FGF21 en músculo esquelético y hueso

La familia de factores de crecimiento de fibroblastos (FGF) es un grupo de 22 proteínas relacionadas dividido en seis subfamilias, de acuerdo con las similitudes genéticas y funcionales,  que tienen una variedad de funciones. El FGF21 junto con el FGF19 (ortólogo humano del FGF15 de ratón) y el FGF23 pertenecen a la subfamilia FGF19, la cual representa a un grupo atípico de FGF debido a la carencia de afinidad por sulfatos de heparina que les permite actuar de una manera endocrina para influir en la circulación enterohepática de ácidos biliares, regular el metabolismo de glucosa y lípidos y mantener la homeostasis de fósforo y calcio. El FGF19 es producido en el hígado en respuesta a la liberación postprandial de ácidos biliares, vitaminas A y D solubles en grasas y colesterol, y primariamente funciona como un mecanismo de retroalimentación negativa para disminuir la síntesis de ácidos biliares. Adicionalmente, el FGF19 también regula el metabolismo de lípidos y glucosa a través de su acción en  hígado, tejido adiposo y sistema nervioso central. El FGF23 es producido principalmente por los osteocitos y funciona como un importante regulador del metabolismo de fósforo y calcio en múltiples órganos, especialmente en el riñón. El FGF21 es producido primariamente por el hígado y el tejido adiposo en respuesta a varios estímulos  metabólicos, oxidativos, nutricionales, hormonales y ambientales, lo cual proporciona señales a múltiples tejidos incluyendo sistema nervioso central y tejido adiposo para mediar el metabolismo de carbohidratos y lípidos.

   El FGF21 funciona no solo como regulador del metabolismo energético sino también como hormona del estrés para el mantenimiento de la homeostasis tisular de una manera autocrina, paracrina o endocrina. La expresión de FGF21 es inducida por la ruta de la respuesta integrada al estrés (RIE), un sistema adaptativo para la restauración de la homeostasis celular en respuesta a diversos estímulos, incluyendo envejecimiento, obesidad y estresores nutricionales. Los efectos beneficiosos o perjudiciales del FGF21 dependen de una integración de variables, haciendo terapéuticamente funcional y biomarcador de enfermedades a esta única y controversial hormona. Aunque complejo en su función y regulación, el actual rol fisiológico integrador del FGF21 es como un regulador clave en la adaptación al estrés que puede limitar la progresión de enfermedades metabólicas con el objetivo de restaurar la homeostasis.

   Los estudios recientes han demostrado que el FGF21, además de la producción en el hígado y el tejido adiposo,  puede ser expresado y secretado por otros tejidos periféricos, como músculo esquelético, timo y páncreas. En humanos, el músculo esquelético es el tejido más abundante en el cuerpo (más de 40% del peso corporal en individuos sanos) y es reconocido como un sitio de actividad metabólica y un importante modulador de la homeostasis metabólica sistémica. La creciente evidencia sugiere que los factores de crecimiento derivados del músculo esquelético, o citoquinas conocidas mioquinas, pueden ser responsables de efectos endocrinos. Las funciones y los mecanismos de acción del FGF21 han recibido mucha atención debido al hallazgo de cantidades considerables de FGF21 expresado y secretado en ciertas condiciones patológicas. En este contexto, la expresión ectópica de FGF21 y sus potenciales efectos sobre el sistema músculo-esqueleto han proporcionado nuevas avenidas para la investigación de la relevancia del FGF21 en salud y enfermedad.

   Las mioquinas son citoquinas o péptidos sintetizados y liberados por el músculo esquelético en respuesta a la contracción muscular o varios estímulos. En condiciones basales, la expresión de FGF21 es predominantemente en hígado y tejido adiposo. Sin embargo, la expresión y secreción de FGF21 por el músculo esquelético aumenta significativamente bajo ciertas condiciones como disfunción mitocondrial, distrofia muscular y ejercicio. Por tanto, el FGF21 además de ser hepatoquina y adipoquina  también es considerado  una mioquina. Los niveles aumentados de FGF21 en músculo esquelético y suero han sido demostrados en modelos de ratones con oftalmoplegía externa progresiva, una deficiencia progresiva de la cadena respiratoria mitocondrial de inicio en la adultez, y deficiencia de atrofia óptica-1 (OPA1, una proteína de fusión mitocondrial) específica de músculo esquelético, lo cual resulta en disfunción mitocondrial. Adicionalmente, la sobre expresión de proteína desacopladora 1 (UCP-1), una molécula reguladora clave de la función mitocondrial resulta en la expresión ectópica de FGF21. Por otra parte, la alteración de la oxidación mitocondrial de grasa induce la expresión de FGF21 en el músculo esquelético. La sobre expresión de perilipina 5 (una proteína de las gotas de lípidos), la cual incrementa el almacenamiento muscular de lípidos que, a su vez, afecta su utilización como fuente de energía por el músculo esquelético,  estimula la expresión de FGF21. Por el contrario, la carencia de perilipina 5 incrementa la oxidación de ácidos grasos y disminuye la producción de FGF21 por el músculo esquelético. La ausencia de carnitina palmitoiltransferasa-1b en el músculo esquelético, la cual transporta ácidos grasos de cadena larga en la β-oxidación mitocondrial, también induce la expresión de FGF21. En humanos, los niveles de FGF21 en suero aumentan significativamente en pacientes con deficiencia de cadena respiratoria en músculo esquelético, particularmente aquella causada por mutaciones en el ADN mitocondrial.

   Los niveles elevados de FGF21 en suero han sido demostrados en modelos de animales con distrofia muscular de Duchenne (DMD) y derivan primariamente de los músculos distróficos. Sin embargo, los mecanismos que manejan la expresión de FGF21 en  el músculo esquelético distrófico son aún desconocidos. La deficiencia mitocondrial, la autofagia y el estrés de retículo endoplásmico (RE) incrementan la expresión de FGF21 en músculo esquelético y han sido implicados como parte de la patogénesis de la DMD. Una de las características de la DMD es la constante degeneración y regeneración de músculo esquelético. Por otra parte, la expresión de FGF21 ha sido detectada durante la diferenciación miogénica y la proteína de diferenciación de mioblastos 1 (MyoD) ha sido implicada como controladora de la transcripción del gen FGF21. Entonces, es posible que la alta expresión de FGF21 en la DMD pueda ser debida a al incremento en la diferenciación miogénica.

   Múltiples estudios han demostrado que la expresión de FGF21 está asociada con el ejercicio. Sin embargo, la literatura sobre los cambios inducidos por el ejercicio en FGF21 en suero, hígado y músculo esquelético es inconsistente y contradictoria. Por ejemplo, los estudios en ratones y humanos demuestran que el ejercicio induce incremento, reducción o ningún cambio  en el FGF21 circulante. Algunos estudios reportan una inducción de la síntesis hepática de FGF21 en respuesta al ejercicio a través de la ruta mediada por ATF4/PPARα, la relación glucagón/insulina y los niveles de ácidos grasos libres, mientras otros estudios no reportan ningún incremento en el FGF21 hepático después del ejercicio. La fuente de FGF21 durante el ejercicio depende del nivel de entrenamiento del individuo (atleta vs no entrenado) y la intensidad, el tipo y la duración del ejercicio. Entonces, se reconoce que el ejercicio influye en el FGF21 sistémico, hepático y derivado de músculo esquelético, aunque los mecanismos aún son desconocidos.

   Aunque los estudios iniciales implicaron al FGF21 como un factor pro-longevidad, la investigación reciente ha cuestionado esta  noción. El FGF21 posee propiedades que pueden impactar el proceso de envejecimiento. El FGF21 estimula la señal de la proteína quinasa activada por adenosina monofosfato (AMPK), una ruta establecida como pro-longevidad, tanto directamente a través del complejo FGF21/kloto como indirectamente vía inducción de adiponectina. El FGF21 también puede facilitar la interacción  de sistemas hormonales como el eje somatotrópico y la ruta hipotálamo-hipófisis-adrenal. Adicionalmente, el FGF21 regula la longevidad a través de su capacidad para promover interacciones entre el metabolismo energético y las respuestas al estrés. A pesar de estos efectos beneficiosos observados en modelos animales, la noción que el FGF21 es un factor pro-longevidad es motivo de discusión en la literatura. Los estudios indican que los niveles circulantes de FGF21 están elevados en varias  enfermedades metabólicas como obesidad, diabetes tipo 2 y enfermedad hepática grasa. El FGF21 aumenta con la edad entre individuos sanos independientemente de la composición corporal (% de grasa corporal e índice de masa corporal). El órgano o tejido fuente de los niveles elevados de FGF21 durante el envejecimiento aún no está claro.

   Hasta ahora se desconoce el rol del FGF21 derivado de músculo esquelético en sus potenciales efectos sobre la salud y la extensión de vida. El músculo esquelético emerge como un importante mediador de la homeostasis metabólica sistémica y las mioquinas son, en parte, responsables de la modulación de la fisiología del envejecimiento. Hay evidencia que indica que la expresión elevada de FGF21 derivado de músculo esquelético en una variedad de condiciones de estrés puede regular el metabolismo del cuerpo y prevenir la obesidad inducida por dieta y la resistencia a la insulina. Si esta expresión ectópica del FGF21 derivado del músculo esquelético tiene efecto beneficioso sobre la longevidad aún es desconocido. Dado que los efectos pro-longevidad han sido observados en ratones transgénicos con sobre expresión de FGF21 hepático, algunos investigadores señalan la posibilidad que tales efectos pueden ser hígado-específicos.

   Los estresores nutricionales y la composición de macronutrientes de la dieta que resultan en obesidad metabólicamente no saludable pueden regular la expresión y la señal de FGF21 en la coordinación y restauración de la homeostasis metabólica.  El ayuno en humanos y ratones  induce la expresión de FGF21 hepático vía  receptor activado por proliferador de peroxisoma α (PPARα). Esta inducción de FGF21 incrementa la oxidación de ácidos grasos y la cetogénesis, sugiriendo que el FGF21 funciona en la adaptación al ayuno o la cetosis. Mientras la inducción de FGF21 ocurre en las primeras 24 horas de ayuno  en ratones, las elevaciones de FGF21 en humanos no se observan en regímenes de ayuno  cortos, y solo aparecen en  ayunos de al menos 7 días. La mayor tasa metabólica de los ratones en comparación con los humanos ha sido propuesta como una explicación para esta discrepancia. La contribución del FGF21 como mioquina  en la respuesta de adaptación al ayuno en ratones o humanos permanece desconocida.

   La sobrecarga de nutrientes y la obesidad también son capaces de influir en la expresión del gen y los niveles circulantes de FGF21 en ratones y humanos. Los estudios han demostrado alteración de la señal FGF21 en hígado, páncreas y tejido adiposo, sugiriendo que la obesidad es un estado de resistencia al FGF21. Sin embargo, el concepto de resistencia al FGF21es incompletamente entendido debido a las diferencias entre los efectos fisiológicos y farmacológicos del FGF21 además de sus mecanismos de acción en diferentes tejidos. El concepto actual es que el hígado es el órgano contribuyente primario del FGF21 circulante en la obesidad no saludable.

