Miostatina y reproducción femenina

La miostatina (MSTN), también llamada factor de crecimiento y diferenciación 8 (GDF8), fue reportada por primera vez en 1997. La MSTN es un regulador negativo del crecimiento de músculo esquelético. El gen miostatina es un fuerte regulador fisiológico de la diferenciación muscular. La MSTN es miembro de la familia del factor de crecimiento transformante-β (TGF-β) que incluye a las proteínas morfogenéticas del hueso (BMP), GDF, TGF-β, activinas, inhibinas y hormona anti-mülleriana (AMH). La familia TGF-β juega un importante rol funcional en fisiología y patología, como el control  de la proliferación y diferenciación, curación de heridas, sistema inmune, enfermedades del esqueleto, fibrosis y cáncer. Muchos factores de la familia TGF-β como AMH, BMP15 y GDF9 son altamente expresados y juegan un rol importante en el sistema reproductivo femenino. En años recientes, muchos estudios han demostrado que la MSTN juega un rol importante en la reproducción y fertilidad femenina humana.

   En humanos, el gen MSTN está localizado en la posición 32,2 en el brazo largo del cromosoma 2. El peso molecular de la MSTN es 25,0 kDa y todas las características de la familia TGF-β  están presentes en la secuencia de la proteína, incluyendo una secuencia señal para secreción, un sitio de procesamiento proteolítico y un dominio C-terminal que contiene nueve residuos cisteína. La MSTN es sintetizada como una proteína precursora de 376 aminoácidos que incluye una secuencia señal, un dominio pro-péptido N-terminal y el dominio C-terminal que da origen al ligando activo, similar a otros miembros de la familia TGF-β. La proteína precursora de MSTN debe ser fraccionada por dos enzimas proteolíticas antes de poder ser activada. La enzima furina remueve al péptido señal de 24 aminoácidos. La segunda reacción es por la metaloproteinasa de matriz BMP1/Tolloid en un sitio Arg-Ser-Arg-Arg en los aminoácidos 240-243 y resulta en los dominios N-terminal y C-terminal de 27.640 Da y 12.400 Da, respectivamente. La MSTN madura es un dímero unido por puente disulfuro con un dominio C-terminal idéntico en humanos, ratones, ratas, cerdos, pollos y perros.

   En humanos, la MSTN es expresada en músculo esquelético, a través del cuerpo predominantemente en el estado embrionario, pero también en la madurez y es considerada reguladora negativa del crecimiento muscular. La MSTN también es producida en cantidades significativas en el tejido adiposo y el corazón. Los mecanismos por los cuales la MSTN suprime el desarrollo muscular han sido bien estudiados. La MSTN se une en la superficie celular al receptor activina tipo II o IIb (ActRII, ActRIIb) y recluta a Alk3 o Alk4 como correceptor. Este correceptor, a su vez, induce la fosforilación de factores de transcripción SMAD a través de la ruta de señalización TGF-β, aunque también hay evidencia que la MSTN puede regular la masa muscular independientemente de la señal SMAD. La MSTN inhibe la proliferación y diferenciación de stem cell musculares y reduce la acumulación de proteína de fibra muscular adulta, resultando en una pérdida de masa muscular esquelética.

   El principal rol de la MSTN es  regular el desarrollo del músculo esquelético. Sin embargo, el rol biológico de la MSTN tiene otras actividades redundantes. La MSTN tiene una función vital en el corazón. La expresión de MSTN aumenta en individuos con insuficiencia cardiaca descompensada y enfermedad cardiaca congénita. El aumento de la expresión cardiaca de BMP1 aumenta la expresión del receptor de  MSTN, ArtRIIb, e incrementa la activación de SMAD2/3. La MSTN también está asociada con T2DM. La expresión de MSTN puede controlar directamente la absorción o la utilización de glucosa en el músculo esquelético. Pacientes con cáncer, AIDS, insuficiencia renal o insuficiencia cardiaca tiene elevados niveles  en suero de MSTN o aumentan la expresión de MSTN en músculo esquelético. La MSTN está involucrada en la respuesta a estos desórdenes y puede funcionar como posible regulador del incremento de la atrofia muscular en respuesta a estresores fisiológicos y patológicos. Los niveles de MSTN también están elevados en adultos mayores y en quienes han tenido reposo en cama por un período de tiempo prolongado.

   La MSTN puede actuar como regulador de crecimiento en las gónadas. La MSTN es expresada en las células granulosas humanas de los folículos antrales pequeños. Un estudio reciente descubrió una correlación negativa entre MSTN y concentraciones de progesterona en el líquido folicular humano y la regulación hacia abajo de la proteína reguladora aguda de la esteroidogénesis (StAR) causada por la MSTN a través de las rutas de señalización Smad3 mediada por ALK5 y ERK1/2 en células granulosas humanas. Muchos estudios demuestran que los factores de crecimiento derivados del oocito y las células tecales juegan roles esenciales en la regulación de las funciones del ovario.

