Circuitos neuroendocrino-inmunes

La moderna biología integrativa  enfrenta la tarea de integrar múltiples sistemas fisiológicos y genéticos con el uso de disciplinas como la endocrinología, la neurociencia, la inmunología, la genética, la biología celular y la biología molecular.  La coordinación entre múltiples sistemas  fisiológicos es compleja. Por ejemplo, las amenazas ambientales  pueden alterar el circuito de neuroendocrino-inmune-conducta disparando el eje hipotálamo-hipófisis-adrenal (HHA) y el sistema nervioso simpático para la liberación por las glándulas suprarrenales de glucocorticoides y catecolaminas en la circulación. Estas hormonas,  a su vez, regulan al sistema inmune  en el cuerpo.  Las diferentes respuestas del sistema inmune optimizan la supervivencia, los mecanismos que subyacen al efecto de los glucocorticoides no son uniformes y varían  en relación con la magnitud  y duración del estresor así como  también con relación a la historia de vida  y la conducta del animal estresado.

El reconocimiento de las interacciones neuroendocrino-inmunes (NEI) comienza con la investigación biomédica de los inicios del siglo XX, inicialmente con interacciones neuroendocrinas básicas.  Cuatro décadas de investigación neuroinmunológica por Hugo Besodovsky y colaboradores  proporcionan el soporte de las interacciones entre los sistemas neuroendocrino e inmune. En 1975, Robert Ader y Nicholas  Cohen demostraron  el condicionamiento conductual del sistema inmune de ratas, lo cual proporcionó una fuerte evidencia que el sistema nervioso puede afectar directamente el funcionamiento inmune. En 1994, Edwin Blalock propuso un rol inmunoregulador para el cerebro y una función sensorial (“el sexto sentido”) para el sistema inmune.  Las interacciones NEI en animales vertebrados e invertebrados  es un área de investigación reciente que comienza a recibir mucha atención  desde una perspectiva comparativa.  Aunque este enfoque comparativo ha sido abordado principalmente en vertebrados, investigaciones recientes en invertebrados demuestran que los dos grupos de animales poseen mecanismos análogos para coordinar las interacciones NEI y la homeostasis. Estos hallazgos han disparado los campos de la ecoinmunología y la psiconeuroendocrinología (PNE).  Específicamente, la ecoinmunología es un campo integrativo que involucra el entendimiento de los factores  que regulan la variación de inmunidad en contextos ecológicos  y comparativos. Por su parte, la PNE es el estudio  de las interacciones entre los procesos fisiológicos  y los sistemas nervioso e inmune, con particular énfasis en la salud y la enfermedad humanas.  Tres áreas  de investigación han recibido significativa atención en los campos  de la ecoinmunología y la PNE: (1) eje HHA e inmunidad, (2) modulación de la conducta en la enfermedad, (3) señales metabólicas e inmunidad. 

El sistema endocrino y sus conexiones con el sistema nervioso son regulados por impulsos  del sistema inmune y viceversa. Las interacciones NEI involucran un esquema multi-direccional que es mediado por factores extrínsecos (factores ambientales, sociales) e intrínsecos (resistencia/tolerancia a la enfermedad, homeostasis  y alostasis, estatus reproductivo, conducta). Las interacciones de primer orden  involucran: (1) interacciones directas entre los sistemas nervioso e inmune (inervación simpática del tejido inmune, activación  de microglia o núcleos específicos en el cerebro a partir de citoquinas), (2) interacciones endocrino-inmune (regulación hormonal de la inmunidad, activación de células endocrinas por citoquina/quimioquina), (3) interacciones clásicas  entre los sistemas nervioso y endocrino (activación y modulación  de la unidad hipotálamo-hipófisis, neuromodulación por hormonas). Las interacciones de segundo orden involucran  conexiones de  los tres sistemas para producir un efecto fisiológico.   Estas interacciones sostenidas  involucran un alto grado  de coordinación  para generar fenotipos neuroendocrino-inmune complejos. Actualmente, hay evidencia de la integración completa de las interacciones NEI en una variedad de especies.

La supervivencia  de un organismo está determinada por la capacidad de células, tejidos y órganos para comunicarse unos con otros para mantener  funciones como reproducción y crecimiento. Un componente primario de esta red  es el modo de comunicación  en la forma de señales biorreguladoras: neurotransmisores, hormonas clásicas  y citoquinas/quimioquinas.  Los otros componentes necesarios son los receptores que se unen a estos mediadores químicos en células, tejidos y órganos. La modulación de la respuesta puede ocurrir a nivel de la producción de señal o a nivel de receptores. Más aún, estos biorreguladores y receptores no están atados a un solo sistema fisiológico. Por ejemplo, las células inmunes responden a estimulación hormonal y neural y tienen la capacidad  para producir hormonas y neurotransmisores mientras las células endocrinas poseen receptores para citoquinas y neurotransmisores. Por otra parte, las microglias del SNC secretan citoquinas y tienen efectos en las respuestas neuroinflamatorias  en el cerebro y en la conducta. Asimismo, una variedad de células endocrinas responden a citoquinas/quimioquinas solubles, lo cual permite la regulación fina de otros procesos fisiológicos durante la estimulación inmune.

La homeostasis es la capacidad  de los organismos para mantener la estabilidad interna aun en una situación de cambio ambiental. Las asas de retroalimentación  NEI actúan manteniendo la homeostasis  a través de retroalimentación negativa, es decir,  moléculas efectoras producidas a partir de cascadas NEI de retroalimentación para inhibir su propia producción, Por el contrario, la retroalimentación positiva, involucra un proceso inestable donde el producto estimula la cascada NEI para generar más producto. El conocimiento de estos dos tipos  de retroalimentación  es crítico para entender la mayoría  de asas de retroalimentación, incluyendo las interacciones NEI. En un nivel básico, un circuito simple es una ruta cerrada a través de la cual fluyen las señales. Un circuito eléctrico básico  incluye (1) una fuente de voltaje (batería), (2) la carga (el trabajo hecho por el circuito), (3) una ruta de conducción  (la ruta a través de la cual se mueven los electrones). Un circuito cerrado forma un asa, del lado negativo al lado positivo de la fuente de voltaje. ¿Son los circuitos NEI similares a los circuitos eléctricos? Los componentes mayores de un circuito eléctrico también se observan  en los circuitos NEI. Por ejemplo, las células endocrinas, inmunes y/o neurales que producen señales  biorreguladoras (hormonas, citoquinas, neurotransmisores) actúan como la fuente de voltaje. De manera similar, el efecto fisiológico acumulado resulta  de la unión de receptores a estas señales químicas (liberación de otro biorregulador, transducción de señal y/o efecto fisiológico) podría representar la carga. La ruta conductiva  podría ser local (autocrina, paracrina) o  sanguínea (endocrina) donde las señales químicas alcanzan las células /tejidos blancos.