   El FGF21 producido por el hígado y el tejido adiposo en respuesta al ayuno es controlado principalmente por el PPARα y el PPARγ, respectivamente, mientras la expresión ectópica de FGF21 derivado de músculo esquelético es manejada por varias rutas de señalización relacionadas con el estrés. En condiciones fisiológicas, la insulina estimula la expresión de FGF21 derivado de músculo esquelético vía ruta de señalización fosfoinositido3-quinasa/proteína quinasa B (PI3K-Akt1). En modelos de animales con deficiencia mitocondrial, la expresión de FGF21 derivado de músculo esquelético es manejada principalmente por la activación de la RIE. Específicamente, la deficiencia mitocondrial causa estrés de RE, lo cual provoca la fosforilación de  elF2a vía activación de la proteína de retículo endoplásmico quinasa R (PERK). La fosforilación de elF2  incrementa la actividad del factor de transcripción activante (ATF4), el cual aumenta la transcripción del gen FGF21. La ruta de señalización AMPK-Akt1 maneja la expresión de FGF21 derivado de músculo esquelético cuando la oxidación mitocondrial de grasa es inhibida. La ruta p38MAPK (proteína quinasa activada por mitogeno)/AFT2/MyoD  está involucrada en la expresión de FGF21 durante la miogénesis. Las rutas de señalización del blanco de rapamicina de mamífero (mTOR) también han sido involucradas en la regulación de la expresión de FGF21 de músculo esquelético. La activación de los complejo mTORC1 y mTORC2 inducen la expresión del FGF21 muscular.

   Aunque históricamente el músculo esquelético no era considerado un tejido blanco del FGF21 debido a la carencia de expresión de β-kloto, los estudios recientes confirman la expresión de FGFR y β-kloto en músculo esquelético de ratones y humanos, aunque en niveles muy bajos en comparación con el hígado. La expresión de β-kloto parece ser dependiente del tipo de fibra muscular, con expresión significativamente mayor en el músculo soleo (fibras musculares  oxidativas lentas) cuando se compara con el músculo gastrocnemio (fibras musculares rápidas glucolíticas). Los niveles de expresión de β-kloto en músculo esquelético se correlacionan con niveles circulantes aumentados de FGF21. La regulación coordinada de FGF21 y β-kloto en músculo esquelético sugiere un rol en la homeostasis muscular. Por otra parte, los estudios con modelos animales sugieren que el FGF21 derivado de músculo esquelético puede estar involucrado en la patogénesis de la atrofia muscular. Más aún, la sobre expresión in vivo de FGF21 en músculo esquelético induce mitofagia que resulta en pérdida de  músculo. Es posible que el FGF21 derivado de músculo esquelético juegue un rol permisivo o medie la pérdida de músculo en condiciones patológicas específicas que puedan causar atrofia muscular.

   El FGF21 es un regulador del metabolismo de carbohidratos y lípidos que media la respuesta al ayuno primariamente a través de su acción sobre el hígado y los tejidos adiposos blanco y marrón. La acción del FGF21 en el hígado resulta en la inducción de oxidación de ácidos grasos, cetogénesis, gluconeogénesis y supresión de la lipogénesis de novo. En los adipocitos, la acción del FGF21 resulta en incremento de la sensibilidad a la insulina, captación de glucosa, almacenamiento de ácidos grasos y capacidad oxidativa. El músculo esquelético es responsable de 70-80% de la captación de glucosa estimulada por insulina y es también un determinante mayor del metabolismo de glucosa y lípidos. El efecto directo del FGF21 sobre los miotubos  de músculo esquelético en el aumento de la captación de glucosa vía GLUT1 (y posiblemente GLUT4), al menos con dosis suprafisiológicas,  ha sido demostrado en varios estudios. Los estudios han demostrado que la exposición a FGF21 incrementa la captación  de glucosa en los músculos soleo y extensor digitorum longus aislados de ratón, lo cual sugiere un efecto sensibilizador a la insulina. Entonces, la sensibilización a insulina representa el mecanismo primario que subyace a la acción glucémica del FGF21.

   Un estudio reciente reporta que el tejido adiposo intramuscular (TAIM) juega un rol importante en las enfermedades asociadas con resistencia a la insulina. Es conocido que los adipocitos son un blanco  del FGF21 y que los altos niveles de TAIM están asociados con resistencia a la insulina y pérdida de la fuerza muscular. En este contexto, es razonable especular que la relación músculo/grasa vía FGF21/adiponectina puede jugar un rol importante en la regulación de la homeostasis energética en el músculo esquelético.

    El músculo esquelético está compuesto por diferentes tipos de fibras y la composición y distribución de fibras es establecida durante el desarrollo embrionario, pero en la vida postnatal puede ser modulada por factores neurales y hormonales además del ejercicio. Los estudios demuestran que los mioblastos expresan considerables cantidades de FGF21 durante la diferenciación miogénica. El FGF21 derivado de mioblastos facilita la transformación de fibras musculares anaeróbicas en aeróbicas a través de la estimulación del eje FGF21-sirtuina tipo 1 (SIRT1)-AMPK-coactivador de PPAR1a (PGC1α). Por otra parte, en hígado y tejido adiposo, el FGF21 regula la función mitocondrial oxidativa a través de la activación de PGC1α y dado que el FGF21 es inducido en –y secretado por- el músculo esquelético en las miopatías mitocondriales, podría también actuar como un mediador adaptativo del estrés  mitocondrial en el músculo vía activación de SIRT1, AMPK y PGC1α. 

   Si el FGF21 tiene un efecto beneficioso o perjudicial sobre el hueso en humanos no está claro. Los estudios en humanos muestran inconsistencias. Las inconsistencias pueden ser debidas a poblaciones heterogéneas y estados de enfermedad. Aunque el mecanismo exacto de cómo el FGF21  regula la homeostasis ósea no está claro,  se han propuesto varios mecanismos directos e indirectos. La expresión de FGFR/β-kloto en el tejido óseo no ha sido completamente establecida. Sin embargo, un estudio reciente demuestra que la expresión de β-kloto y FGFR es inducida significativamente en osteoclastos maduros. Estos datos indican que el hueso es un blanco directo del FGF21, el cual puede afectar la osteoclastogénesis. Además de los mecanismos directos, hay evidencia que sugiere también efectos indirectos del FGF21 sobre el hueso. Los estudios también demuestran estimulación directa de la adipogénesis en stem cells mesenquimales derivadas de médula ósea por el FGF21 con disminución de la formación de hueso. El FGF21 tiene conexiones con el eje somatotrópico, el cual juega un rol importante en la síntesis de proteínas y la homeostasis ósea. Los ratones con sobre expresión de FGF21 muestran evidencia de resistencia a la hormona de crecimiento (HC) en el hígado, con una significativa disminución del nivel en suero de factor de crecimiento similar a insulina-1 (IGF-1). El FGF21 bloquea la señal HC en el hígado vía inhibición de la ruta de la STAT5, aumentando la expresión de la proteína ligadora de IGF-1 (IGFBP1) y el supresor de la señal citoquina 2 (SOCS2), lo cual indirectamente inhibe el crecimiento óseo. Adicionalmente, el FGF21 inhibe la acción de la HC sobre la proliferación y diferenciación de condrocitos directamente en la placa de crecimiento. Más aún, el FGF21 promueve la liberación de IGFBP1por el hígado, lo cual aumenta la osteoclastogénesis y provoca resorción ósea. Aunque los datos clínicos son aún controversiales,  la literatura actual sugiere efectos adversos del FGF21 sobre los huesos.

   En conclusión, el conocimiento sobre el rol del FGF21 en los sistemas biológicos ha avanzado en las últimas dos décadas. Aunque la principal función del FGf21 como hormona secretada por el hígado, y el tejido adiposo,  e inducida por el ayuno es bastante conocida, los estudios recientes demuestran que el FGF21 también puede ser producido por el músculo esquelético.  La expresión ectópica y secreción  por el músculo esquelético y su potencial rol en desórdenes mitocondriales y musculares ha recibido atención últimamente. Hay evidencia que  indica que el FGF21 tiene efectos sobre el músculo esquelético y el hueso con interacciones con otras rutas de señalización como AMPK-SIRT1 y HC. Los efectos del FGF21 derivado de músculo esquelético pueden ser dependientes del contexto patológico. Aunque algunos mecanismos han sido propuestos, los mecanismos celulares y moleculares exactos de la secreción del FGF21 derivado de músculo esquelético bajo diferentes condiciones patológicas y las células blanco en el sistema músculo-esqueleto, específicamente músculo esquelético y hueso son aún desconocidos.

Fuente: Sun H et al (2021). Skeletal muscle and bone-emerging targets of fibroblast growth factor-21. Frontiers in Physiology 12: 625287.

  La plasticidad de las células β pancreáticas

Los niveles de glucosa sanguínea en el cuerpo son regulados por hormonas secretadas por células endocrinas pancreáticas. Más del 95% del páncreas humano está hecho por tejido exocrino y 3-5% por los islotes pancreáticos. El páncreas humano contiene 3,2-14, 8 millones de islotes, con un volumen total de 0,5-2,0 cm². Las células β representan aproximadamente 60% de los islotes pancreáticos en humanos, mientras en roedores representan aproximadamente 80%. Los islotes pancreáticos están hechos por cinco tipos de células: β, α, δ, PP y ε que secretan hormonas como insulina, glucagón, somatostatina, polipéptido pancreático y ghrelina, respectivamente. La glucosa sanguínea es regulada principalmente por insulina, glucagón y somatostatina para mantener la homeostasis de la glucosa sanguínea. La diabetes tipo 2 (DT2) es causada por la secreción anormal de estas hormonas, lo cual está relacionado con cambios en el número y la masa de células de los islotes pancreáticos.

   La función y la masa de células β pancreáticas aumentan en la etapa temprana de la DT2,  debido a la resistencia a la insulina, pero eventualmente son reducidas. La cantidad de células β en autopsias de pacientes con DT2 ha sido estimada en 24-65% de la correspondiente a individuos sanos. Inicialmente, se pensaba que la principal causa de disminución de función/masa de células β era la apoptosis. La apoptosis de  células β  puede ser  explicada por toxicidad de la glucosa, lipotoxicidad, deposición de amiloide y/o senescencia. La hiperglucemia crónica  induce estrés oxidativo o estrés de retículo endoplásmico (RE), provocando la muerte de células β. La lipotoxicidad crónica provoca disfunción de células β debida a alteración de rutas intracelulares, incluyendo  estrés oxidativo, estrés de RE, autofagia y formación de gotas de ceramida/lípido. El polipéptido amiloide de los islotes (IAPP, amilina) es secretado por las células β junto con insulina e incrementa su expresión con la hiperglucemia, provocando deposición en- y daño de- las células β. Más aún, la senescencia es acelerada debido  al incremento de la resistencia a la insulina y de inhibidores del ciclo celular como P21^Cis1 y P16^Ink4a. Hasta ahora, la apoptosis puede  explicar la causa de la disfunción de células β. Sin embargo, en años recientes, un nuevo concepto sugiere que la principal causa de pérdida de células β es la desdiferenciación  y no la apoptosis o los desórdenes proliferativos. En un estudio con  ratones FoxO1 (forkhead box-O1)  knockout específico de células β, en condiciones de estrés metabólico como envejecimiento y alta fertilidad, se observa una disminución de células β y un incremento de células α que resulta en hiperglucemia. Adicionalmente, las células β expresaron el factor de transcripción neurogenina 3 (Ngn3), un marcador de células endocrinas pancreáticas. Esto sugiere que las células β fueron desdiferenciadas. Algunas células β se convirtieron en células α, lo cual puede explicar la patogénesis de la alteración de la secreción de insulina y la relación células β/células α anormal en los pacientes diabéticos.