   Las células granulosas son requeridas para el desarrollo normal del oocito y la síntesis de hormonas esteroides.  Las células tecales son células endocrinas de los folículos ováricos que contribuyen significativamente a la fertilidad  generando los andrógenos, sustratos esenciales para la producción de estrógenos en el ovario. La MSTN aumenta la producción de estrógenos en las células granulosas incrementado la expresión de P450 aromatasa y los efectos de la hormona folículo estimulante (FSH) mediante el aumento de los niveles de receptores, mientras disminuye la producción de progesterona y el nivel de receptores de la hormona luteinizante (LH).

   La proliferación y diferenciación terminal de las células granulosas son los dos procesos más significativos durante el desarrollo folicular y son requeridos para la maduración, ovulación y luteinización. Un amplio rango de variables endocrinas y paracrinas reguladoras controlan la transición funcional de células granulosas a partir de un estado altamente proliferativo a un estado no proliferativo terminalmente diferenciado a través del estado periovulatorio del ciclo reproductivo femenino. La comunicación intracelular entre los diferentes tipos de células y el estroma es necesaria para el adecuado crecimiento del folículo ovárico y la maduración del oocito. La matriz extracelular (ECM) en el folículo ovárico es crítica para el control del crecimiento folicular. La lisil oxidasa (LOX), una enzima crítica en la síntesis final y estabilidad de la ECM, es esencial para la maduración del folículo y el oocito. La interacción endocrina entre el oocito y las células somáticas foliculares controlan el crecimiento de las células del cumulus durante la maduración del oocito, un estado esencial durante el desarrollo folicular y una eventual ovulación. El nivel de expresión del gen MSTN y la concentración de MSTN en el líquido folicular pueden estar relacionados con el desarrollo y maduración del oocito. Estos estudios sugieren que la MSTN es un factor intra ovárico con un potencial rol en la regulación de procesos ováricos en el ovario humano. Cualquier desregulación o cambio en la MSTN o sus receptores puede impactar rutas intracelulares relacionadas e influir en las funciones ováricas, lo cual resulta en enfermedades reproductivas, incluyendo infertilidad.

   En conclusión, la MSTN es miembro de la familia del TGF-β y fue identificada originalmente en músculo esquelético como un regulador negativo del crecimiento del músculo. La MSTN ha sido detectada en un rango de  tejidos humanos, incluyendo músculo esquelético, plasma, tejido adiposo, corazón y pulmones, donde tiene varias funciones. La MSTN es expresada en sistemas reproductivos humanos, la MSTN madura ha sido detectada en el  líquido folicular y está involucrada en la regulación de la esteroidogénesis, la respuesta a las gonadotropinas, la proliferación celular, la expresión y actividad de LOX y la expresión de PTX3 en células germinales humanas. La MSTN está involucrada en la regulación de la maduración del oocito. Numerosos estudios demuestran que la MSTN juega un rol crítico en la reproducción y fertilidad femenina humana, incluyendo la regulación del desarrollo folicular, la esteroidogénesis ovárica, la proliferación de células granulosas y la regulación de la maduración del oocito.

Fuente: Wang S et al (2022). Myostatin: a multifunctional role in human female reproduction and fertility-a short review. Reproductive Biology and Endocrinology 20:96.

 

Proteína de unión a vitamina D y secreción de glucagón

El glucagón es la principal hormona contra reguladora que previene la hipoglucemia inhibiendo la secreción de insulina e incrementado la producción endógena de glucosa. Como el segundo tipo de células más abundante en los islotes de Langerhans, las células alfa son la principal fuente de (pro) glucagón y trabajan en cooperación con las células beta que secretan insulina y las células delta que secretan somatostatina en el control de la homeostasis de la glucosa.  Durante la diabetes tipo 2 (T2DM) y diabetes tipo 1 (T1DM), la función de las células alfa es desregulada, provocando inapropiada secreción de glucagón, exacerbación de los niveles sanguíneos de glucosa y alteración de la respuesta contra reguladora. Por otra parte, la hipersecreción de glucagón y la alteración de la contra regulación contribuyen a la insuficiencia de células beta y al desarrollo de T2DM. El gen GC/Gc en las células alfa codifica la proteína de unión a vitamina D (DBP), también conocida como globulina GC, es  considerada el mayor transportador de metabolitos de vitamina D en la circulación sanguínea. Sin embargo, la DBP es una proteína multifuncional que se une a ácidos grasos y activa macrófagos.