En un esquema simplificado,  es posible distinguir dos tipos de circuitos en las interacciones NEI. (1) Interacciones de asa larga y (2) interacciones locales.  Las interacciones de asa larga incluyen procesos que involucran señales a través  de sistemas de múltiples órganos. Por ejemplo, un inmunógeno que  estimula el sistema inmune provoca la producción  de citoquinas proinflamatorias en varias células inmunes (por ejemplo, macrófagos),  que a su vez afectan estructuras neuroendocrinas distantes. Por el contrario, las interacciones locales involucran  NEI dinámicas  que ocurren en el mismo tejido u órgano (cerebro, órgano inmune, etc). Una  aplicación de esta diferencia se observa con la acción de los esteroides, los esteroides locales  pueden producir efectos diferentes  a los esteroides sistémicos.  En ratones neonatos, las concentraciones locales de corticosterona son elevadas en timo, hígado, bazo y/o cerebro con relación a los niveles circulantes. La corticosterona derivada de órganos linfoides no es producida de novo  a partir del colesterol, pero es regenerada a partir  de metabolitos adrenales, lo cual no altera los niveles circulantes  pues son usados metabolitos inactivos (11-deoxicorticosterona) con poca actividad glucocorticoide. Este mecanismo de regeneración permite mayores concentraciones locales de  glucocorticoides para  regular la selección de células T inmunocompetentes, mientras los niveles sistémicos son bajos para minimizar los efectos perjudiciales de la exposición  crónica de glucocorticoides durante el desarrollo.  Entonces, la relación entre glucocorticoides  y función inmune es alterada  dependiendo del circuito NEI empleado (asa larga (periférico) versus local). Las interacciones asa larga y corta  trabajan juntas para regular la homeostasis. Los principales impulsos  en el circuito general incluyen factores ambientales, interacciones sociales, así como patógenos, mientras las  salidas primarias  incluyen respuestas inmunológicas y cambios hormonales y conductuales. Las interacciones NEI locales ocurren en el cerebro así como interacciones autocrinas/paracrinas en varios tejidos inmunes. La desrregulación  en cualquiera de estos circuitos  puede provocar patología e incrementar la susceptibilidad a la enfermedad.

El fenotipo NEI es definido como las acciones colectivas de asas de retroalimentación NEI que regulan  la fisiología, la morfología y la conducta de un organismo.  El concepto de interacciones NEI distintas y predecibles frente a situaciones patogénicas o factores ambientales /sociales ha dado lugar a la hipótesis  que en las poblaciones ocurren múltiples fenotipos NEI. El ejemplo clásico de  fenotipos NEI involucra  ratas Lewis y Fischer (F344). Estas dos cepas de ratas exhiben susceptibilidad opuesta a enfermedades autoinmunes y tumores, lo cual ha sido relacionado con alteración de la función del eje HHA. Específicamente, las ratas Lewis presentan mayor respuesta Th1-proinflamatoria, son más vulnerables a la disfunción inflamatoria y autoinmune y exhiben menores niveles de glucocorticoides que las ratas Fischer.  En una población de humanos sanos, la concentración de adrenalina (pero no de cortisol u hormonas sexuales) se correlaciona inversamente  con la producción de citoquinas proinflamatorias y se han identificado dos fenotipos: sujetos de baja versus alta respuesta. Los estudios recientes  sugieren que las interacciones NEI no son estáticas y exhiben plasticidad para acomodarse a los cambios en el ambiente. Adicionalmente, hay que considerar el tiempo y la duración de las interacciones NEI. El ejemplo de glucocorticoides e inmunidad ilustra este punto. La elevación  en glucocorticoides inducida por el estrés  puede alterar significativamente casi todos los componentes  de la función inmune (proliferación celular, producción de citoquinas, producción de anticuerpos y defensa inmune innata), pero el tiempo es crítico.

Si los circuitos NEI involucran la regulación precisa de múltiples sistemas fisiológicos, es posible  que los fenotipos NEI tiendan a coincidir  con conductas específicas. En este contexto, es bien conocido que la conducta, alterando la fisiología del huésped, puede influir  en la transmisión  de enfermedades  así como en la susceptibilidad a las infecciones. Estos dos efectos pueden exhibir variaciones pues muchos aspectos  de la conducta reproductiva y social del huésped  son regulados por mediadores endocrinos, como andrógenos y glucocorticoides, los cuales a su vez regulan interacciones entre conducta y fisiología. Los cambios conductuales resultan en modulación inmune y cambios simultáneos  en los perfiles endocrinos. Por otra parte, la estimulación de un circuito NEI por infección o inmunógenos puede producir  cambios adaptativos  en la conducta que colectivamente son llamados conducta de enfermedad. Entonces, la conducta afecta las interacciones NEI y viceversa.  Los ratones  de laboratorio (Mus musculus) son animales sociales que han sido usados para demostrar los efectos conductuales de las interacciones NEI. Los machos que son agresivos exhiben mayores niveles  circulantes de corticosterona y desarrollan parasitemia más tempranamente  que los machos menos agresivos, indicando que un alto estatus social puede incrementar la susceptibilidad a la enfermedad. Las interacciones inmune-conductual pueden ocurrir en ausencia de infección. Aunque las citoquinas proinflamatorias, como IL-1 y TNF, están asociadas con el desarrollo de una  respuesta inflamatoria, hay creciente videncia  que estas citoquinas juegan un rol en la mediación de procesos  fisiológicos y conductuales  en animales sanos. Por ejemplo, la secreción de citoquinas está relacionada con ritmos biológicos  y el ciclo sueño/vigilia y la pérdida experimental de sueño provoca la inducción  de una  respuesta proinflamatoria en cerebro y tejidos periféricos. A nivel crónico, las citoquinas proinflamatorias provocan el desarrollo  de una variedad de desordenes  en humanos, incluyendo depresión.