   La disfunción de células β en la DT2 sugiere disminución de la síntesis y secreción de insulina. La hiperglucemia crónica provoca activación de la glicación de proteínas y un sistema de transferencia de electrones en las mitocondrias  que resulta en estrés oxidativo. Las células β son particularmente vulnerables al estrés oxidativo debido a sus bajos niveles de expresión y actividad  de enzimas antioxidantes. El estrés oxidativo reduce la expresión de MafA y Pdx-1 (páncreas duodenal homeobox gene-1), los cuales son factores de transcripción esenciales para el desarrollo y mantenimiento de células β, resultando en disminución de la síntesis y secreción de insulina. El FoxO1, un factor de transcripción involucrado en la señal insulina, suprime el estrés oxidativo y protege a las células β a través de la inducción de NeuroD y MafA. El Pdx-1 es importante para la supervivencia, muerte celular y desdiferenciación de células β. En el estado hiperglucémico, la activación de c-Jun N terminal quinasa (JNK) aumenta debido al estrés oxidativo, lo cual a su vez reduce la expresión de Pdx-1 resultando en disminución de la expresión de insulina y alteración de su secreción. Más aún, la sobre expresión de Pdx-1 en modelos de ratones diabéticos restaura  la función de las células β y mejora el control glucémico, sugiriendo que el Pdx-1 está involucrado en la función de las células β. El MafA también está involucrado en la función de las células β,  y en los islotes pancreáticos de modelos de ratones diabéticos se observa aumento de la expresión de c-Jun y disminución de la expresión de MafA e insulina. La sobre expresión de MafA en las células β en modelos de ratones obesos con DT2 causa la recuperación de su capacidad para sintetizar insulina y mejora la secreción de insulina estimulada por glucosa así como también los niveles de glucosa sanguínea. Estos hallazgos indican que la expresión de c-Jun regula a MafA y está involucrado en la disfunción de células β. La carencia de MafA en células β resulta en disminución de la expresión de Pdx-1 indicando una estrecha relación entre MafA y Pdx-1. Entonces, la hiperglucemia crónica incrementa el estrés oxidativo y causa disfunción de células β debido a la disminución de MafaA y Pdx-1.

   La hiperglucemia induce estrés de RE causado por  acumulación de proteínas pobremente plegadas/no plegadas en las células β. En el estrés RE, el incremento en la cantidad de proteínas chaperonas involucradas en el plegamiento de proteínas remueve las proteínas no plegadas. Cuando las proteínas no plegadas no pueden controlar el estrés  RE, resulta la apoptosis de células β. El estrés RE crónico induce numerosas señales apoptóticas incluyendo estrés oxidativo, activación de caspasa-12, caspasa-3 y rutas de muerte celular dependientes de mitocondrias. De esta manera, la hiperglucemia crónica induce estrés oxidativo y estrés RE provocando disfunción de células β y muerte celular.

   En el año 2004, Gershengorn y sus colaboradores propusieron la desdiferenciación de células β pancreáticas por primera vez. Los investigadores observaron que células insulina-positivas desaparecían de los islotes pancráticos humanos y eran reemplazadas por células precursoras similares a fibroblastos. Más aún. Cuando los islotes pancreáticos fueron cultivados en condiciones libre de  suero, las células insulina-positivas y las células glucagón-positivas reaparecieron, sugiriendo que las células son capaces de transdiferenciación y rediferenciación. Los reportes de autopsias de páncreas de pacientes con DT2 revelan que desdiferenciación de células β ocurre 3,5 veces más en los pacientes con DT2 que en los controles. Adicionalmente, se observa una correlación negativa entre desdiferenciación y la capacidad para secretar insulina de las células β. Entonces, mientras la apoptosis es una causa de insuficiencia de células β, la desdiferenciación es ahora considerada también un factor causal de insuficiencia de células β.

   La desdiferenciación de células β demuestra la conversión de las células β maduras en células progenitoras endocrinas en los islotes pancreáticos. Esto está definido por: (1) la pérdida de marcadores de células β maduras como MafA, insulina, Nkx6.1 y Pdx-1. (2) El aparecimiento de marcadores de células progenitoras endocrinas como Ngn3, Oct4, Aldh1a, Nanog, L-Myc y Sox9. La hiperglucemia, las citoquinas inflamatorias, la señal Hedgehog (Hh) (la cual está involucrada en diferenciación y desarrollo), el sistema renina-angiotensina-aldosterona (RAAS) (el cual está involucrado en la regulación de la presión arterial y el volumen sanguíneo circulante), los miARN (ARN no codificantes que regulan la expresión de genes), la noradrenalina y el receptor de dopamina D2 (DRD2) promueven la desdiferenciación de células β.

   La hiperglucemia promueve la desdiferenciación de células β a través del estrés oxidativo (especies reactivas de oxígeno (ROS)). La acumulación de ROS en las células β suprime la expresión de los factores de transcripción Pdx-1 y MafA y reduce la síntesis de insulina. Las citoquinas inflamatorias (IL-1, IL-6, TNF-α) promueven la desdiferenciación de células β y regulan a la baja la expresión de FoxO-1, MafA, Nkx6.1 y Pdx-1. La activación de la señal Hh también promueve la desdiferenciación de células β, disminuyendo la expresión de marcadores de células β maduras como MafA, Nkx6.1 y NeuroD1 y marcadores de células progenitoras endocrinas como Ngn3, mientras incrementa la expresión de marcadores de stem cells como Sox9 y Hes1. El RAAS induce desdiferenciación y disfunción de células β vía NF-κB. Los ARN no codificantes que regulan la expresión de genes como miR24 y miR302s promueven la desdiferenciación de células β. En particular, el miR302s suprime la expresión de genes marcadores de células β maduras como NeuroD1, PPARA, DRD1 y SLC7A2. El miR24 aumenta la expresión de Ngn3 y Sox9 y también suprime la apoptosis inducida por estrés oxidativo. Recientemente, las neuronas noradrenérgicas han sido involucradas en la desdiferenciación y disfunción de las células β humanas. Las fibras nordrenérgicas tirosina hidroxilasa (TH) positivas aumentan en los islotes pancreáticos de pacientes diabéticos y se correlacionan positivamente con los marcadores de desdiferenciación de células β y negativamente con la secreción de insulina. El DRD2 también promueve la desdiferenciación de células β y la administración de domperidona, inhibidor de DRD2, a células de islotes pancreáticos de ratón reduce la desdiferenciación celular.

   El principal factor que promueve la desdifernciación de células β es el estrés oxidativo. En condiciones hiperglucémicas,  la hipersecreción de insulina es acompañada con activación de la función mitocondrial en las células β, resultando en la producción de ROS. La administración de antioxidantes protege  contra el estrés oxidativo a través de la modulación de los niveles de dopamina en las células β, resultando en inhibición de la desdiferenciación y  la muerte celular. Recientemente, el FoxO1 ha ganado mucha atención como inhibidor de la desdiferenciación de células β. El FoxO1 se localiza en el citoplasma de la célula β y translocado al núcleo en condiciones de estrés metabólico debido a hiperglucemia (incluyendo el estrés oxidativo). Cuando la hiperglucemia persiste, el FoxO1 es proteolizado y eliminado. Posteriormente, la expresión de Ngn3, que es suprimida por el FoxO1, aumenta y promueve la  desdiferenciación de células β.

   La desdiferenciación de células β pancreáticas es definida como la transdiferenciación en células indiferenciadas. Esto provoca el incremento de la glucosa sanguínea debido a la disminución de la secreción de insulina en la diabetes. Si la pérdida de masa de células β puede ser suprimida y la regeneración de células β así como la transdiferenciación de células no β en células β maduras progresan, entonces la masa de células β será mantenida y hasta podría ser incrementada. Esto mejoraría la diabetes contrarrestando la hiperglucemia. En otras palabras, la transdiferenciación de células no β en células β maduras puede ser una nueva estrategia terapéutica para la diabetes. En este contexto, la transdiferenciación de las células α de los islotes pancreáticos, las cuales secretan glucagón y están involucradas en la elevación de la glucosa sanguínea, en células β secretoras de insulina tiene el potencial de mejorar dramáticamente los niveles de glucosa sanguínea. 

   La transdiferenciación en células β maduras ha sido reportada en muchos tipos de células, incluyendo células de los conductos pancreáticos, hepatocitos, células intestinales así como células α y δ de los islotes pancreáticos. Hay también reportes de transdiferenciación de células α en células β in vivo usando un modelo de ratones diabéticos. Adicionalmente, un estudio usando adenovirus que expresan GLP-1 en ratones reporta que el GLP-1 promueve la transdiferenciación de células α en células β vía FGF21. Esto es apoyado por el hecho que el análogo  de  GLP-1 liraglutide y el inhibidor de la dipeptil peptidasa 4 (DDP-4) sitagliptin suprimen la conversión de células β en células α en un modelo de ratones diabéticos. Por otra parte, la administración de ácido g-aminobutírico (GABA) a ratones y humanos induce la transdiferenciación de células α en células similares a  las células β de los islotes pancreáticos. La suplementación con GABA en islotes pancreáticos humanos aislados resulta en la pérdida de masa de células α y en el incremento de la masa de células β. En islotes pancreáticos humanos, la administración de la droga antimalárica artemisinina aumenta la señal GABA y promueve la transdiferenciación de células α en células β a través de la regulación a la baja de Arx, un gen específico de células α.

   El primer reporte sobre el mecanismo molecular de la transdiferenciación de células α pancreáticas en células β fue un experimento con la línea de células α-TC1-6, secretoras de glucagón. La expresión del gen Ins1 fue inducida por la sobre expresión de PDX-1 en las células α-TC1-6. Similarmente, la expresión ectópica de Pax4 en células α que producen glucagón causó la transdiferenciación en células β resultando en un engrandecimiento del páncreas con hiperplasia de células β. La transdiferenciación inducida por Pax4 de las células α en células β fue dependiente de Ngn3. A partir de esto hallazgos, la inhibición específica de Arx en células α está involucrada en la conversión de células α en células β y el Pax4 es esencial para este proceso. Más aún. En ratones adultos, la inactivación simultánea de ADN-metiltransferasa 1 (Dnmt1) y Arx promueve la transdiferenciación de células α en células similares a las β. Las células similares a las β transformadas adquieren funciones electrofisiológicas similares características de células β y exhiben secreción de insulina estimulada por glucosa. Adicionalmente, la MafaA actúa sobre el Pdx-1 para promover la inducción de células β a partir de progenitoras endocrinas Ngn3-positivas. Las células α también son convertidas en células β funcionales cuando son infectadas con virus que inducen la expresión de Pdx-1 y MafA a través de los conductos pancreáticos.  En otras palabras, en las células α, la supresión de marcadores de células maduras como Arx y la promoción de marcadores de células β maduras como MafaA y Pdx-1 puede aumentar la transdiferenciación de células α en células β. Entonces, es posible convertir recíprocamente células en los islotes pancreáticos usando técnicas de manipulación genética.