   Los islotes pancreáticos controlan la glucemia a través de una secreción muy coordinada  de hormonas. La hiperglucemia estimula a las células beta para secretar insulina, la captación de glucosa en el tejido muscular e inhibe la producción endógena de glucosa en el hígado, lo cual resulta en disminución de los niveles sanguíneos de glucosa hasta alcanzar la normoglucemia. En la medida que los niveles de glucosa continúan disminuyendo hasta llegar a la hipoglucemia, las células alfa comienzan a secretar glucagón, estimulando la glucogenolisis y la gluconeogénesis en el hígado, liberando glucosa a la circulación sanguínea como parte de la respuesta contra-reguladora. El control de la secreción de glucagón opera a través de rutas dependientes de glucosa (endógenas) y rutas independientes de glucosa (exógenas).

   Las células alfa expresan varios canales iónicos que en conjunto contribuyen a la despolarización de la membrana, entrada de iones y exocitosis. Con baja concentración de glucosa (1mM), los canales de K⁺ sensibles a ATP (K_ATP) son moderadamente activos, provocando un potencial de membrana de -60 mV. Esta despolarización es suficiente para abrir canales de Ca²⁺ tipo T, despolarizar la membrana a -40 mV y activar canales de Ca²⁺ tipo L, tipo N, tipo P/Q y canales de Na+. La apertura de estos canales de Ca²⁺ activados por voltaje permite la entrada de Ca²⁺ al citoplasma, generando potenciales de acción para disparar la exocitosis de glucagón. Por el contrario, el aumento en los niveles de los niveles sanguíneos de glucosa incrementa la relación ATP/ADP causando el cierre de los canales de K_ATP. Esta despolarización provoca la inactivación parcial de los canales de Na+ deprimiendo la amplitud del pico del potencial de acción, la activación de canales P/Q y, por tanto, inhibe la  secreción de glucagón.

   Otro mecanismo opera  de manera independiente de K_ATP vía canales de Ca²⁺ operados por almacenamiento (SOC). Con bajos niveles de glucosa, los SOC se abren, manteniendo un potencial despolarizante. Cuando los niveles de glucosa y ATP/ADP aumentan, el Ca²⁺ es secuestrado en el retículo endoplásmico vía Ca²⁺-ATPasa (SERCA), causando el cierre de los canales SOC y la repolarización de la membrana de la célula alfa. Esto provoca una baja frecuencia de potenciales de acción  y la inhibición de la secreción de glucagón. La concentración de glucosa en el rango de hipoglucemia incrementa los niveles de cAMP, el cual ejerce numerosos efectos sobre la función de la célula alfa, incluyendo liberación de Ca²⁺ de los depósitos intracelulares e incremento de la entrada de Ca²⁺ vía canales tipo L.  

   Los mecanismos paracrinos activados por los altos niveles de glucosa contribuyen a la inhibición de la secreción de glucagón. Las células alfa expresan receptores para insulina y somatostatina, los cuales son activados por las células beta y delta, respectivamente, suprimen la secreción de glucagón, disminuyen los niveles sanguíneos de glucosa y glucagón postprandial. Otros secretagogos de células beta incluyen zinc, amilina, GABA y 5-HT, los cuales inhiben la secreción de glucagón en grados variables. Por el contrario, el glucagón es un potente estimulador de la secreción de insulina. Por otra parte, el sistema nervioso parsimpático es un fuerte disparador de la liberación de glucagón vía mecanismos colinérgicos y no colinérgicos.

   El péptido similar a glucagón-1 (GLP-1) y el polipéptido inhibidor gástrico (GIP) ejercen efectos glucagonostático y glucagonotrópico, respectivamente. Los agonistas del receptor  de GLP-1 (GLP-1R) suprimen la secreción de glucagón, mientras aumentan la liberación de insulina de una manera dependiente de GLP-1R. El GLP-1R está ausente en las células alfa y los efectos de los agonistas son indirectos vía otros tipos de células de los islotes pancreáticos, aunque estudios electrofisiológicos han demostrado efectos directos del mismo GLP-1, posiblemente vía productos de degradación  que actúan  vía receptor de glucagón.

   La sensibilidad  de las células alfa a la glucosa está comprometida en  T2DM y la alteración de la secreción de glucagón exacerba la hiperglucemia, lo cual altera la función de las células beta.  La hiperglucagonemia persistente en el ayuno y el estado postprandial es comúnmente observada en diabetes, indicando pérdida de inhibición de células alfa en estados hiperglucémicos. Se ha sugerido que la hiperglucagonemia se debe al desarrollo de las células alfa de resistencia a la insulina y la hiperglucemia. Estudios recientes en células alfa humanas demuestran que  la glucosa (intrínseca) y las señales paracrinas (extrínseca) interactúan para regular la exocitosis de gránulos de glucagón y esta interacción se vuelve disfuncional durante la T2DM. Cambios en la masa de células alfa han sido reportados durante la diabetes con estudios en T1DM y T2DM que demuestran un incremento en la masa de células alfa. Los cambios en la masa de células alfa generalmente ocurren tempranamente en la progresión de la enfermedad.