Las diferencias sexuales  en la inmunidad  han sido reconocidas  como importantes contribuciones  a las variaciones en y entre las especies. Una  de las hipótesis más controversiales  debatidas  entre  los ecologistas conductuales  y los biólogos evolucionistas es la de la desventaja inmunocompetente (ICHH) formulada por Folstad  y Karter  en 1992.  Esta hipótesis emplea las interacciones NEI para explicar  como se imponen algunas características seleccionadas sexualmente en vertebrados machos. Estas interacciones involucran efectos de la testosterona sobre la fisiología y la morfología.  Por una parte, la testosterona suprime el sistema inmune de una manera obligada (el costo o desventaja). Por otra parte, la testosterona actúa aumentando la calidad  de algunas características seleccionadas sexualmente importantes para la escogencia femenina (el beneficio). Varios años más tarde, se estableció  que la naturaleza obligada de la inmunosupresión por la testosterona podría ser evadida   a través de una mutación que provoca resistencia a la testosterona. En respuesta a este hallazgo, la hipótesis ICHH original fue revisada  para señalar que la inmunosupresión por testosterona  es una respuesta adaptativa. El circuito ICHH original fue modificado para acomodar  conexiones entre  los ejes HHA e HHG, así como también un rol de la disponibilidad de energía en la mediación  de la relación entre inmunidad y señales sexuales.

La respuesta del huésped a un patógeno involucra respuestas celulares y humorales que incluyen proliferación de linfocitos, tráfico de monocitos, aumento de la producción de citoquinas y anticuerpos y cambios fisiológicos y conductuales  que permiten al huésped  sobreponerse a la infección. Los cambios fisiológicos incluyen la activación del eje HHA, supresión del eje HHG, motilidad intestinal reducida, fiebre y liberación de proteínas de fase aguda por el hígado.  Este estado fisiológico alterado es a menudo llamado  respuesta de fase aguda (RFA) a la infección. Adicionalmente, la RFA se acompaña con síntomas conductuales no específicos como anorexia (reducción en la ingesta de alimentos), adipsia (sed reducida), anhedonia (incapacidad para sentir placer), hiperalgesia, conducta soporífera, actividad reducida, disminución de la libido y depresión.  En roedores, la RFA disminuye la ingesta de alimentos, pero no la conducta de acumular alimento, lo cual sugiere que las necesidades energéticas inmediatas están desacopladas con las demandas futuras durante una infección.

La idea  que la conducta de enfermedad  representa una defensa actual del huésped más que  un estado de debilidad fue demostrada por Matt Kluger y colaboradores en  1975.  Estos investigadores descubrieron que los animales ectotérmicos cuando son infectados  con bacteria elevan la temperatura corporal procurando un microambiente más caliente. Por ejemplo, las iguanas del desierto (Dipsosaurus dorsalis) tratadas con bacterias  tienen altas tasas de supervivencia  en ambientes cálidos y fríos, lo que sugiere que la termorregulación conductual  de la fiebre  tiene valor adaptativo. En 1988, Benjamin Hart proporcionó fuerte evidencia  que la conducta de enfermedad  es una estrategia  conductual adaptativa del huésped que redirige  energía a la fiebre  y defensas inmunes a expensas de otras conductas (reproductiva, social y búsqueda de alimento). Este tipo de circuito NEI involucra una serie  de interacciones de asas largas y locales que comienzan con la detección  de un antígeno por el sistema inmune. El reconocimiento  ocurre cuando  receptores Toll de macrófagos  y células dendríticas  se unen a moléculas presentes en la superficie de los microbios. Las células inmunes activadas  liberan citoquinas  proinflamatorias (IL-1β, IL-6 y TNF-α). Estas citoquinas promueven localmente  el reclutamiento de células inmunes, pero también  informan al cerebro y el hígado que la infección está ocurriendo  a través de rutas neurales y endocrinas. En respuesta, el cerebro induce cambios  metabólicos, hormonales y conductuales como fiebre, conducta de enfermedad, activación del eje HHA y supresión del eje HHG. Los glucocorticoides liberados por las adrenales actúan como un freno  de la activación  del sistema inmune  para prevenir que la RFA cause daño excesivo al cuerpo. Adicionalmente, los glucocorticoides  incrementan la gluconeogénesis y la lipólisis, lo cual moviliza energía  al sistema inmune. El estatus  de los depósitos de energía se vuelve más importante  a medida que progresa la activación inmune y es conducido por hormonas metabólicas como leptina y ghrelina. Los depósitos de energía muy bajos pueden provocar la terminación de la conducta  de enfermedad y la supervivencia disminuye  drásticamente una vez que la masa corporal (y los depósitos de energía) disminuyen por debajo de un umbral mínimo.

Un principio fundamental  de la ecoinmunología  es que  la respuesta inmune involucra costos energéticos que potencialmente afectan otros procesos fisiológicos como la reproducción, el desarrollo, el crecimiento y las señales sexuales. Es generalmente aceptado que se requiere un aporte de energía estable  para mantener las funciones biológicas y que la energía es un recurso limitado. Por lo tanto, la disponibilidad de energía  de los organismos debe ser estratégicamente distribuida entre los sistemas fisiológicos competitivos así  como para demandas futuras.  Por ejemplo, varios estudios han demostrado que un reto inmunológico puede incrementar la tasa metabólica y/o provocar  una disminución en la reproducción y/o crecimiento en una variedad  de vertebrados e invertebrados. Los mecanismos que subyacen a esta  distribución estratégica  de recursos son pobremente entendidos, pero ciertamente son mediados por interacciones NEI.  La leptina juega un importante rol en la mediación  de la homeostasis energética y representa una hormona clave  que proporciona una señal  que coordina procesos inmunes, neuroendocrinos y metabólicos. Codificada por el gen  ob, la leptina  es una hormona peptídica producida por los adipocitos que tiene efectos anorexigénicos sobre el apetito. Adicionalmente, la leptina ejerce acciones sobre la función inmune, la reproducción y el desarrollo. En mamíferos, las reducciones experimentales de tejido adiposo blanco por remoción quirúrgica (lipectomía) o de depósitos específicos de tejido adiposo blanco, alteran la producción de anticuerpos y la función inmune  es restaurada con el recrecimiento compensatorio  del tejido adiposo restante. Mientras la lipectomía  disminuye la leptina circulante por la remoción de la fuente de la hormona, la restauración de la señal leptina  a través del tratamiento  con hormona exógena  restaura la supresión inmune inducida por lipectomía, aun en ausencia  de incrementos  en la grasa corporal. Estas señales del estado energético  y no de la energía total per se, regulan la respuesta inmune de una manera dinámica.