   Actualmente, el remedio para la diabetes es el tratamiento sintomático. En este contexto, el  reemplazo de la masa de células β perdida y la restauración de su función es la manera ideal para resolver este problema. Adicionalmente, la transdiferenciación de células α en células β puede proporcionar una cura para la diabetes insulinopénica. Las ventajas de este procedimiento son: (1) la transdiferenciaciación de células α en células β puede mejorar dramáticamente  los niveles de glucosa sanguínea, (2) las células α son embriológicamente similares a las células β y tienen un alto potencial de reprogramación, (3) las células α y β están localizadas en los islotes pancreáticos, (4) la proporción de células α es particularmente alta en los islotes pancreáticos humanos en comparación con los islotes de roedores. No hay duda que mejorar la hiperglucemia es la manera más útil para proteger y regenerar células β. Por otra parte, actualmente varias drogas (por ejemplo, ácido tauroursodeoxicólico,  artemisinina e imeglimina) están siendo desarrolladas y examinadas para la protección de células pancreáticas. Estas drogas que suprimen la muerte y desdiferenciación de las células β pancreáticas y contribuyen a su protección han atraído mucha atención.

   En conclusión, la DT2 es causada por  alteración de la secreción de insulina y/o resistencia a la insulina.  La pérdida de masa de células β pancreáticas detectada en pacientes diabéticos humanos es considerada una causa mayor de alteración de la secreción de insulina. La pérdida de masa de células β es inducida cuando la muerte celular (por ejemplo, por apoptosis) excede a la proliferación de  células β. Sin embargo, recientemente, la desdiferenciación de células β en células progenitoras endocrinas pancreáticas y la transdiferenciación de células β en células α han sido reportadas en islotes pancreáticos humanos, lo cual permite un nuevo mecanismo molecular subyacente. La hiperglucemia inhibe la translocación nuclear y  expresión de FoxO1 e induce la expresión de Ngn3, la cual es requerida para el desarrollo y mantenimiento de células progenitoras endocrinas pancreáticas. Esta nueva hipótesis ha atraído la atención porque explica los mecanismos moleculares que subyacen a la plasticidad de las células β. Las investigaciones revelan que la contribución de la desdiferenciación es mayor que la de la apoptosis de células β en la pérdida de masa de células β. Adicionalmente, las células de los islotes pancreáticos se transdiferencian unas con otras, como, por ejemplo,  la transdiferenciación de células β en células α y viceversa. Las células de los islotes pancráticos pueden exhibir plasticidad y tienen la capacidad  para rediferenciarse en cualquier  tipo de célula.

Fuente: Honzawa N, Fujimoto K (2021). The plasticity of pancreatic β-cells. Metabolites 11:218.

 

Dinámica de la barrera hematoencefálica en la  homeostasis cerebral

Los vasos sanguíneos del sistema nervioso central (SNC) constituyen la puerta primaria de entrada que regula el acceso de moléculas transportadas por la sangre al cerebro y actúan como una interfase entre el cerebro y las influencias periféricas. Esta barrera física que solamente permite el transporte molecular selectivo a través de las células endoteliales (CE) y el parénquima cerebral es conocida como la barrera hematoencefálica (BHE). El sustrato anatómico de la BHE es la unidad neurovascular (UNV), un ensamble celular constituido por la asociación funcional de CE, pericitos (embebidos con las CE en la lámina basal) y astrocitos, apoyados por otros tipos de células del SNC. Las CE en el SNC intervienen en el transporte paracelular a través de complejos de proteínas que forman uniones estrechas  y permiten el paso de nutrientes y metabolitos solamente a través de un transporte finamente regulado y limitan la entrada de productos no deseados vía transportadores y transcitosis restringida. Aunque el endotelio es esencial en la UNV, su función es regulada por impulsos de células adyacentes como pericitos, astrocitos, microglias y neuronas. La disfunción de la BHE puede contribuir al inicio y desarrollo de desórdenes neurodegenerativos, daño cerebrovascular y condiciones neuroinflamatorias. Sin embargo, las variaciones fisiológicas de la BHE en condiciones  saludables y los mecanismos que regulan las propiedades de la BHE para restaurar la homeostasis cerebral son incompletamente entendidas.

   La BHE es una estructura altamente dinámica  en el intercambio de moléculas entre la circulación sanguínea y el cerebro en respuestas a los ajustes homeostáticos en salud y enfermedad. A lo largo de la vida, la BHE se adapta a continuos cambios en diferentes estados fisiológicos. El feto es protegido de sustancias dañinas circulantes en la sangre materna por la placenta. Sin embargo, la BHE ya está formada en el embrión y confiere protección adicional al SNC en desarrollo. En el enfoque clásico, la BHE era concebida como inmadura en las etapas fetal y perinatal, pero los estudios recientes han modificado este concepto, demostrando que la BHE ya es funcional en el embrión, aunque las alteraciones en la barrera podrían tener un gran impacto en el desarrollo de un cerebro altamente vulnerable. En humanos, los componentes de la barrera son detectables a las 12 semanas de gestación. En roedores, la BHE se forma alrededor de los 13,5-15,5 días de vida embrionaria y requiere el reclutamiento de pericitos, pues la interacción pericito-CE es necesaria para el establecimiento de las uniones estrechas y la regulación de la transcitosis. El desarrollo de la BHE sigue un patrón espacio-temporal en sincronía con otros procesos de vascularización y desarrollo neuronal, como la formación de plexos vasculares intraneurales o la migración cortical y tangencial de neuronas.

   La complejidad de la organización celular de la UNV aumenta en la vida postnatal con la incorporación de los astrocitos. Los astrocitos y los pericitos, reguladores de la expresión de moléculas necesarias para la integridad de la BHE,  son requeridos para el mantenimiento de la barrera en el adulto. Los componentes moleculares de la BHE difieren entre neonatos y adultos; en el estado perinatal, la expresión de las proteínas de las uniones estrechas (claudina-5 y ocludina) y los componentes de la matriz extracelular (laminina y colágeno IV) es mayor que en los adultos, mientras la expresión del receptor del factor de crecimiento derivado de plaquetas (PDGFR) β, marcador de pericitos, aumenta gradualmente con el tiempo. Estas diferencias moleculares entre la UNV en desarrollo y la adulta pueden repercutir, por ejemplo, en la integridad de la BHE bien preservada en ratas neonatales después de un shock agudo en comparación con el daño vascular en adultos. Por el contrario, los niños y los animales jóvenes son más susceptibles a la degradación de la BHE después de una infección. Una posible explicación es que los animales jóvenes pueden desarrollar una respuesta inflamatoria aguda mediada por neutrófilos más severa junto con degradación de la BHE en comparación con los adultos.

   La pubertad es un período transicional crítico en el cual el cuerpo, incluyendo el cerebro, experimenta una transformación hacia la adultez. Las hormonas sexuales inducen sinaptogénesis,  remodelación de espinas dendríticas, modulación del crecimiento cerebral, potenciación del dimorfismo sexual en algunas regiones cerebrales durante la adolescencia.  Las hormonas esteroides, debido a su pequeño tamaño y solubilidad en lípidos, pueden cruzar  la BHE bidireccionalmente. Aunque los tratamientos con testosterona y estradiol disminuyen la permeabilidad de la BHE, poco se conoce acerca de los efectos del pico de hormonas sexuales sobre la integridad de la BHE en la adolescencia.

   Una vez que se alcanza la madurez sexual, en caso de embarazo, la BHE se adapta a las nuevas condiciones fisiológicas. El embarazo requiere vasculogénesis y angiogénesis activas, con niveles circulatorios aumentados de factor de crecimiento endotelial  vascular (VEGF) y factor de crecimiento placentario, conocidos por su capacidad para promover la permeabilidad vascular. En ratas, los potenciales efectos de estos factores circulantes sobre la integridad de la BHE son contrabalanceados durante el embarazo por la liberación del receptor de VEGF 1 soluble en la circulación materna, lo cual previene la degradación de la BHE y el edema cerebral durante la gestación. Adicionalmente, el embarazo también se caracteriza por la secreción de múltiples hormonas y citoquinas que potencialmente pueden afectar la función neuronal. La BHE se adapta al embarazo modulando la expresión de transportadores de entrada y salida y previniendo el paso  de suero en el cerebro que podría provocar daño cerebral. La inhibición de transportadores de salida induce una rápida y sostenida actividad en el hipocampo preferencialmente  en ratas embarazadas. Durante el embarazo, el sistema cerebrovascular también está expuesto a fluctuaciones hemodinámicas que pueden afectar  la permeabilidad de la BHE. Por ejemplo, en ratas embarazadas, la hipertensión aguda incrementa la permeabilidad de la BHE. Más aún, la expresión del canal de agua aquaporina-4, localizado en astrocitos y terminales nerviosos aumenta durante el embarazo con un pico en la mitad de la gestación. Este incremento tiene una potencial asociación con la formación de edema en respuesta a la hipertensión patológica.

   Durante el envejecimiento reproductivo, se ha reportado una disminución en la liberación de esteroides sexuales y un incremento en la secreción de gonadotropinas en la menopausia/andropausia. Hay una correlación entre la producción de gonadotropinas después de ovariectomía y el aumento de permeabilidad de la BHE. Cuando la ovariectomía es realizada en ratas adultas jóvenes y reproductivamente senescentes,  la degradación de la BHE puede ser mitigada por tratamiento con estradiol en animales jóvenes. Sin embargo, en ratas viejas con mayor disrupción de la BHE en comparación con los animales jóvenes,  el suplemento hormonal  es inefectivo. La depleción de testosterona gonadal incrementa la permeabilidad de la BHE en ratones machos y la suplementación con testosterona en ratones castrados restaura la integridad de la BHE. Las hormonas sexuales y las gonadotropinas regulan la expresión de uniones estrechas y uniones gap (hemicanales que conectan la membrana plasmática de CE adyacentes) en diferentes lechos vasculares. En ratas ovariectomizadas, el tratamiento con estradiol también incrementa la expresión del transportador de glucosa GLUT1 en las CE del cerebro.

   Las imágenes de resonancia magnética de alta resolución en humanos revelan un incremento progresivo de la permeabilidad de la BHE con la edad en el hipocampo, el cual se agrava en individuos con deterior cognitivo leve, sugiriendo que el incremento de la permeabilidad de la BHE en el hipocampo puede contribuir al desarrollo de  la demencia. Adicionalmente, la degradación de la BHE puede ser un biomarcador temprano de enfermedad de Alzheimer (EA). En los individuos con disrupción de la BHE se ha encontrado un aumento del nivel del marcador de pericitos PDGFR en el líquido cerebroespinal, sugiriendo que el daño de los pericitos podría ser un biomarcador efectivo de la degradación de la BHE. En línea con esta observación, los estudios con ratones con deficiencia de pericitos han demostrado una progresiva disrupción de la BHE dependiente de la edad señalada por la acumulación de proteínas plasmáticas y macromoléculas neurotóxicas en el parénquima cerebral. Asimismo, se ha reportado que la efectividad del transportador de salida P-glucoproteína (P-gp) disminuye con la edad en individuos sanos, especialmente en hombres. La disminución de la función de P-gp también se ha observado en pacientes con EA, en línea con los estudios que conectan la patología de la EA con disfunción de la BHE. Más aún, el envejecimiento influye en la calidad del sueño y, en ratones, el sueño fragmentado está asociado con degradación de la BHE y extravasación de la citoquina pro-inflamatoria factor de necrosis tumoral (TNF)-α en el parénquima  cerebral. Esto sugiere que las sustancias circulantes pueden impactar sobre el endotelio cerebral y modular la integridad de la BHE en diferentes etapas de la vida. Por ejemplo, en un estudio con un modelo de parabiosis heterocrónica se identificó al factor de diferenciación de crecimiento (GDF) 11 como uno de los factores circulantes que podría manejar la rejuvenización. El GDF11 no cruza la BHE, pero actúa directamente sobre los vasos sanguíneos induciendo la liberación del factor de permeabilidad VEGF.