   La GC, inicialmente aislada del hígado en 1959, es una proteína polimórfica del suero. En 1979, se demostró que une vitamina D y fue referida como DBP. Los estudios posteriores indican que la DBP está estructuralmente relacionada con la albúmina y la α-fetoproteína, con el gen GC como miembro de la familia de genes albúmina/α-proteína en el cromosoma 4. La DBP es el mayor transportador de metabolitos de vitamina D en suero. La principal forma circulante de vitamina D, 25(OH)D, muestra la más alta afinidad de unión por DBP, resultando en 85% de 25(OH)D unido a DBP, 15% unido a albúmina y menos del 1%  libre en la circulación sanguínea. La unión de 25(OH)D es fundamental para la endocrinología de la vitamina D con captación por endocitosis facilitada de 25(OH)D-DBP vía complejo megalina-cubilina, esencial para la síntesis renal de 1,25(OH)2D en los túbulos proximales.  Fuera de los riñones, un amplio rango de tejidos expresan megalina-cubilina y, por tanto, son capaces de adquirir metabolitos de vitamina D unidos a DBP vía captación por endocitosis. Sin embargo, la expresión de megalina-cubilina no es universal y se requieren otros mecanismos para la captación  de 25(OH)D y 1,25(OH)2D en muchas células. La hipótesis de hormona libre describe la hormona no unida como la fracción biodisponible para la captación celular. La naturaleza lipofílica de  los metabolitos de vitamina D no unidos a DBP permite la libre difusión a través de la membrana plasmática para alcanzar blancos intracelulares como la enzima 25-OHD-1 α-hidroxilasa (CYP27B1) o l receptor nuclear de vitamina D (VDR). La DBP también se une a G-actina y ácidos grasos. Adicionalmente, una forma desglucolsilada de DBP puede actuar como factor activador de macrófagos.  El complejo DBP-macrófago activa macrófagos y células relacionadas, como los osteoblastos, y juega un rol en la inflamación y remodelación ósea.

   En humanos, la DBP está compuesta por 458 aminoácidos con tres dominios α-hélices. El dominio I contiene la región de unión de vitamina D, mientras la unión de G-actina ocurre entre los dominios II y III, sugiriendo que la G-actina no compite con la unión de vitamina D. La DBP también se une a  grasas monoinsaturadas, poliinsaturadas y saturadas.  La DBP también tiene un rol en la morfología de las células alfa. La pérdida de DBP provoca alteración de la morfología, función y liberación de glucagón  por las células alfa y puede representar un marcador de inicio tardío de T1D. La DBP está presente en los gránulos de glucagón en células alfa humanas, también actúa  directamente sobre filamentos de actina cerca de la membrana plasmática. Se especula que la DBP es liberada en el espacio extracelular con glucagón en respuesta a bajos niveles de glucosa, donde puede ejercer efectos paracrinos sobre poblaciones de células vecinas o efectos autocrinos sobre las mismas células alfa. La DBP también es expresada en las células delta de los islotes pancreáticos.

   Los patrones de expresión de genes en los tejidos demuestran que GC es expresada predominantemente en el hígado, con los islotes pancreáticos como un órgano con una significativa expresión de GC.

En conclusión, el glucagón juega un rol importante contra la acción  de la insulina, incrementando la producción endógena de glucosa y balanceando los niveles de glucosa. La DBP es un importante contribuyente de la liberación de glucagón. Conocida primariamente por sus propiedades  de unión a vitamina D y otros sustratos como actina y ácidos grasos, la DBP tiene un rol multifuncional. Durante los estados de enfermedad, las células alfa responden inapropiadamente al estímulo, provocando un desregulación de la secreción de glucagón, alteración de la tolerancia a la glucosa e hipoglucemia. La pérdida de DBP provoca células alfa más pequeñas e hiperplásticas que secretan menos glucagón a pesar de contar con suficiente vitamina D. Las células alfa que carecen de DBP exhiben alteración de los flujos de Ca²⁺ y la conductancia de Na⁺, así como cambios en la distribución de los gránulos de glucagón.

Fuente: Viloria K et al (2022). Vitamin D binding protein/GC-globulin: a novel regulator of alpha cell function and glucagon secretion.  Journal of Physiology  600:1119-1133.