En conclusión, el estudio de las interacciones neuroendocrino-inmunes  incrementa nuestro entendimiento  de cómo tres sistemas del cuerpo (inmune, endocrino y nervioso) coordinan actividades para  regular la homeostasis  frente  a cambios ambientales y sociales. Probablemente el ejemplo más obvio  de esta integración  es la respuesta al estrés, la cual juega un rol crítico en la mediación de la conducta, la inmunidad y la fisiología. Las interacciones neuroendocrino-inmunes  pueden ser conceptualizadas con el uso de una serie de asas de retroalimentación, las cuales culminan en distintos fenotipos neuroendocrino-inmunes. La conducta puede ejercer profundas influencias sobre estos fenotipos, los cuales  pueden a su vez modular recíprocamente  a la conducta.   Por ejemplo, los aspectos conductuales de la reproducción incluyendo la agresión y la conducta paternal,  pueden incidir sobre las interacciones neuroendocrino-inmunes. Un ejemplo clásico es la hipótesis de la desventaja inmunocompetente, la cual propone que las hormonas esteroides  actúan como mediadoras  de características importantes para la escogencia femenina  mientras suprime al sistema inmune. Recíprocamente, las rutas neuroendocrino-inmunes pueden promover el desarrollo  de estados conductuales alterados  como la conducta de enfermedad.

Fuente: Ashley NT, Demas GE (2017).  Neuroendocrine-immune circuits, phenotypes, and interactions.  Hormones and Behavior 87:25-34.

Sueño y metabolismo

El sueño y la vigilia  son dos conductas mutuamente  excluyentes.  El sueño es “un estado rápidamente reversible de inmovilidad  (conductual)  y una respuesta sensorial  grandemente reducida a los estímulos ambientales”. Estados similares  al sueño ocurren en vertebrados inferiores  y a través del reino animal, lo que sugiere un mecanismo ancestral fuertemente conservado, necesario para las necesidades primarias y esenciales. El sueño es importante para la maduración cerebral, los procesos cognitivos y el aclaramiento metabólico en el cerebro. El sueño depende  fuertemente de la actividad previa durante la vigilia y prepara al cerebro y al cuerpo para futuras acciones. El entendimiento  de los mecanismos neurobiológicos que subyacen  al control cerebral del ciclo sueño-vigilia  es limitado. El control del ciclo  sueño-vigilia es apoyado por distintas redes celulares (células neuronales y no neuronales) distribuidas  a través del sistema nervioso central (SNC). La “estabilidad” de este ciclo  es importante para el adecuado funcionamiento  y la supervivencia  de los organismos/especies.

En los mamíferos, los estados de vigilia, sueño sin movimientos oculares rápidos (NREN o sueño  de ondas lentas) y sueño con movimientos oculares rápidos (REM, algunas veces llamado sueño paradójico) se caracterizan por distintas señales en el electroencefalograma (EEG), el electromiograma (EMG) y el electrooculograma (EOG) y ciclos con  períodos ultradianos y circadianos. La vigilia se caracteriza por oscilaciones corticales de alta frecuencia/baja amplitud en el EEG, actividad muscular y movimientos oculares. Después de un período prolongado de vigilia, aumenta la presión de sueño, la cual refleja  un  proceso llamado  homeostasis del sueño y provoca el inicio  del sueño NREM. Las oscilaciones corticales  tanto globales como locales se caracterizan por ondas lentas  (<1 Hz), oscilaciones delta de alta amplitud (0,5-4 Hz) y haces (9-15 Hz) acompañados por baja actividad muscular y ausencia de movimientos oculares. El sueño REM  es un estado  con predominio de ondas teta (6-9 Hz) en el EEG, ausencia de tono muscular postural (solamente persisten sacudidas musculares), y fluctuaciones de la frecuencias cardiaca y respiratoria acompañadas por movimientos oculares rápidos. 

Aunque los mecanismos neurobiológicos que controlan la recurrencia de estos estados  a través de períodos de 24 horas no están claros, los estudios farmacológicos y (opto) genéticos sugieren que el inicio, mantenimiento y terminación de los estados de vigilia, sueño NREM y sueño REM dependen de excitación/inhibición entre los distintos circuitos distribuidos a través del sistema nervioso central (SNC). En particular, los datos revelan que la vigilia está asociada  con un incremento en la actividad de neuronas que expresan  hipocretina/orexina (Hcrt/ox) en el hipotálamo lateral (HL),  neuronas noradrenérgicas  del locus coeruleus (LC) en el tallo cerebral, neuronas serotoninérgicas de los núcleos del rafe dorsal (NRD) en el tallo cerebral,  neuronas histaminérgicas del núcleo tuberomamilar (NTM) en el hipotálamo posterior y neuronas colinérgicas de núcleo tegmental laterodorsal  (TLD) en  cerebro medio,  de cerebro anterior basal  y pedunculopontinas (PPT). Durante el sueño NREM, la actividad de los circuitos tálamo-cortico-talámicos es altamente sincronizada y genera  oscilaciones lentas en el EEG. Las neuronas inhibidoras en el hipotálamo anterior y el tallo cerebral también son muy activas, pero su relación funcional con las redes tálamo-corticales y corticales aún no está clara. Durante el sueño REM, las células inhibidoras en hipotálamo anterior y lateral así como las neuronas glutamatérgicas y GABAérgicas de tallo cerebral son muy activas.

En la literatura se menciona un rol dual de los circuitos  sueño-vigilia en el cerebro. Por ejemplo, las neuronas noradrenérgicas del LC  representan un centro  para la vigilia, pero también controlan la respuesta al estrés y la atención durante procesos cognitivos. Asimismo, los circuitos  de sueño y sedación  localizados en el hipotálamo anterior (VLPO; LPOA, etc) concomitantemente regulan la temperatura corporal. Más caudalmente, las neuronas en el HL que expresan  hcrt/ox, hormona concentradora de melanocitos (MCH), GABA y glutamato poseen  modalidades sensoriales y controladoras, y su actividad es fuertemente modulada por productos metabólicos (aminoácidos, glucosa, etc). Los circuitos del HL  controlan el sueño y el metabolismo a través de redes multi-tareas.   En este contexto, estudios clínicos y experimentales reportan una alta prevalencia de síndrome metabólico asociado  con desordenes del sueño y viceversa. Los pacientes con restricción crónica de sueño, sueño fragmentado o sueño corto durante la noche presentan un incremento  en el riego de enfermedades patológicas incluyendo diabetes y obesidad. Esta asociación sugiere  la existencia de circuitos subyacentes  que regulan  el ciclo sueño/vigilia y el metabolismo. La evidencia celular/molecular apoya estas propiedades integrativas de los circuitos hipotalámicos.