   El funcionamiento del SNC requiere un adecuado soporte nutricional para sostener la función neuronal. El mantenimiento de niveles balanceados de nutrientes esenciales en el ambiente del SNC requiere que estos nutrientes sean transportados a través de la BHE.  Los macronutrientes (glucosa, ácidos grasos y aminoácidos) entran en el cerebro atravesando la BHE a partir de la sangre circulante principalmente vía trasportador  o transcitosis mediada por receptor. Más aún, algunos micronutrientes [niacina (vitamina B3), piridoxina (vitamina B6), inositol, folato y ácido ascórbico (vitamina C)] son transportados activamente a través de la BHE y se mantienen en altas concentraciones en el cerebro en comparación con otros tejidos. El mal funcionamiento de estos sistemas de transporte puede provocar deficiencias nutricionales en el cerebro a pesar de tener adecuados niveles en el resto del  cuerpo. Algunos de estos micronutrientes (ácido ascórbico y folato) y ciertos iones (Na⁺, Cl^- y HCO₃^-) tienen acceso al cerebro a través del plexo coroideo en el líquido cerebroespinal, constituyendo un reservorio a partir del cual estos nutrientes difunden lentamente en el líquido extracelular, haciendo a las concentraciones en el SNC resistentes a la depleción en el cuerpo. En modelos animales, la malnutrición o los desbalances dietéticos debidos, por ejemplo,  a dietas hipoproteicas o ricas en grasas alteran la función de la BHE. Sin embargo, estos efectos están asociados con un estado inflamatorio, lo cual hace difícil determinar los efectos directos de la malnutrición sobre la función de la BHE.

   Otra avenida interesante en el contexto de la nutrición y la BHE es la dieta cetogénica. En la dieta cetogénica, el consumo de carbohidratos es drásticamente reducido en favor del consumo de un alto contenido de grasa y un moderado contenido de proteínas. Como resultado, el cuerpo recibe una mínima fuente dietética de glucosa, la cual es  requerida para todas las necesidades metabólicas y los ácidos grasos se convierten en  la mayor fuente de producción de energía celular. Los ácidos grasos no cruzan fácilmente la BHE, pero en el hígado son metabolizados en cetonas, las cuales cruzan la BHE y, en ausencia de glucosa, son la fuente de energía preferida para el cerebro. Las cetonas cruzan la BHE por difusión pasiva o mediante transportadores  monocarboxilato, los cuales son expresados por CE del cerebro, glias y neuronas que en última instancia oxidan las cetonas para obtener ATP. La dieta cetogénica es conocida por sus importantes efectos terapéuticos en patologías como epilepsia y deficiencia del transportador de glucosa 1 (GLUT1), un desorden metabólico que afecta al sistema nervioso causado  por el pobre transporte de glucosa  a través de la BHE, lo cual a su vez podría cambiar el ecosistema de organismos simbióticos en el tracto gastrointestinal (microbiota intestinal).

   La creciente evidencia demuestra una comunicación bidireccional entre la microbiota intestinal, el ecosistema de microorganismos residentes en el tracto gastrointestinal, y el cerebro, referido como el eje intestino-cerebro (o eje microbiota-intestino-cerebro). La microbiota intestinal envía señales al cerebro a través de varias rutas, incluyendo mecanismos neurales, endocrinos e inmunes a través de la producción de metabolitos bacterianos como ácidos grasos de cadena corta, aminoácidos de cadena ramificada y peptidoglucanos. La microbiota intestinal puede influir en la fisiología cerebral y las alteraciones en la composición de este ecosistema microbiano están involucradas en la patogénesis de varias enfermedades. Un estudio reciente en ratones libres de gérmenes reporta que  una carencia completa de microbiota intestinal provoca disfunción de la BHE causada, al menos en parte,  por una disminución de las proteínas ocludina y claudina-5. Este mismo estudio señala que la integridad de la BHE puede ser restaurada por la recolonización de microbiota intestinal, implicando un rol causal de la microbiota intestinal. En otro estudio, ratones tratados con una dosis baja de antibióticos administrada a la madre durante el embarazo y la lactancia, mostraron incrementos en los niveles de expresión de ocludina y Claudina-5 en hipocampo de machos y hembras. Más aún, los ratones machos también mostraron un incremento de ocludina en la corteza frontal.

   La obesidad impacta negativamente sobre la salud. El tejido adiposo no solo está involucrado en el almacenamiento de energía, también es un órgano endocrino que  secreta factores bioactivos colectivamente conocidos como citoquinas (adipoquinas). En la obesidad, la secreción de estas citoquinas, las cuales pueden ser anti- o pro-inflamatorias, es desregulada. En la medida que el tejido adiposo se expande, secreta grandes cantidades de adipoquinas pro-inflamatorias, como interleuquina (IL)-6 y TNF-α, las cuales pueden provocar respuestas inflamatorias y disfunciones metabólicas asociadas con obesidad.  Más aún, estas adipoquinas pueden cruzar la BHE por un mecanismo de transporte saturable, aunque no está claro si la obesidad causa un cambio en el transporte de estas adipoquinas a través de la BHE. La obesidad también provoca una reducción del transporte a través de la BHE de proteínas involucradas en la regulación del apetito y la ingesta de alimentos en el SNC, incluyendo leptina e insulina. Un estudio en adultos mayores demuestra una elevación significativa de la relación líquido cerebroespinal/albúmina en suero, una característica de disrupción de BHE, en sujeto obesos en comparación con individuos delgados. La obesidad también incrementa el estrés oxidativo a través de diferentes mecanismos como hiperleptinemia, baja defensa antioxidante, inflamación crónica, generación de especies reactivas de oxígeno (ROS), lo cual puede contribuir a la disrupción de la BHE mediada por la obesidad. Por el contrario, el ejercicio físico influye positivamente en la integridad de la BHE a través de efectos anti-inflamatorios y antioxidantes. Los niveles de insulina en el SNC también dependen de una BHE funcional. Las CE cerebrales regulan el transporte de insulina a través del  receptor de insulina y vía trancitosis mediada por receptor. Este transporte de insulina puede ser alterado por factores fisiológicos y patológicos incluyendo hiperglucemia y estado diabético. La resistencia a la insulina acelera la disminución cognitiva e incrementa el riesgo de demencia. En este contexto, los estudios demuestran que la disrupción de la integridad de la BHE precede a la disfunción cognitiva en humanos.

   La BHE es sensible a influencias externas o ambientales. Las temperaturas extremas afectan la permeabilidad de la BHE y los estudios demuestran una asociación entre hipertermia y disrupción de la BHE. La hipertermia es de particular interés debido a sus efectos perjudiciales en el SNC, un simple episodio de hipertermia puede causar disfunción neurológica y cognitiva en el corto o largo plazo. El estrés hipertérmico se puede originar a partir de una temperatura externa elevada (por ejemplo, sobrecalentamiento del cuerpo a más de 40^oC) o por deficiencia del sistema termorregulador del cuerpo (por ejemplo, fiebre extrema), lo cual eventualmente provocará una elevación de la temperatura cerebral. Un cierto nivel de termotolerancia puede desarrollarse en células o tejidos después de episodios repetidos de hipertermia, a través de la expresión de proteínas de shock térmico. Este fenómeno ha sido descrito en CE cerebrales en un modelo de BHE in vitro y podría tener un efecto protector de la disrupción de la BHE en los próximos episodios hipertérmicos. En el otro extremo, la hipotermia cerebral profunda induce una leve degradación de la BHE y activación de glias. Sin embargo, en ratas, la hipotermia local aplicada tempranamente  después de un episodio de shock térmico tiene un efecto protector, reduciendo significativamente la disrupción de la BHE a través de la disminución de la pérdida de proteínas de las uniones estrechas.

   Entre los factores externos que inducen disrupción de la BHE, la hipoxia es probablemente el más estudiado. La hipoxia es el punto final de muchos desórdenes como shock, paro cardiaco, disfunción  respiratoria y envenenamiento con monóxido de carbono, pero también puede ser causada por reducción de la presión parcial del oxígeno atmosférico, por ejemplo, en altas altitudes. La disrupción de la BHE por hipoxia puede resultar en  incremento de la permeabilidad, edema vasogénico y daño tisular. La hipoxia induce la expresión del factor inducible por hipoxia-1 (HIF-1), un regulador transcripcional del gen Vegf. El VEGF es expresado principalmente por los astrocitos activados en el estrés hipóxico e induce cambios en las proteínas de las uniones estrechas como ZO-1, claudina-5 y ocludina. El VEGF también induce aumento de la permeabilidad vascular vía liberación de óxido nítrico (NO) a través de la activación de la sintetasa de NO endotelial (eNOS). La hipoxia también ha sido asociada con aumento de la transcitosis endotelial y varios mediadores incluyendo NO, entrada de calcio, liberación de citoquinas inflamatorias y alteraciones hemodinámicas pueden ser responsables de esta alteración. Los diferentes tipos de células de la UNV exhiben distinta sensibilidad a la privación de oxígeno: las CE cerebrales son marcadamente más sensibles que los pericitos y los astrocitos y los pericitos más sensibles que los astrocitos. La tolerancia diferencial de estas células se correlaciona con los niveles de oxígeno que experimentan en condiciones fisiológicas.

   El estrés oxidativo se caracteriza por un incremento de ROS y especies reactivas de nitrógeno (RNS). El consumo de oxígeno relativamente alto por el cerebro (en humanos, aproximadamente 25% del resto del cuerpo en condiciones de reposo) aumenta la susceptibilidad del cerebro al estrés oxidativo. El estilo de vida, el envejecimiento y factores ambientales externos o factores genéticos individuales influyen en el grado de estrés oxidativo en el SNC. Para contrarrestar esto, el cerebro y sus CE están equipados con potentes sistemas de defensa contra el estrés oxidativo, incluyendo un incremento en glutatión (GSH), glutatión peroxidasa, glutatión reductasa y catalasa. El GSH juega un importante rol en el mantenimiento de la integridad de la BHE. El cerebro sano también contiene antioxidantes como superóxido dismutasa y factor relacionado con NF-eritroide-2. Las CE cerebrales tienen  un alto contenido de mitocondrias para producir energía y satisfacer la alta demanda de mecanismos de transporte dependientes de energía  y, por tanto, juegan un rol esencial en el mantenimiento de la BHE. Sin embargo, está descrito que las CE cerebrales obtienen la mayor parte de su  energía a partir de la glucólisis anaeróbica y el rol principal de las mitocondrias es la de un organelo de señalización (por ejemplo, para la regulación del tono vascular). En cualquier caso, la alta demanda de actividad mitocondrial en las CE cerebrales inevitablemente involucra la generación de un incremento de estrés oxidativo.