 

Triptófano microbiota intestinal y sistema inmune

La microbiota intestinal, además de sus funciones simbióticas regulando el tono inflamatorio e inmunológico del huésped, y la prevención del sobre crecimiento de microbios peligrosos como el Clostridium difficile, es un órgano endocrino. La microbiota intestinal produce un rango de metabolitos que interactúan con receptores específicos, alterando el fenotipo del huésped. Una ruta clave de interés en este contexto es la producción de metabolitos del triptófano por el huésped o la microbiota intestinal.

   Los bajos niveles de triptófano y el incremento en enzimas relacionadas con el triptófano [indolamina 2,3-dioxigenasa 1 y 2, (IDO1 e IDO2) y triptófano 2,3-dioxigenasa (TDO)]. En la enfermedad hepática grasa no alcohólica (NAFLD), particularmente los metabolitos de la ruta indol convertidos por la microbiota intestinal reducen la inflamación vía ruta NFκB mientras otros metabolitos reducen la producción de citoquinas como IL-22 y modulan el sistema inmune.

   El triptófano es uno de los nueve aminoácidos esenciales y se encuentra en abundancia relativa en pollo, leche, nueces y bananas. La ingesta promedio de triptófano en adultos es de aproximadamente 900-1000 mg/día. El triptófano es un aminoácido aromático con un anillo benceno en su cadena lateral, el cual específicamente consiste en un indol. El catabolismo del triptófano tiene tres rutas principales: la ruta kinurenina, la cual representa 90-95% del metabolismo del triptófano, la ruta serotonina/melatonina, la cual  es 1-2% del metabolismo y la ruta indol que representa el 5% del metabolismo de triptófano. El triptófano es absorbido en la membrana apical del intestino delgado por ATBO+ (SLC6A14, un simporter que usa 2Na+/1Cl-) y BOAT1 (SLC6A19, un simporter que usa 1Na+) y es excretado en la circulación porta vía membrana basolateral por TAT1 (SLC16A10, un uniporter) o LAT1-4F2hc (SLC7A5-SLC3, un antiporter) y LAT2-4F2hc (SLC7A8-SLC3A2, un antiporter). Una vez absorbido en la circulación sanguínea, el triptófano es el único aminoácido que se une a la albúmina (75-90%). Los factores que influyen negativamente la cantidad de triptófano unido a la albúmina son bajas concentraciones de albúmina, ciertas drogas y ácidos grasos no esterificados. Los mismos transportadores de aminoácidos que están localizados en el intestino también están presentes en el riñón. El triptófano que no es absorbido en el intestino delgado es usado como fuente de energía para la microbiota en el colon o es metabolizado por la ruta indol, la síntesis de serotonina y  una pequeña porción de la ruta kinurenina extrahepática.

   La ruta kinurenina es la principal ruta catabólica del triptófano. Una vez absorbido en la circulación sanguínea, aproximadamente 90% del triptófano es metabolizado por IDO1, IDO2 y TDO en N-formilkinurenina. Esta es la primera etapa de la ruta kinurenina, resultando en la producción de nicotinamida adenina dinucleotido (NAD), kinurenina, ácido kinurénico (KA), ácido xanturénico (XA), ácido picolínico (PA) y ácido antranílico (AA). La TDO es expresada principalmente en el hígado, pero también en cerebro y su actividad es regulada al alza por los corticoesteroides. Algunas especies bacterianas como Pseudomonas Aeruginosa expresan TDO. La TDO tiene alta afinidad por el triptófano y convierte exclusivamente triptófano. La IDO tiene afinidad por múltiples sustratos y es expresada en células epiteliales y endoteliales, monocitos, macrófagos y células de músculo liso vascular.

   El triptófano de la dieta que no es absorbido es transportado hacia el colon. Aquí, la ruta indol es regulada por la microbiota intestinal y resulta en diferentes índoles como indol-3-acetato (IA), indol-3-propionato (IPA) y 3-metilindol. Las enzimas involucradas en formar estos metabolitos son producidas por diferentes bacterias intestinales como Clostridium spp, Bacteroides spp y Peptostrestococcus. Sin embargo, la conversión de indol a indol sulfato ocurre en el hígado y es mediada por citocromo P450 y sulfotransferasa. Metabolitos como triptamina (TRP). 3-metilindol (3MI),  indol-3-acetaldehído, IA, indol-3-aldehído, ácido indol acrilíco, kinurenina, KA, XA y ácido 5-hidroxindolacético (5-HIAA) están ligados a AhR. El AhR es expresado a través del cuerpo, pero los niveles más altos se encuentran en intestino, pulmón y piel para regular el sistema inmune a través de varios mecanismos como regulación de la diferenciación de células Th17 y células Treg. Por otra parte, indol e indol-3-acetamida son antagonistas de PXR, el cual es abundantemente expresado en el hígado. Este receptor intracelular está involucrado en la regulación hacia abajo de la gluconeogénesis y el metabolismo de lípidos así como la regulación inmune disminuyendo la inflamación vía supresión de la ruta NFκB.