El HL es un centro homeostático  que controla la ingesta de alimentos, el balance metabólico, conductas dirigidas hacia recompensas naturales (alimento, sexo) y artificiales (drogas) y estados sueño-vigilia. Esta área hipotalámica contiene  múltiples tipos de células con perfiles neuroquímicos únicos, transportadores  vesiculares, conectividad, receptores de membrana o funciones. En contraste con la estructura laminar de las redes corticales  o hipocampales, los circuitos del HL forman una intrincada red local y extensa de células excitadoras e inhibidoras sin características anatómicas aparentes. Los registros electrofisiológicos de las células del HL a través del ciclo sueño-vigilia identifican una amplia  variedad de actividad neuronal, la cual se correlaciona  con los estados  de sueño NREM o REM y/o vigilia, lo que sugiere la existencia de  (sub) poblaciones neuronales con propiedades inducidas por el sueño y la vigilia.  Las neuronas que expresan Hcrt/ox e histamina representan sistemas que promueven la vigilia, su actividad celular es baja durante  la vigilia quieta y alta durante la atención y la vigilia activa, pero cesa casi completamente durante los sueños NREM y REM. La activación del sistema Hcrt/ox se correlaciona con el alerta asociado con la respuesta al estrés, la adicción a opiáceos y los estímulos sensoriales. Las neuronas del HL activas  en el sueño REM  incluyen células que expresan  GABA y MCH, mientras las neuronas activas en el sueño NREM que expresan galanina  han sido registradas en el hipotálamo  anterior de ratas.  Estudios recientes demuestran el rol promotor de sueño  de las neuronas MCH. Las neuronas MCH del LH, además de MCH,   expresan otros péptidos (nesfatina, CART, MGOP) junto con el gen glutamato descarboxilasa GAD67/65 que produce GABA. Estos hallazgos sugieren una naturaleza inhibidora de las neuronas MCH que ha sido confirmada recientemente.

Durante un rebote  de sueño, un gran número (60%) de células c-fos (marcador de actividad neuronal) son inmuno-reactivas para MCH.  Las neuronas  MCH muestran máxima descarga  durante el sueño REM, baja actividad durante el sueño NREM y mínima descarga durante la vigilia. Un perfil de descarga opuesto  a la actividad de las células Hcrt/ox. La infusión intracerebroventricular (icv) de MCH en ratas causa hipersomnia por incrementos dosis-dependientes  del sueño NREM (70%) y sueño REM (200%), mientras los antagonistas MCH-R1 tienen el efecto opuesto. Consistente con estos hallazgos, la activación optogenética  aguda  de neuronas MCH en el inicio del sueño  REM extiende su duración  pero no los episodios de sueño NREM. Por el contrario, el silencio optogenético agudo  de las neuronas MCH reduce la frecuencia  y la amplitud del ritmo teta hipocampal sin afectar la duración del sueño REM, lo que sugiere una transición al sueño NREM, posiblemente a través de la inhibición de centro del despertar distribuidos fuera  del hipotálamo.

Los estudios que han investigado  el sueño y los roles metabólicos  de células GABAérgicas  en el HL reportan que expresan transportadores de vesículas de GABA (VGAT), GAD65/67, la forma larga  del receptor de leptina o péptido MCH. Estas células  son activas principalmente  durante la vigilia o sueño REM. Las neuronas  HL_GAD67  envían proyecciones descendentes  al tallo cerebral, mientras las neuronas involucradas  en la regulación del sueño REM envían proyecciones ascendentes a la corteza cerebral.  Estos resultados sugieren una fuerte heterogeneidad anatómica entre las neuronas HL_GABA en el control de los estados del sueño. Consistente con su actividad durante la vigilia, la activación optogenética aguda  de las neuronas  HL_VGAT promueve un rápido despertar. Más específicamente aquellas neuronas  que proyectan al núcleo reticular del tálamo (NRT), referidas como HL_VGAT-NRT_GABA, representan un circuito del despertar  del hipotálamo. Por el contrario,  su activación optogenética durante el sueño REM no tiene ningún efecto, lo que sugiere que el circuito HL_VGAT-NRT_GABA está involucrado en el sueño NREM, pero no en la transición del  sueño REM a la vigilia.  Por otra parte, un subgrupo  de células HL_VGAT se proyecta al LC e induce despertar independientemente del estado cerebral del animal. Entonces, las neuronas   LH_VGAT-NRT_GABA representan un potente circuito  que promueve el despertar  a partir del sueño NREM pero no a partir del sueño REM. Esto último apoya la idea que hay una alta especificación  entre los circuitos del despertar en el cerebro.

La estimulación optogenética aguda  de las células HL_VGAT durante el sueño NREM provoca un rápido despertar, pero su activación óptica crónica  durante la vigilia induce una sostenida respuesta  de ingesta de alimento. Estos hallazgos proporcionan una evidencia causal del rol dual de estas células en el sueño y el metabolismo. El apetito es regulado  por la interacción  entre señales metabólicas y hormonales y el sistema nervioso central. El hipotálamo regula la homeostasis energética (ingesta de alimentos y gasto de energía) “sensando” señales hormonales circulantes  e integrando señales autónomas, endocrinas y ambientales en conductas coherentes dirigidas a un objetivo. En este contexto,  la leptina inhibe  neuronas del núcleo arcuato que co-expresan neuropéptido Y (NPY) y péptido relacionado con el agouti (AgRP) al tiempo que excita neuronas proopiomelanocortina (POMC), que también co-expresan  transcripto relacionado con cocaína y anfetamina (CART). Sin embargo, factores circulantes adicionales  revelan un mecanismo más complejo. Por ejemplo, la ghrelina, una hormona estimulante del apetito, tiene el efecto opuesto al de  la leptina.  Entonces, la activación  de las neuronas POMC/CART y NPY/AgRP tiene propiedades anorexigénicas y orexigénicas, respectivamente. Las neuronas de “primer orden” del núcleo arcuato se proyectan a neuronas de “segundo orden” en el HL  donde se integran señales ambientales, compulsivas y recompensa/hedónicas de aferencias extra-hipotalámicas. Estas señales son integradas  en el componente homeostático  de la respuesta inicial  de una conducta  innata/propositiva/dirigida. Las neuronas de “segundo orden” incluyen células  en las áreas hipotalámicas medial y lateral  que producen Hcrt/ox, MCH, CART, neurotensina, nesfatina, endocanabinoides y neuronas HL_GABA y HL_Glu.