   La exposición a distintos tipos de estrés psicológico activa respuestas fisiológicas para mantener la homeostasis y esta adaptación puede afectar al cerebro de varias maneras. En condiciones de estrés psicosocial, la integridad de la BHE es modulada por estímulos neuroendocrinos. En humanos, el trauma psicológico en la infancia está asociado con incremento en el nivel en suero de la proteína astrocítica S100β, un biomarcador de  disrupción de la BHE. Más aún, el estrés psicosocial agudo tiene efectos pro-inflamatorios mediados por la activación de mastocitos y está asociado con apertura de la BHE. La hipótesis emergente de estos hallazgos postula que la neuroinflamación inducida por el estrés promueve alteraciones en la UNV y modula la integridad de la BHE.

   En conclusión, la permeabilidad de la BHE es altamente dinámica y responde a múltiples señales intrínsecas y extrínsecas para asegurar la homeostasis cerebral después de alteraciones de diferente origen. Los cambios en la permeabilidad de la BHE generalmente son manejados por sustancias que circulan en la sangre como metabolitos, hormonas o citoquinas que tienen un efecto directo sobre el endotelio cerebral o inducen una respuesta inflamatoria leve que altera la función de la UNV. Las variaciones en la BHE han sido documentadas en varios contextos, incluyendo cambios durante el desarrollo, el embarazo y el envejecimiento en respuesta a factores ambientales como estatus nutricional, temperatura extrema y estrés psicosocial. El envejecimiento, en particular, es un período susceptible a disfunción de la BHE, lo cual puede contribuir a la neurodegeneración y el declive cognitivo.

Fuente: Segarra M et al (2021). Blod-brain barrier dynamics to maintain brain homeostasis. Trends in Neurosciences 44: 393-405.

 

Rol de la osteocalcina en el eje hipotálamo-hipófisis-gónada

El hueso por mucho tiempo fue considerado un órgano estático y aislado que solamente proporciona soporte al cuerpo. Sin embargo, los interesantes descubrimientos en las últimas dos décadas han revelado una nueva función del hueso como órgano endocrino. Estos hallazgos revelan interacciones del hueso con órganos aparentemente no relacionados, incluyendo el páncreas, el tejido adiposo, el músculo esquelético, los testículos y el sistema nervioso central (SNC). Las primeras funciones endocrinas del hueso identificadas se relacionan con la regulación del metabolismo energético a través de la acción de la osteocalcina (OCN), una hormona polipeptídica secretada exclusivamente por los osteoblastos. La OCN contiene tres dominios de ácido γ-carboxiglutámico (Gla), los cuales son carboxilados por la γ-glutamil carboxilasa (GGCX) dependiente de vitamina K a través de una modificación post-translacional provocando cambios conformacionales que estabilizan el dominio α-hélice de la OCN y le confieren una gran afinidad por el Ca²⁺ y la hidroxiapatita. La OCN carboxilada (cOCN) es una proteína constitutiva de la matriz ósea y es considerada un marcador de la formación y remodelación óseas. Debido a descarboxilación o baja actividad de GGCX, algunas moléculas de OCN son solo parcialmente carboxiladas y no pueden unirse a la hidroxiapatita, provocando su liberación en la sangre.

   Después de su liberación en la circulación sanguínea, la OCN no carboxilada (uOCN) ejerce múltiples funciones endocrinas a través de un receptor periférico llamado receptor acoplado a proteína G 6a (Gprc6a) y otro receptor llamado receptor acoplado a proteína G 158 (Gpr158) en el SNC. La uOCN se une al Gprc6a en páncreas, intestino, tejido adiposo, gónadas masculinas y músculo esquelético para promover la proliferación celular, estimular la secreción de insulina, mejorar la sensibilidad a la insulina, regular la fertilidad masculina y la fuerza muscular. La uOCN  atraviesa  la barrera hematoencefálica (BHE) y se acumula en tallo cerebral, tálamo e hipotálamo, donde se une con Gpr158 en neuronas específicas para influir en la síntesis y señal de neurotransmisores y juega un rol esencial en el desarrollo del cerebro, la función cognitiva y la coordinación motora. Un estudio reciente reporta un rol de la OCN en la respuesta al estrés agudo. Estos hallazgos sugieren que el hueso es un sistema endocrino de naturaleza intrínseca en el cual la OCN es un componente clave de sus funciones endocrinas.

   La línea de investigación que sugiere un rol del hueso en la función testicular data de 2011. Los investigadores encontraron que el sobrenadante de cultivos de osteoblastos aumenta la producción de testosterona por las células de Leydig y también incrementa la secreción de testosterona por  los testículos, sugiriendo que la secreción de OCN por los osteoblastos puede ser un factor clave para la regulación de la fertilidad masculina. El Gprc6 ha sido identificado como el receptor que media la señal OCN en las células de Leydig. Después de unirse al Gprc6 en las células de Leydig, la OCN puede favorecer la producción de cAMP que induce la fosforilación de la proteína de unión del elemento de respuesta de cAMP (CREB). El CREB activa la expresión de varios genes que codifican las enzimas que son necesarias  para  la biosíntesis de testosterona, como StaR, CYP11a, 3b-HSD y CYP17. Los ratones machos que carecen de OCN, o su receptor, representan un modelo para el envejecimiento masculino que se caracteriza por disminución de masa ósea, disminución de los niveles de testosterona, bajo contaje de espermatozoides y disfunción sexual. Particularmente, esto es apoyado por el hecho que la OCN y su receptor, así como otros componentes de la ruta de señalización, están presentes en los testículos humanos. En estudios clínicos, la OCN total en suero se asocia  positivamente con la testosterona total y la testosterona libre, especialmente en hombres con obesidad central.

   En el contexto de la fertilidad masculina, ha sido reportada una asociación de uOCN y vitamina D. La vitamina D, o más precisamente su forma activa 1,25(OH)2D3,  es importante para la función de las células de Leydig y la liberación de testosterona, mientras la deficiencia de 1,25(OH)2D3 está asociada con una baja relación testosterona/estradiol en hombres jóvenes. Después de unirse con el Gprc6, la OCN regula la expresión de Cyp2r que codifica la enzima microsomal vitamina D 25-hidroxilasa, necesaria para la conversión de vitamina D en 1,25(OH)2D3, sugiriendo que los roles beneficiosos de la uOCN sobre la función testicular pueden ser, al menos parcialmente, mediados por la regulación de rutas del metabolismo de vitamina D. agregando otra dimensión al  rol de la uOCN en los testículos.

   Aunque la evidencia sugiere un rol directo de la OCN en los testículos, hay pocos estudios sobre un efecto directo de la OCN en el eje hipotálamo-hipófisis-gónadas (HHG). El hipotálamo es una parte integral del SNC regulando funciones neuroendocrinas principalmente a través de su actividad sobre la hipófisis anterior y el sistema nervioso autónomo. Las funciones reguladoras directas de la OCN a través de sus receptores en el SNC incluyen su rol beneficioso en el desarrollo cerebral normal, o en condiciones patológicas como disfunción cognitiva y déficit motor relacionado con la enfermedad de Parkinson. La regulación de la OCN de la función hipotálamo-hipófisis es apoyada por: (I) el receptor Gprc6 es expresado en el hipotálamo y la hipófisis anterior. Más aún, el receptor central de OCN, Gpr158 es expresado en el hipotálamo y la hipófisis en cantidades significativas. (II) La leptina, conocida como un regulador mayor del balance energético a través de sus acciones sobre el hipotálamo, media sus efectos beneficiosos en la homeostasis de energía y sobre los huesos promoviendo los niveles circulantes de OCN a través de receptores residentes exclusivamente en el hipotálamo. Adicionalmente, los sitios blancos de la leptina involucrados en la homeostasis de energía son una parte de la red de sustratos que también modulan la secreción de OCN por los osteoblastos, proporcionando una posible base para las acciones fisiológicas de la OCN sobre las proteínas reguladoras hipotalámicas. (III) Una pérdida de la función del receptor de OCN en humanos está asociada con hipogonadismo hipergonadotrópico, sugiriendo que la OCN puede ser necesaria para la función normal del eje hipófisis-gónadas. Por otra parte, un estudio reciente reporta que la OCN puede regular la reproducción masculina a través de un mecanismo que usa a la insulina, sugiriendo la existencia de un eje páncreas-hueso-testículo que actúa en paralelo con el eje HHG.

   Otro posible mecanismo del rol de la OCN sobre el eje HHG es apoyado por  la relación entre la actividad de neuronas GABAergicas  y la hormona liberadora de gonadotropinas (GnRH). La GnRH es sintetizada y liberada por neuronas GnRH en el hipotálamo y regula la secreción de LH por la hipófisis. La OCN, regulando las neuronas GnRH y las neuronas GABAergicas puede modular la frecuencia de pulsos GnRH/ LH, jugando un rol en la regulación de la amplitud de los pulsos de LH y, por consiguiente, en las funciones de los testículos. El contenido de GABA aumenta en todas las regiones cerebrales de ratones OCN-/-, lo cual está relacionado con un incremento en la expresión de enzimas Gad1 y Gad2, claves en la síntesis de GABA. En el tallo cerebral, la OCN inhibe la frecuencia de potenciales de acción de las neuronas GABAergicas. Aunque el GABA es considerado un neurotransmisor inhibidor en el cerebro adulto, hay consenso que el GABA activa neuronas GnRH adultas a través de receptores GABA_A. Por tanto, un posible rol de la OCN en la regulación de la frecuencia de pulsos GnRH es a través de la regulación de neuronas GABAergicas.

   Aunque algunas evidencias apoyan la idea que la OCN puede jugar un rol en la regulación del eje HHG, o al menos tiene una correlación con los componentes de este eje, los hallazgos son controversiales. Actualmente, también hay  controversia sobre si la OCN puede regular el eje páncreas-hueso-testículo más que al eje HHG en el control de la fertilidad masculina. Sin embargo, hasta ahora la evidencia que apoya estas nociones es muy escasa.

   La regulación endocrina de la reproducción por la OCN ha sido reportada predominantemente en varones. En los estudios con ratones hembras OCN-/- se reporta que los osteoblastos no inducen la producción de testosterona o estrógenos en los ovarios ni afectan la fertilidad femenina, el peso de los ovarios, la morfología del útero, el número de folículos ováricos o los niveles circulantes de hormonas esteroides sexuales. ¿Esto implica que la OCN no tiene ningún rol en la regulación de la reproducción femenina? Aunque la evidencia es insuficiente para apoyar la idea que la OCN puede tener un rol en la regulación de la fertilidad femenina, hay algunos hallazgos que  sugieren un posible rol. Por ejemplo, los efectos de la OCN sobre las funciones del eje HHA proporcionan una base para la regulación de la fertilidad femenina por la OCN. Adicionalmente, el receptor Gprc6a puede regular la aromatización de andrógenos en estrógenos y, por tanto, regular los niveles circulantes de estrógenos en ratones hembras. Más aún, un estudio reciente demuestra que el nivel de OCN en suero está asociado con un incremento de la edad ósea y el pico de LH en hembras con pubertad  precoz central (PPC), lo cual indica que la OCN en suero puede estar asociada con el inicio de la pubertad en las hembras.