   La tercera ruta de degradación del triptófano provoca la formación de serotonina y melatonina. La mayoría de serotonina (95%) es producida en el tracto gastrointestinal por las células enterocromafines donde el triptófano es convertido en 5-hidroxitriptófano por la triptófano hidroxilasa 1 (TPH1), y posteriormente en serotonina por la descarboxilasa de aminoácidos aromáticos. El eje microbiota intestinal-cerebro juega un rol importante en la regulación de la síntesis de serotonina. A partir del tracto gastrointestinal, la serotonina es transportada vía plaquetas a diferentes sitios periféricos como hígado y sistema cardiovascular. La síntesis de serotonina también tiene lugar en varias células como células inmunes (células T, células B, monocitos y macrófagos) y células β pancreáticas. Los efectos de la serotonina periférica dependen de los  diferentes receptores capaces de unirse a ella.   La restante producción de serotonina ocurre en los núcleos del rafe localizados en el tallo cerebral. Como la serotonina no puede cruzar la barrera hemato-encefálica (BHE), la producción de serotonina depende del triptófano captado a través de la BHE, el cual en parte es regulado por las concentraciones de otros aminoácidos neutros (fenilalanina, valina). La etapa final en la ruta serotonina es la síntesis de melatonina principalmente en la glándula pineal, pero también en otros sitios como hígado, tracto gastrointestinal y piel.

   El triptófano y sus metabolitos atenúan el sistema inmune de diferentes maneras y, por tanto, están involucrados en varios mecanismos patológicos en enfermedades metabólicas. Un estudio reciente reporta que una alta relación kinurenina/triptófano está asociada con alta mortalidad en diabetes mellitus  tipo 2 (T2DM). En ratas se demostró que múltiples enzimas involucradas en la ruta kinurenina son expresadas en las células β pancreáticas, pero el rol fisiológico no ha sido descrito. En ratones, el triptófano (y la fenilalanina) se unen al receptor GPR142, un receptor acoplado a proteína G con alta expresión en células pancreáticas e intestino y, por tanto, podría modular la secreción de insulina y péptido similar a glucagón-1 (GLP-1). El estado pro-inflamatorio induce la actividad IDO incrementado la actividad de la ruta kinurenina mientras disminuye la formación de metabolitos de indol. Por otra parte,  la disminución de triptófano y el incremento de la relación kinurenina/triptófano está asociada con la severidad de la ateroesclerosis, indicando que el incremento en la actividad IDO está relacionado con este estado de inflamación de bajo grado. Un estudio reciente investigó el efecto de los antibióticos en el desarrollo de la ateroesclerosis en ratones. La administración de antibióticos resultó en una disminución de Bacteroidetes y Clostridia especies, las cuales están asociados con el metabolismo del triptófano en el intestino y la reducción de estas especies está relacionada con una disminución de metabolitos del triptófano derivados del intestino.

   En conclusión, el metabolismo del triptófano constituye una compleja red de humano y metabolitos de la microbiota intestinal interactuando con varios procesos fisiológicos y patológicos. Estas interacciones son de vital importancia para la respuesta inmunológica, la fibrosis, el control glucémico,  el metabolismo de lípidos y la homeostasis hormonal. Las tres principales rutas del metabolismo del triptófano (kinurenina, indol y serotonina/melatonina) resultan en metabolitos como kinurenina, ácido xanturénico, ácido índole-3-propiónico y serotonina/melatonina. La ruta kinurenina es regulada por la indolamina 2,3 dioxigenasa (IDO), una enzima que es regulada al alza por moléculas pro-inflamatorias como INF, IL-6 y LPS. La alta actividad de IDO está relacionada con incremento de la inflamación y la fibrosis en la NAFLD. La actividad IDO es un regulador clave en estos procesos y hay un desvío activo que incrementa los metabolitos kinurenina y disminuye los metabolitos indol.

Fuente: Teunis C et al (2022). Interactions between tryptophan metabolism, the gut microbioma and the inmune system as potential drives of non-alcoholic fatty liver disease (NAFLD) and metabolic diseases. Metabolites: 12514.

 

Roles de los osteocitos en el metabolismo de fosfato

Los osteocitos, células terminalmente diferenciadas de los osteoblastos, son células dendríticas embebidas en la matriz ósea mineralizada. Aunque los osteocitos son los más abundantes entre todas las células del hueso, su localización e inaccesibilidad ha retardado el entendimiento de su función a nivel molecular. La evidencia indica que los osteocitos juegan roles importantes en la homeostasis ósea. Ellos producen esclerotina, un potente supresor de la formación de hueso.