La activación  eléctrica y farmacológica de las neuronas del HL revela  su participación  en la ingesta de alimentos y procesos de reforzamiento. Entre los numerosos roles de las neuronas MCH, su participación en la conducta alimenticia y la homeostasis energética está bien documentada. La MCH tiene propiedades orexigénicas  agudas. En efecto, el sistema MCH es regulado hacia arriba  después del ayuno. Los ratones con sobre expresión  de MCH desarrollan obesidad e hiperfagia mientras la inactivación genética  de la neurotransmisión MCH  produce delgadez, hiperactividad y alta tasa metabólica. La modulación MCH del flujo de líquido cerebroespinal ha sido propuesta como un posible mecanismo para el control del metabolismo por las neuronas MCH. Dos estudios separados sugieren que las neuronas MCH  incrementan el flujo de líquido cerebroespinal  a través de los ventrículos. Estos hallazgos fueron confirmados por la activación optogenética  de las neuronas MCH. Además de este efecto metabólico, la activación de las neuronas MCH apoya el efecto recompensa que sigue a la ingesta de alimentos a través de un incremento en los niveles de dopamina. Estos estudios demuestran que la activación  del sistema MCH está involucrada en el metabolismo y la recompensa. Además de las neuronas HL_MCH, las células HL_VGAT han sido identificadas como un componente crucial  del apetito.  La manipulación local de las neuronas HL por infusión  de agonistas GABA_A media la supresión de la ingesta de alimentos  y disminuye el peso corporal, mientras antagonistas  GABA_A incrementan la ingesta de alimentos. Estos resultados contrastan con estudios optogenéticos recientes. La estimulación optogenética  demuestra  que la activación  de las células HL_VGAT induce la ingesta de alimentos consistente con los estudios eléctricos y auto-estimulación óptica, mientras la activación de neuronas HL_vglut2 tiene el efecto opuesto. En conjunto, estos hallazgos sugieren que, primero, la modulación de neurotransmisores como GABA y glutamato puede generar respuestas rápidas como las observadas con la manipulación  de neuronas de “primer orden” del núcleo arcuato; segundo,  subpoblaciones GABAérgicas y glutamatérgicas del HL genéticamente distintas  pueden producir  señales bidireccionales (fenotipos conductuales opuestos); y tercero, esto puede reflejar  el balance momento a momento en la actividad  de glutamato y GABA en el HL.

Consistente con un rol multi-tarea de las células del HL en el sueño y el metabolismo, las alteraciones de uno u otro a menudo exacerban el metabolismo o el homeostato del sueño, respectivamente. Por ejemplo, las neuronas HL_hcrt/ox son importantes  para mantener la vigilia requerida para la conducta alimenticia.  Hallazgos similares se  presentan  en la modulación del sueño REM por células HL_MCH durante el balance energético negativo.  En línea con estos hallazgos, estudios recientes apoyan un posible rol multi-tarea para las neuronas HL_GABA  en la vigilia y el metabolismo. Distintos blancos de las células  HL_GABA podrían potencialmente mediar la vigilia y/o la ingesta de alimentos.  En particular, blancos de HL_GABA como la habénula lateral, el área tegmental ventral, circuitos hipotalámicos locales, núcleos hipotalámicos periventriculares o núcleos del tallo cerebral  pueden mediar los efectos en la alimentación y la recompensa asociados con la activación  de células HL_VGAT. Los núcleos hipotalámicos periventriculares  que promueven la vigilia y la ingesta de alimentos pueden representar un blanco convergente  de las células HL_GABA multi-tareas. Asimismo, blancos del tallo cerebral de HL_GABA, incluyendo locus coerulus y núcleo parabraquial también pueden modular la vigilia y el apetito, posiblemente a través de circuitos locales.

Alternativamente, a la luz  de la anatomía funcional de las neuronas hipotalámicas y las células HL_GABA en particular,  es posible describir  dos mecanismos basados en circuitos  en el control del sueño y el metabolismo.  Primero, la actividad de los grupos de células HL_GABA que gobiernan el sueño y el metabolismo es secuencialmente organizada. En este esquema, las células HL_GABA primero provocan el despertar a partir del sueño, lo cual permite la elaboración de la conducta de ingesta de alimentos, mientras su actividad prolongada induce la ingesta de alimentos.  Alternativamente, su activación durante la vigilia consolida el despertar así como la atención y/o integración de factores ambientales relevantes para la conducta de consumo. Esto podría en última instancia permitir una apropiada  conducta dirigida a objetivo (ingesta de alimento) y posteriores ajustes del estado metabólico del organismo. El hecho  que la activación de células HL_GABA  provoque apetito en animales saciados sugiere que esta respuesta de ingesta de alimentos no es una consecuencia  de que el animal está despierto, sino una respuesta especifica de objetivo. En el estado de saciedad, la actividad de las células HL_GABA es progresivamente apagada  para permitir un período de reposo postprandial  y el inicio del sueño.  Segundo, la actividad de las células HL_GABA que gobiernan el sueño y el metabolismo está organizada en paralelo.  En este caso y de acuerdo con el modelo de circuitos moduladores del cerebro, los blancos de las células HL_GABA se activan simultáneamente para promover  el despertar y la ingesta de alimentos durante la vigilia. Varios factores están involucrados: (1) funciones moduladas por estas células (atención visual, coordinación motora, etc) que pueden reforzar  la selectividad de la respuesta conductual.; (2) rutas secuenciales y paralelas  no mutuamente excluyentes que pueden ocurrir  simultáneamente y potenciar una determinada respuesta conductual. Ambos mecanismos, secuencial y paralelo, han sido descritos en el SNC, incluyendo las neuronas de “primer orden” y “segundo orden” en la ingesta de alimentos o el sistema reticular activador ascendente  en el despertar.  Sin embargo, a pesar de la activación secuencial o paralela de los grupos de células HL_GABA, los mecanismos sinápticos no son claros.

En conclusión, avances recientes en las funciones  de las neuronas en el hipotálamo lateral han identificado un subgrupo de células inhibidoras  como moduladoras cruciales del ciclo sueño-vigilia y el metabolismo. Los impulsos inhibidores de los grupos de células HL_GABA controlan la actividad  de las células del NRT, el cual a su vez ejerce  un fuerte control inhibidor sobre células excitadoras  tálamo-corticales  y cortico-talámicas. La inhibición mediada por GABA  puede  resultar en una excitación neta indirecta, a través de la desinhibición  de circuitos del despertar y/o apetito o una inhibición directa  de centros del sueño o  sistemas supresores  del apetito.  Además de la modulación  del sueño y el metabolismo, el hipotálamo lateral apoya otras funciones de supervivencia, incluyendo la respuesta al estrés, la conducta maternal y la recompensa.

Fuente: Gutiérrez Herrera C et al (2017).  Sleep & metabolism: the multitasking ability of lateral hypothalamic inhibitory circuitries.  Frontiers in Neuroendocrinology 44: 27-34. 