   El síndrome de ovario poliquístico (PCOS), una compleja enfermedad metabólica y reproductiva, es considerado el desorden endocrino más común en mujeres en edad reproductiva con una prevalencia de 5-15%. El PCOS se caracteriza por disfunción ovulatoria, ovarios poliquísticos  e hiperandrogenismo bioquímico y/o clínico. En vista de las funciones beneficiosas de la OCN en la regulación del metabolismo energético y la reproducción, surge la pregunta si la OCN puede modular el riesgo de PCOS. Aunque algunos estudios reportan que el nivel de OCN en suero disminuye en las mujeres con PCOS en comparación con controles sanos, no hay un consenso sólido sobre los efectos del PCOS sobre los niveles de OCN en suero, especialmente el nivel de uOCN. Más aún, si la alteración del nivel de OCN en suero es una causa de PCOS o es un resultado es más difícil de precisar en el presente. Para clarificar la relación entre OCN y PCOS, es necesario identificar los siguientes atributos: (I) ¿Cuál es el nivel de uOCN en suero en pacientes o modelos de roedores con PCOS en comparación con sus controles? La uOCN puede no solamente actuar directamente sobre el hipotálamo y la hipófisis para regular la liberación de LH que estimula la secreción de andrógenos por las células tecales del ovario, sino que también puede afectar la unión de Gprc6a con la globulina ligadora de hormonas sexuales (SHBG), provocando alteración del nivel de testosterona circulante. (II) Si hay una alteración en el nivel de OCN en suero, ¿esto es  una causa para desarrollo de PCOS o un cambio biológico secundario debido al PCOS? Esta es una pregunta difícil de responder. Es bien conocido que las hormonas gonadales tienen efectos directos sobre el metabolismo óseo. Las pacientes o modelos de roedores con PCOS se caracterizan por hiperandrogenismo, por tanto no es sorprendente que los niveles de OCN puedan cambiar en el PCOS. Considerando la relación entre OCN y metabolismo de la glucosa y metabolismo energético, especialmente su rol en incrementar la secreción de insulina y aumentar la sensibilidad a la insulina, es posible especular que la uOCN puede jugar un rol en el PCOS. (III) ¿Cuál es el patrón de expresión de Gprc6a en las pacientes o modelos de roedores con PCOS en comparación con los controles? Es conocido que la estimulación de la producción de testosterona por la OCN es mediada por Gprc6a cuya expresión en ovario WT es bastante baja a nivel de mARN  e indetectable a nivel de proteína.

   La pubertad implica cambios hormonales dramáticos que causan incremento en el crecimiento y la adquisición de hueso. El inicio de la pubertad está muy relacionado con el eje HHG y un incremento en la utilización de calcio está asociado con los signos físicos tempranos de la pubertad. Aunque hay pocos estudios, una posible asociación entre OCN y desórdenes del desarrollo puberal ha sido reportada. La PPC es definida como la activación del eje HHG antes de la edad de 8 años en hembras y de los 9 años en varones, diagnosticada por niveles pico de LH >5,0 UI/L después de estimulación con GnRH. Un estudio reciente reporta niveles de OCN en suero significativamente altos en hembras con PPC asociados con un incremento en la edad ósea y el pico de LH, sugiriendo una posible correlación entre OCN en suero y el inicio de la pubertad en las hembras. Sin embargo, el número de estudios que demuestran una relación entre OCN y pubertad es escaso.

   En conclusión, la OCN ejerce múltiples funciones endocrinas a través de su forma metabólicamente activa, uOCN. A través de la unión con el receptor Gprc6a en los tejidos periféricos, la uOCN actúa sobre células β pancreáticas para incrementar la secreción de insulina y músculo esquelético y tejido adiposo blanco para promover el metabolismo de glucosa y lípidos. El efecto de la uOCN sobre la función testicular facilita la biosíntesis de testosterona y la regulación  de la fertilidad masculina a través del eje páncreas-hueso-gónada. Sin embargo,  los mecanismos funcionales de la OCN sobre los ejes HHG y páncreas-hueso-gónada no son completamente entendidos. Un rol de la OCN sobre la fertilidad femenina ha sido propuesto, pero la investigación necesaria para su confirmación es aún escasa.

Fuente: Shan C et al (2021). Broadening the role of osteocalcin in the hypothalamic-pituitary-gonadal axis. Journal of Endocrinology 249: R43-R51.

 

Selenoproteínas en el cerebro

En las décadas pasadas,  el selenio (Se) y sus compuestos han sido estudiados principalmente en la regulación del desarrollo y el sistema inmune y por sus propiedades antitumorales debidas a sus actividades antioxidantes. Los datos nutricionales demuestran que en condiciones de dieta normal, el nivel de Se es más alto en el riñón, seguido por hígado, bazo, páncreas, corazón y cerebro. Sin embargo, cuando la captación de Se es insuficiente, esto cambia de acuerdo al orden de prioridad de los diferentes órganos por el Se. Entre los órganos, el cerebro retiene el Se por más tiempo, indicando la importancia del Se en el mantenimiento de la función fisiológica del sistema nervioso central (SNC). Las investigaciones  epidemiológicas demuestran una significativa correlación positiva entre el nivel de Se y  la capacidad cognitiva y que el nivel sanguíneo de Se disminuye gradualmente con la edad. Más aún, los niveles de Se cambian significativamente en la sangre y el cerebro de pacientes con enfermedades neurodegenerativas como enfermedad de Alzheimer (EA), enfermedad de Parkinson (EP), esclerosis múltiple y enfermedad de Batten.

   Aunque hay varias rutas de utilización de Se en el cuerpo, la principal es la síntesis de selenoproteínas mediante las cuales el Se ejerce numerosas funciones biológicas. Hasta ahora, se han identificado 25 genes que codifican selenoproteínas en las secuencias genómicas humanas. La glutatión peroxidasa (GPX) fue la primera selenoproteína identificada y participa en reacciones redox. Las isoenzimas GPX (GPX1, GPX2, GPX3, GPX4 y GPX6) contienen Se y exhiben diferentes patrones de expresión y localización subcelular en los tejidos. Las tioredoxina reductasas (TXNRD1, TXNRD2 y TXNRD3) son otras antioxidasas que contribuyen no solo al sistema antioxidante sino también a la proliferación y apoptosis celular. Las desyodasas de hormonas tiroideas (DIO1, DIO2 y DIO3) participan en la producción de T3 y T4 y regulan las actividades de las hormonas tiroideas. La metionina-sulfoxido-reductasa 1 (MSRB1), también llamada SELENOR, es la principal responsable de reparar proteínas metionina-oxidadas. La selenofosfato sintetasa 2 (SEPHS2), una enzima involucrada en la biosíntesis de selenocisteína,  es también una selenoproteína. La proteína plasmática SELENOP, transportadora de Se, también exhibe actividad de hidroperóxido reductasa de lípidos. SELENOK, SELENOM, SELENOE, SELENOS, SELENOT, DIO2 y SELENON son selenoproteínas residentes en el retículo endoplásmico (RE) y participan principalmente en la regulación de procesos fisiológicos, incluyendo flujo de Ca²⁺, plegamiento de proteínas y estrés de RE. La SELENOO, la más grande de las selenoproteínas, posee un dominio proteína quinasa y puede tener una función en la respuesta al estrés oxidativo.  Otras selenoproteínas (SELENOW; SELENOH; SELENOL, SELENOU y SELENOV) carecen de un claro reconocimiento, excepto por su función antioxidante.

   Los análisis bioquímicos y bioinformáticos han demostrado que la mayoría de selenoproteínas son expresadas en el cerebro y que algunas de ellas están estrechamente asociadas con la función del cerebro. El gen tRNA[Ser]Sec (Trsp) es requerido para la expresión de todas las selenoproteínas funcionales. Los ratones Tsrp específico de neuronas knockout tienen una significativa reducción de los niveles de expresión de selenoproteínas en el cerebro y muestran retardo en el crecimiento y extensa  degeneración neuronal. Adicionalmente, los ratones SELENOP^-/- exhiben muchas características de disfunción cerebral. La ferroptosis regulada por  GPX4 puede inducir alteración cognitiva progresiva y neurodegeneración del hipocampo en ratones. Por tanto, las selenoproteínas relacionadas con la función cerebral pueden estar involucradas en la ocurrencia y el desarrollo de la EA. Sin embargo, las selenoproteínas involucradas y sus roles en estos procesos aún no están claros.

   Los niveles de expresión de selenoproteínas en tejidos y órganos están directamente asociados con las funciones biológicas de las selenoproteínas. Los datos actuales de los niveles diferenciales de expresión de selenoproteínas en el cerebro han sido obtenidos a partir de estudios bioinformáticos. Los transcriptos de 24 selenoproteínas son expresados en cerebro de ratón. GPX, SELENOR y SELENOW son expresadas en altos niveles en más de  90% de las regiones cerebrales. En humanos, un análisis transcriptómico de genes reveló que 6 selenoproteínas (GPX3, DIO3, GPX2, DIO1, SELENOV y GPX6) tienen nivel muy bajo de expresión en el cerebro humano, mientras SELENOW, GPX4, SELENOP, SELENOF y SELENOK tienen los niveles de expresión altos. Entre todas las selenoproteínas, la SELENOW exhibe el nivel de expresión más alto. La SELENOP es altamente expresada en el cerebro debido a su función como transportadora de Se. Las diferencias en los niveles de expresión espacial de las selenoproteínas también determinan su función fisiológica en el cerebro. Las selenoproteínas cerebrales son altamente expresadas en hipocampo, bulbo olfatorio, neocorteza y corteza del cerebelo. Los niveles de expresión de GPX4, SELENOW y SELENOF son más altos en estas cuatro regiones cerebrales. Excepto por SELENOP, todos los genes de selenoproteínas tienen al menos nivel de expresión moderado en el hipocampo. El núcleo oculomotor, el núcleo de Edinger-Westphal, el núcleo pontis del rafe, el núcleo anteroventral periventricular y el núcleo premamilar dorsal tienen los niveles de expresión más bajos de selenoproteínas, indicando que estas regiones pueden ser menos dependientes de selenoproteínas y Se.

   La importancia del Se en el desarrollo cerebral ha sido confirmada en ratones Selenop^-/-. En un ambiente bajo en Se, estos ratones exhiben hipoplasia severa y muerte. Sin embargo, después de la sobre expresión de SELENOP en hepatocitos, las manifestaciones neuropatológicas fueron revertidas cuando los ratones fueron alimentos con una dieta con contenido adecuado de Se. Las selenoproteínas GPX4 y SELENOT también son indispensables para el desarrollo neural en ratones. Los ratones GPX4 knockout exhiben neurodegeneración masiva, la cual puede estar asociada con pérdida selectiva de interneuronas parvalbúmina en hipocampo y corteza cerebral.  Por otra parte, aunque los ratones gen GPX1 knockout no tiene afectado el desarrollo normal, la sobre expresión de GPX1 mejora la diferenciación de stem cells embrionarias en stem cells neurales centrales, especialmente neuronas dopaminérgicas. La SELENOT tiene una función neuroprotectora en el desarrollo cerebral y la SELENOW protege las neuronas contra el estrés oxidativo durante el desarrollo cerebral. Estudios recientes demuestra que la SELENOI (etanolamina fosfotransferasa 1, EPT1) tiene un rol indispensable en la mielinización y el neurodesarrollo así como en el mantenimiento de la homeostasis de fosfolípidos en humanos. Las hormonas tiroideas influyen en el desarrollo cerebral a través de la regulación de la diferenciación de neuronas y células gliales, y la formación de mielina y sinapsis.  La DIO2  media la transformación de T4 en T3 activa en los astrocitos y la DIO3 degrada T3 y T4 en las neuronas para estabilizar la homeostasis de hormonas tiroideas en el cerebro.

