en la fabricación  de una variedad de productos de consumo, como los envases de alimentos y bebidas.  El BPA altera el desarrollo porque incrementa  la metilación de varios genes. Del efecto de los EDC sobre   el control neuroendocrino de la pubertad  se conoce muy poco, aunque algunas evidencias los relacionan con la precocidad sexual  en humanos.

En conclusión, está claro que los mecanismos epigenéticos juegan un rol significativo en la regulación  del desarrollo neuroendocrino de la reproducción y el inicio de la pubertad. A partir del conocimiento disponible, se propone que el inicio de la pubertad requiere  de un “switch” de una inhibición  a una activación transcripcionaal. La inhibición transcripcional  es proporcionada por mecanismos epigenéticos  que involucran al complejo silenciador PcG, mientras que la activación transcripcional requiere la contribución de proteínas que contrarrestan el efecto de las proteínas PcG. Estas interacciones son componentes integrales de un mecanismo fundamental  que subyace al control  epigenético  de   genes que activan la pubertad como el gen kiss1.  La interrelación entre represión y activación de genes reside en el corazón  de un proceso  por el cual diferentes estímulos ambientales como la luz, la nutrición y los disruptores endocrinos  regulan el desarrollo puberal.

Fuente: Lomniczi A et al (2015). Epigeneticregulation of femalepuberty.  Frontiers in Neuroendocrinology 36: 90-107.