Funciones y fisiología de nesfatina-1

En el año 2006, Oh-I y colaboradores re-descubrieron el NEFA/nucleobindin 2 (Nucb2), un gen activado por el receptor γ de proliferador de peroxisoma (PPARG) en líneas  de células inmortalizadas y  más tarde en el hipotálamo  de roedores.  Un producto de este gen es NUCB2, un péptido de 396 aminoácidos, originalmente descrito como una proteína secretada de función desconocida que posee varios sitios de potenciales clivajes, lo que sugiere un procesamiento posterior.  El fragmento N-terminal del NUCB2, llamado nesfatina-1, fue identificado en el líquido cerebroespinal y el núcleo paraventricular (NPV) del hipotálamo de la rata y posteriormente en plasma humano. También se encontró que reduce la ingesta de alimentos de manera dosis-dependiente cuando es administrado a roedores por vía intracerebroventricular (icv).

El ARNm de Nucb2 es expresado principalmente en mucosa gástrica y tejido adiposo blanco y, en menor extensión, en otros órganos periféricos como páncreas y testículo. En el sistema nervioso central (SNC), el ARNm de Nucb2 está presente en muchas regiones como hipotálamo y tallo cerebral, por ejemplo. El gen Nucb2 codifica un péptido de 420 AA que contiene un péptido señal de 24 AA y un péptido de 396 AA llamado NUCB2.  El potencial clivaje de NUCB2 por las convertasas (PC) 1/3 y PC2 da origen a tres fragmentos: nesfatina-1 (AA 1-82), nesfatina -2 (AA 85-163) y nesfatina-3 (AA 166-396). El NUCB2 se co-localiza con estas enzimas en el citoplasma. Alternativamente, otras enzimas, por ejemplo, la proteína unida a membrana furina, la cual actúa en la misma línea de las PC, puede estar involucrada en el procesamiento de NUCB2.  Sin embargo, aunque la existencia de nesfatina-1 ha sido demostrada en vivo, se desconoce si nesfatina-2 y nesfatina-3 existen y son secretadas en vivo. Para la acción biológica, es de particular relevancia el segmento medio de la nesfatina-1 que corresponde a los AA 24-53.  A nivel celular, al menos en el NPV, la nesfatina-1 se localiza principalmente en vesículas secretoras en el pericario cerca del aparato de Golgi, pero no en los terminales axónicos, lo cual sugiere una liberación dendrítica y eventuales acciones autocrinas o paracrinas. Por otra parte, está demostrado que la nesfatina-1 puede cruzar la barrera hematoencefálica por difusión transmembrana no saturable. Este hallazgo sugiere que la nesfatina-1 periférica (endógena o exógena) puede tener acceso al SNC y ejercer acciones biológicas.

Aunque el receptor de nesfatina-1 aún no ha sido identificado, se han detectado sitios de unión específicos para nesfatina-1 en el SNC (por ejemplo, hipotálamo, corteza cerebral) y órganos periféricos (por ejemplo, tracto gastrointestinal, páncreas). En la mayoría de los tipos de células, la nesfatina-1 estimula la entrada de Ca²⁺ a través de canales tipo L, P/Q o N. La despolarización neuronal y el incremento en el Ca²⁺ intracelular se pueden prevenir con el pretratamiento con toxina pertussis, lo que indica compromiso de un receptor acoplado a proteína G. En efecto, diversos estudios sugieren la existencia de uno o más receptores acoplados a proteína G en la señal nesfatina-1. Sin embargo, los hallazgos actuales sobre los eventos de señalización intracelular de la nesfatina-1 deben ser interpretados con precaución, algunas observaciones no son eventos de señalización de un potencial receptor de nesfatina-1 sino resultados de cascadas de señalización de receptores relacionados con el receptor de nesfatina-1, como el receptor melanocortina (MC) 3 o 4.

La nesfatina-1 y su precursor NUCB2 poseen propiedades anorexigénicas. La inyección de NUCB2 o nesfatina-1 en el tercer ventrículo en dosis similares reduce la ingesta de alimentos en ratas alimentadas ad libitum. Más aún, el efecto anorexigénico de la nesfatina-1 es independiente de la leptina. Por otra parte, la administración intraperitoneal del segmento medio de nesfatina-1 disminuye la ingesta de alimentos en ratones delgados y obesos resistentes a leptina, lo cual sugiere que también la nesfatina-1 periférica induce anorexia de manera independiente de leptina.  La nesfatina-1 periférica puede afectar la regulación de la ingesta de alimentos en el SNC a través del acceso directo al cerebro, por aferentes vagales o vía mensajeros endocrinos, como la colecistoquinina (CCK). Cómo y en qué extensión estos diferentes medios de señalización son de relevancia fisiológica, no ha sido dilucidado hasta ahora.

Aunque la nesfatina-1 endógena regula la conducta alimenticia, su expresión también puede ser regulada por el estado de alimentación. En roedores, los niveles de NUCB2/nesfatina-1 en los núcleos hipotalámicos supraóptico (NSO) y paraventricular (NPV) y tejido adiposo subcutáneo son reducidos por el ayuno y se normalizan con la realimentación. Adicionalmente, la inyección aguda central y periférica del segmento medio de nesfatina-1 reduce la ingesta de alimentos en ratones alimentados con una dieta rica en grasas, lo cual indica que la exposición de larga duración a una dieta rica en grasas no causa resistencia a la nesfastina-1. Más aún, la señal nesfatina-1 es importante en la mediación de la anorexia inducida por leptina. Estudios recientes demuestran que la leptina incrementa la expresión del ARNm de Nucb2 en el NPV in vivo e in vitro. De acuerdo con esto, en los ratones que carecen de NUCB2 en el NPV, la administración central y periférica de leptina falla en inducir anorexia.

El sistema nesfatinérgico interactúa con otros sistemas que regulan la conducta alimenticia. Por ejemplo, el efecto anorexigénico inducido por la nesfatina-1 es bloqueado por la administración central de antagonistas del receptor MC3/4. Contrario a las acciones periféricas de la leptina, la administración central o periférica de nesfatina-1 o su segmento medio a ratas, incrementa la expresión de proopiomelanocortina (POMC) y transcripto relacionado con anfetamina y cocaína (CART) en el núcleo del tracto solitario, (NTS) pero no en hipotálamo. La interacción entre estos dos sistemas es apoyada por el hallazgo que la administración de hormona  estimulante de melanocitos-α (α-MSH) incrementa la expresión de Nucb2 y activa neuronas NUCB2/nesfatina-1 en el NPV.