   Siete selenoproteínas residentes en el RE están involucradas en la regulación del flujo de calcio, el plegamiento de proteínas y el balance redox en el RE. Otras selenoproteínas también están involucradas en estos procesos fisiológicos. Por ejemplo, SELENOP responde al estrés RE en hepatocitos y SELENOW regula canales de Ca²⁺ en células musculares. Sin embargo, de acuerdo con los reportes actuales, solamente cinco selenoproteínas residentes en el RE (SELENOK, SELENOM, SELENOS, SELENOT y DIO2) participan en la regulación de la homeostasis del RE en el cerebro o las células neurales. SELENOS y SELENOK juegan roles importantes en el plegamiento de proteínas y la ruta de degradación asociada en el RE. La expresión neuronal de SELENOS aumenta con el estrés RE. Por otra parte, la SELENOK puede interactuar con una palmitoiltransferasa (DHHC6) para afectar el flujo de Ca²⁺ a través de la regulación de la palmitoilación del receptor de  inositol 1,4,5 trifosfato (IP3R) y la sobre expresión de SELENOK incrementa los niveles de Ca²⁺ libre mediados por IP3R en microglias. Más aún, un incremento en los niveles de Ca²⁺ mediado por cAMP en células neuronales mejora significativamente la expresión de SELENOT. La sobre expresión de SELENOT también afecta el nivel basal de Ca²⁺ en las células,  indicando que esta selenoproteína  regula la homeostasis intracelular de Ca²⁺.

   Varios estudios han demostrado que la neurotransmisión mediada por Se es activa principalmente en el sistema dopaminérgico y que la deficiencia de Se puede inducir daño químico en las neuronas y terminales dopaminérgicos. Sin embargo, pocos estudios han confirmado la relación directa entre las selenoproteínas y la transmisión de señal neuronal. La SELENOP fue la primera selenoproteína identificada asociada con la transmisión de la señal sináptica. Adicionalmente, la SELENOP interactúa con el receptor de apolipoproteína E-2 (ApoER2) postsináptico que participa en la transmisión de la señal sináptica mediada por la proteína reelina. El ApoER2 también forma un complejo funcional con el receptor N-metil-D-aspartato (NMDAR) localizado en la membrana postsináptica de  sinapsis excitadoras. El NMDAR es un receptor para glutamato durante la transmisión sináptica neuronal y la alteración sináptica está directamente asociada con desórdenes de NMDAR en la EA.  Un estudio reciente reporta niveles desbalanceados de dos subunidades funcionales del NMDAR, propiamente NMDAR2A y NMDAR2B en el cerebro de ratones SELENOK  knockout. Por tanto, la SELENOK puede jugar un rol en la transmisión sináptica neuronal. Otro estudio sugiere que GPX4 y SELENOP  participan en el proceso de transducción GABAérgica neuronal. Por otra parte, la SELENOT es necesaria para la producción de dopamina en las neuronas dopaminérgicas. Durante el estrés oxidativo inducido por neurotóxinas, la SELENOT regula la actividad tirosina hidroxilasa  para incrementar los niveles de dopamina y mantener la funcionalidad de las neuronas dopaminérgicas. 

   La neuroinflamación en el cerebro es la reacción excesiva de las células gliales a los cambios patológicos y usualmente se presenta como excesiva activación y proliferación de microglias y astrocitos. La capacidad antioxidante de GPX1 puede participar en la regulación de la reacción de la cascada inflamatoria en el cerebro. Funcionalmente, la GPX4 es la única GPX que puede usar fosfolípidos hidroperóxidos como sustratos y controla la apoptosis mediada por oxidación de lípidos. La expresión de GPX4  en astrocitos es regulada al alza en modelos de isquemia cerebral. El mismo fenómeno se observa con la SELENOS. En comparación con su alta expresión en neuronas, la expresión de SELENOS es escasa en astrocitos. Sin embargo, en condiciones patológicas, la expresión de SELENOS aumenta significativamente, especialmente en astrocitos reactivos.   La sobre expresión de SELENOS influye en las funciones de los astrocitos y reduce la secreción de citoquinas pro-inflamatorias para aumentar la resistencia al estrés oxidativo y la neuroinflamación. La SELENOK promueve la migración y fagocitosis de microglias a través de la regulación del flujo de Ca²⁺ y es la única selenoproteína que tiene funciones reguladoras directas en las microglias. La SELENOM puede reducir el nivel de estrés  oxidativo en astrocitos, además de neuronas, del cerebelo a través de la regulación del flujo de Ca²⁺.

   El hipocampo, el bulbo olfatorio, la neocorteza y la corteza del cerebelo, los cuales tienen alta expresión de selenoproteínas, son también vulnerables a enfermedades neurodegenerativas, en particular el hipocampo y la corteza cerebral son las principales regiones patológicas de la EA en el cerebro. La expresión de SEPHS2, SELENOK, SELENOR, DIO2, SELENOS, SELENOW y SELENOT es más pronunciada en hipocampo y regiones corticales que en otras regiones cerebrales, sugiriendo que estas selenoproteínas pueden estar fuertemente asociadas con la EA. La ferroptosis inducida por la peroxidación de lípidos participa en la muerte neuronal en la EA.  La GPX4 reduce la producción de peróxidos de lípidos catalizada por Fe²⁺ y lipooxigenasa, y es el regulador clave de la ruta de ferroptosis. Una significativa acumulación de hierro y peroxidación de lípidos combinada con reducciones en glutatión y GPX4 se observan en el hipocampo de pacientes con EA. El incremento en la peroxidación de lípidos es un evento temprano en la EA. La acumulación de hierro promueve la agregación de amiloide β (Aβ) y proteína tau, mientras el polipéptido amiloide (PPA) y tau colectivamente promueven el transporte de hierro para causar el círculo vicioso de la ferroptosis.

   La expresión de SELENOP, la selenoproteína más estudiada en investigación sobre EA, aumenta en el cerebro con la edad y la expresión del gen SELENOP incrementa significativamente en el cerebro de pacientes con EA. Los iones de numerosos metales como aluminio, zinc, cobre y hierro pueden promover la agregación de Aβ durante el proceso patológico de la EA. Los residuos Sec y Cis y un dominio rico en His en la SELENOP determinan su capacidad para unirse a metales. La SELENOP forma un complejo con Zn²⁺ y Aβ in vitro para inhibir la agregación de Aβ y la neurotoxicidad. La SELENOP también interactúa con el dominio C-terminal de la α-tubulina, la cual se une con la proteína tau para mediar la regulación del ensamble de microtúbulos, implicando que la SELENOP puede estar asociada con la estructura o función de la proteína tau. La función antioxidante de la SELENOP también protege las neuronas contra la toxicidad inducida por Aβ.

   La SELENOW, como la mayoría de selenoproteínas, es un antioxidante dependiente de GSH y está involucrada en reacciones redox. La SELENOW protege a los mioblastos en desarrollo contra el estrés  oxidativo e inhibe las interacciones entre proteínas 14-3-3 y activadores de la transcripción para participar en el crecimiento y diferenciación muscular. Sin embargo, pocos reportes hacen referencia al rol de esta selenoproteína en el cerebro. La SELENOW es altamente expresada en corteza cerebral, girus dentado e hipocampo, así como también en sinapsis, sugiriendo que tiene funciones biológicas en las sinapsis neuronales. Un estudio reciente encontró que los residuos Cis37 de SELENOW y Cis322 de tau forman un enlace disulfuro para inhibir la agregación de proteínas tau, indicando que la selenoproteína puede afectar la patología tau y estar asociada con la EA.

   La SELENOK, en comparación con otras selenoproteínas, es altamente expresada en células inmunes y su sobre expresión incrementa significativamente el nivel de Ca²⁺, la expresión de IP3R y promueve la migración y fagocitosis de microglias para regular la neuroinmunidad y la neuroinflamación en el cerebro. La expresión de SELENOK disminuye significativamente en el cerebro de pacientes con EA y los ratones SELENOK knockout presentan cambios patológicos como desregulación del flujo de Ca²⁺ intracelular en neuronas y un desbalance en la distribución de receptores sinápticos, lo cual es consistente con patología EA.

   Las neuronas dopaminérgicas están estrechamente asociadas con la patología EA y varias alteraciones en el sistema dopaminérgico han sido reportadas en pacientes con EA. Las neuronas dopaminérgicas en la corteza prefrontal participan en la formación de memoria cognitiva. La pérdida de neuronas dopaminérgicas afecta la plasticidad sináptica en neuronas CA1 del hipocampo en la EA. Debido a su efecto sobre el flujo de Ca²⁺ en células neurales y la neurotransmisión dopaminérgica, la SELENOT puede estar asociada con EA.   La SELENOT regula la función de las neuronas dopaminérgicas en regiones cerebrales relacionadas con EA.

   En condiciones patológicas, el clivaje del polipéptido amiloide (PPA) por β-secretasas produce un fragmento C-terminal de 99 aminoácidos (C99) del PPA  que posteriormente es convertido en Aβ. Un alto nivel de C99 es el factor determinante de EA. La unión de SELENOS a las proteínas SELENOK y la proteína chaperona Derlin puede mantener la homeostasis del RE. Estudios recientes demuestran que en modelos celulares de EA deficientes en SELENOS, la degradación de C99 dependiente de ubiquitinización es inhibida y que el nivel de Aβ 1-42 aumenta significativamente, indicando que la SELENOS participa en el proceso de degradación de C99.

   En conclusión, el Se ejerce sus funciones fisiológicas principalmente a través de las selenoproteínas, las cuales juegan roles vitales en el mantenimiento óptimo de la función cerebral. De las 25 selenoproteínas expresadas  en el cerebro, las selenoproteínas  GPX4, SELENOP, SELENOK, SELENOT, GPX1, SELENOM, SELENOS y SELENOW son altamente expresadas, específicamente en regiones relacionadas con la EA. Existen reportes que demuestran que estas selenoproteínas, además de estar estrechamente asociadas con la función cerebral,  pueden participar en  procesos patológicos de la EA, incluyendo apoptosis neuronal, agregación y aclaramiento de proteínas patológicas, disfunción sináptica y neuroinflamación mediada por células gliales. Las potenciales funciones de estas selenoproteínas en la EA son diversas, por ejemplo,  la función de GPX4 en la ferroptosis y los efectos de la proteína SELENOK, residente en el RE, sobre la homeostasis de Ca²⁺ y funciones sinápticas mediadas por receptor.

Fuente: Zhang ZH, Song GL (2021). Roles of selenoproteins in brain function and the potential mechanism of selenium in Alzheimer´s disease. Frontiers in Neuroscience 15:646518.