   El fosfato es un nutriente esencial que media la mayoría de procesos fisiológicos. El factor de crecimiento de fibroblasto 23 (FGF23) funciona como regulador central del metabolismo de fosfato en los mamíferos y es producido principalmente por los osteocitos. Además del FGF23, otras moléculas responsables de la homeostasis del fosfato son expresadas en los osteocitos, incluyendo endopeptidasa del gen regulador de fosfato en el cromosoma X (PHEX), proteína de la matriz de dentina 1 (DMP1), y el miembro C de la familia consecuencia similar 20 (FM20C), los genes responsables de la hipofosfatemia hereditaria.

   Los osteocitos constituyen 90-95% de las células óseas en el hueso adulto y tienen la mayor duración de vida. En el proceso de la osteocitogénesis, una subpoblación de osteoblastos productores de matriz en la superficie ósea, los cuales son embebidos en proteínas de la matriz, producen y se diferencian en osteocitos con una  disminución en la producción de matriz ósea, marcados cambios en morfología y la expresión de genes que constituyen la firma de  osteocitos. Aproximadamente 5-20% de los osteoblastos maduran en osteocitos, mientras el resto mueren por apoptosis o forman parte de las células de la superficie. Durante la maduración de osteoblastos en osteocitos, la morfología de la célula cambia a una forma estrellada con procesos largos. Los osteocitos residen en lagunas con matriz ósea mineralizada e interconectados unos con otros  en la superficie ósea por sus largos procesos citoplasmáticos a través de canalículos. Un osteoblasto diferenciado en osteocito adquiere la expresión de moléculas que regulan la homeostasis ósea y el metabolismo de fosfato.

   Los osteocitos embebidos en la matriz ósea son sensores de señales mecánicas y regulan la formación de hueso y la resorción ósea. La esclerostina, codificada por el gen SOST, es secretada por los osteocitos y suprime la formación de hueso. La esclerostina se une a la proteína relacionada con el receptor de lipoproteína de baja densidad 5 (LRP5) y LRP6 para inhibir la señal Wnt/β- catenina, la cual juega un rol crítico en el control de la masa  ósea promoviendo células progenitoras y diferenciación de osteoclastos. La señal mecánica suprime la expresión de esclerostina, lo cual promueve la formación de hueso por aumento de la señal Wnt/β-catenina. El canal mecano-sensor Piezo1está involucrado en la supresión de SOST por fuerza mecánica. Los efectos anabólicos de la hormona paratiroidea (PTH) también son mediados por la regulación a la baja de SOST. Los osteocitos también regula la resorción ósea produciendo RANKL. Por tanto, los osteocitos juegan roles críticos en la homeostasis ósea controlando la formación de hueso y la resorción ósea en la vida postnatal.

   Como los osteoblastos maduran en osteocitos, ellos adquieren la expresión de varias moléculas involucradas en la homeostasis de fosfato, incluyendo los genes responsables de enfermedades hipofosfatémicas hereditarias. La alta expresión de estas moléculas indica que los osteocitos juegan roles esenciales en la regulación del metabolismo del fosfato y en el control de la masa ósea. El FGF23 es un regulador clave del metabolismo de fosfato, consiste en 251 aminoácidos incluyendo una secuencia señal amino-terminal de 24 aminoácidos. Es producido principalmente por los osteocitos y ejerce sus efectos en órganos distantes como los riñones. Su función endocrina es conferida por su baja afinidad de unión a heparina/heparan sulfato. En los riñones, blanco principal del FGF23, incrementa la excreción de fosfato reduciendo la expresión de los co-transportadores sodio/fosfato (Na+/Pi) tipos IIa y IIc (designados  como NaPi-IIa y NaPi-IIc, respectivamente). Adicionalmente, el FGF23 reduce la producción de 1,25-dihidroxivitamina D  [1,25(OH)₂D], un metabolito activo de la vitamina D, mediante la supresión de la expresión de 25-hidroxivitamina D 1α-hidroxilasa e induciendo la 24-hidroxilasa, la cual provoca la disminución de la absorción de fosfato en los intestinos.  El FGF23 requiere una proteína transmembrana, αkloto, como un co-receptor para la transcripción de la señal a través del receptor FGF (FGFR). El FGF23 es inactivado por acción proteolítica entre Arg179 y Ser¹⁸⁰. Esta acción es prevenida por la O-glucosilación de FGF23 en Thr¹⁷⁸, un proceso que es mediado por UDP-N-acetil-D-Galacosamina: polipéptido N-acetilgalactosamiltransferasa 3 (GalNacT3).

   PHEX, DMP1 y FAM20C son altamente expresados en los osteocitos. Las variantes inactivantes de estos genes causan sobre producción de FGF23 en los osteocitos. Por lo que se considera que funcionan como reguladores negativos locales de la producción de FGF23 en los osteocitos. El gen PHEX es responsable del raquitismo hipofosfatémico relacionado con  el cromosoma X (XLH), la forma más común de hipofosfatemia hereditaria. El DMP1 codifica una proteína de la matriz extracelular perteneciente al ligando de unión a integrinas, familia de glucoproteínas unidas a N (SIBLING) y sus variantes inactivantes causan raquitismo hipofosfatémico recesivo autosómico tipo 1 (ARHR1). En humanos, la displasia osteoglofónica causada por variantes inactivantes de FGFR1 a menudo está asociada con hipofosfatemia debida a los elevados niveles de FGF23. El gen FAM20C codifica  una quinasa secretada que  fosforila un amplio rango de sustratos incluyendo FGF23 y proteínas de la familia SIBLING como DMP1.  El FAM20C fosforila directamente al FGF23 en Ser180, lo cual inhibe la O-glucosilación del FGF23 por GalNAc-T3. Por tanto, la inactivación de FAM20C puede incrementar los niveles del FGF23 intacto reduciendo su degradación enzimática.

   La esclerostina también puede funcionar como un regulador local de FGF23, lo cual sugiere una conexión entre las dos funciones importantes de los osteocitos: el control de la masa ósea y la regulación del metabolismo de fosfato. La liberación en la circulación sanguínea  de FGF23 producido por los osteocitos es acelerada en asociación con la resorción ósea. Además de los reguladores locales, la producción de FGF23 por los osteocitos es influenciada por varios factores sistémicos, de los cuales el principal parece ser el 1,25-(OH)₂D que incrementa la expresión de FGF23 en células  del linaje osteoblasto a través de la transactivación de su gen mediada por el receptor de vitamina D (VDR). La PTH también estimula la producción de FGF23. El mismo fosfato  regula la producción de FGF23 en los osteocitos.

    Estudios recientes demuestran que la señal insulina suprime la producción de FGF23 por los osteocitos a través de la activación de la ruta ATK y la inhibición de las rutas  forkhead box proteína 1 (FOXO1) y mTORC1. Por otra parte, la deficiencia de hierro incrementa la producción de FGF23 a través de la transactivación del gen mediada por el factor inducible por hipoxia 1α (HIF1α). La activación de la ruta HIF promueve la producción de la hormona eritropoyetina, la cual incrementa la producción de FGF23. Niveles aumentados de FGF23 en suero pueden ser observados en pacientes con enfermedades inflamatorias y varias citoquinas pro-inflamatorias como factor de necrosis tumoral α, IL-1β e IL-6 incrementan la expresión de FGF23.

   Los niveles de fosfato en suero son mayores en niños que en adultos, lo cual puede deberse a la alta necesidad de fosfato para el crecimiento del esqueleto y tejidos blandos. Para mantener la homeostasis de fosfato, los organismos necesitan sensores de niveles internos y ambientales de fosfato. La respuesta de las células a los elevados niveles de fosfato extracelular indica que la disponibilidad de fosfato es detectable por las células a nivel individual. Las glándulas paratiroides también responden a los niveles extracelulares de FGF23 alterados. La secreción de PTH es estimulada por fosfato y un estudio reciente sugiere que este proceso es mediado por una acción directa del fosfato sobre el receptor sensor de calcio. El receptor sensor de calcio puede funcionar como un sensor de fosfato en las glándulas paratiroides.

   En conclusión, los osteocitos embebidos en la matriz ósea mineralizada juegan roles centrales en la regulación del metabolismo de fosfato y el control de la masa ósea. Ellos controlan la formación de hueso y la resorción ósea produciendo esclerostina y RANKL, respectivamente. El FGF23 producido principalmente por los osteocitos, funciona como un regulador clave de la homeostasis de fosfato, incrementa la excreción renal de fosfato y disminuye la síntesis de 1,25(OH)₂D. La producción de FGF23 por los osteocitos es influenciada por múltiples factores locales y sistémicos. Los niveles de fosfato en suero son mayores en niños debido a las altas necesidades de fosfato durante el crecimiento. Como los osteocitos gobiernan la homeostasis de fosfato, ellos pueden ser responsables de sensar la disponibilidad de fosfato en el cuerpo entero.

Fuente: Michigami T (2022). Roles of osteocytes in phosphate metabolism. Frontiers in Endocrinology  13: 967774.