El efecto anorexigénico de la nesfatina-1 es, al menos en parte, mediado por neuronas oxitocinérgicas. En efecto la nesfatina-1 se co-localiza  con oxitocina  en neuronas de NSO y NPV. La nesfatina-1 influye en la excitabilidad de las neuronas oxitocinérgicas del NPV  in vitro,  la nesfatina-1 endógena  altera la liberación de oxitocina en cortes de NPV. Sin embargo, la administración central  de nesfatina-1  no afecta los niveles plasmáticos  de oxitocina en ratas, lo que indica que la liberación axonal de oxitocina liberada por neuronas de NSO y NPV  no es afectada. Por otra parte, cuando es inyectada  en sitios específicos   del NPV, la nesfatina-1  suprime la ingesta de alimentos  por estimulación  del sistema oxitocina, junto con un incremento en la expresión de c-fos en el NTS, lo cual sugiere que las neuronas oxitocinérgicas que se proyectan del NPV al NTS son moduladas por  nesfatina-1 para inducir anorexia. El sistema nesfatinérgico también interactúa  con  el sistema hormona liberadora de corticotropina/receptor CRH2 (CRF/CRHR2)  para modular la conducta alimenticia.  En la rata, la nesfatina-1 se co-localiza con CRH  en el NPV e in vitro influye en la excitabilidad de neuronas que expresan Crh. La administración de un antagonista específico de CRHR2 (astressin₂-B) en el cerebro anterior elimina el efecto anorexigénico  de la nesfatina-1. La nesfatina-1 también se co-localiza  con  neuropéptido Y, un péptido orexigénico, en el núcleo arcuato (ARC). Un estudio electrofisiológico demuestra que  la mayoría de neuronas que expresan NPY  en el ARC son hiperpolarizadas por la nesfatina-1, lo que indica que la nesfatina-1 podría suprimir la ingesta de alimentos regulando hacia abajo la señal NPY. Otro estudio  reporta que el efecto orexigénico  de la ghrelina periférica   es bloqueado por desacil ghrelina a través de la activación  de neuronas NUCB2/nesfatina-1 del ARC.  También ha sido sugerida una interacción entre nesfatina-1  y el sistema serotoninérgico. La m-clorofenilpiperazina, agonista del receptor 5HT_1B/2C, induce anorexia de manera independiente  de leptina regulando hacia arriba la expresión de Nucb en el hipotálamo de la rata.  Finalmente, otro estudio, involucra a la histamina  y a la hormona liberadora de tirotropina (TRH) en la mediación de los efectos   de la nesfatina-1. La histamina es conocida  por su potencia  en la reducción  del apetito y la nesfatina-1 es expresada en el área hipotalámica tuberal (AHT) donde  se localizan exclusivamente las neuronas histaminérgicas. La administración central de histamina incrementa la expresión de NUCB2/nesfatina-1 en el NPV y, a su vez, la administración central de nesfatina-1 incrementa el recambio de histamina en el hipotálamo. La administración de nesfatina-1 también resulta  en un incremento en la expresión del ARNm de TRH  en el  NPV pero cuando se co- administran anticuerpos contra TRH, el efecto anorexigénico de la nesfatina-1 es atenuado.

La nesfatina-1 altera el patrón de comida. En ratones, la administración central de nesfatina-1 reduce el tamaño  de la comida e incrementa los intervalos entre comidas indicando  saciedad (terminación de la comida) y saciación  (inicio retardado de la comida), mientras la inyección central de segmento medio de  nesfatina-1 induce  saciedad sin afectar la saciación. Por el contrario, en ratas alimentadas con comida normal, el segmento medio de nesfatina-1  induce saciación, mientras en ratas con obesidad inducida por dieta induce saciedad.  Estos resultados mixtos pueden ser explicados por diferencias en especies, en la afinidad de la unión con el receptor  entre la nesfatina-1 y su segmento medio y/o en la activación de diferentes rutas de señalización dependiendo de las condiciones de la dieta. En un estudio reciente, el tratamiento con nesfatina-1  resulta en la regulación hacia arriba  de CCK (un péptido que induce saciación) y en la regulación hacia abajo  del péptido YY (PYY, un péptido que induce saciedad), in vitro e in vivo.

La nesfatina-1 no solo está involucrada  en la conducta alimenticia sino también  en la regulación  de los líquidos corporales. La inyección icv  de nesfatina-1 reduce la ingesta de agua, un efecto mediado por receptores MC3/4  y de oxitocina. El efecto antidipsogénico  de la nesfatina-1 tiene un inicio más temprano  que el efecto anorexigénico (60 min vs 150 min), lo cual aumenta la posibilidad que la reducción en la ingesta de alimentos puede ser una consecuencia  de la reducción en la ingesta de fluido.  Adicionalmente, la reducción en la ingesta  provocada por la nesfatina-1 es más pronunciada  con el   agua que con la comida (70% vs 50%, respectivamente). El ARNm de Nucb2 es expresado en el órgano subfornical (OSF), un área involucrada en la regulación  de los fluidos corporales y un estudio electrofisiológico in vitro  demuestra la capacidad de las neuronas del OSF para responder a la nesfatina-1. La prolongada deprivación de agua  incrementa los niveles de NUCB2/nesfatina-1  en  OSF, NSO y NPV, los cuales son normalizados  con la rehidratación.  

La nesfatina-1 está involucrada en los aspectos relacionados con la recompensa  de la conducta alimenticia.  En efecto, la proteína NUCB2/nesfatina-1 es expresada en áreas relacionadas  con la recompensa como el núcleo amigdaloide, el núcleo accumbens (NAcc), el hipotálamo lateral y los núcleos del rafe dorsal (RD). Por otra parte, la nesfatina-1 hiperpolariza  neuronas dopaminérgicas  de la sustancia negra, un área cerebral  involucrada en funciones sensorimotoras,  la recompensa y la aversión. Las neuronas dopaminérgicas se originan en el área  tegmental ventral (ATV), inervan el NAcc y liberan dopamina en respuesta a estímulos  de recompensa (o aversivos).  La administración icv de nesfatina-1  disminuye la liberación de dopamina en el NAcc.  Si la nesfatina-1  actúa directamente  o a través del reclutamiento de otros sistemas neurotransmisores  para modular rutas de la recompensa es algo que no sido dilucidado.  Una posibilidad es que las neuronas NUCB2/nesfatina-1 interactúen con los sistemas melanocortina y oxitocina.  En apoyo a esta idea, se ha demostrado que la melanocortina y la oxitocina  juegan un rol en la modulación de rutas hedónicas.  Un estudio reciente  demuestra que la motivación  para obtener sucrosa en ratas  es regulada hacia abajo por la activación  de receptores  MC3 en áreas relacionadas con la recompensa.  Asimismo, la oxitocina reduce la conducta de búsqueda inducida por metanfetamina en roedores y maneja la recompensa  a la ingesta de alimentos en humanos.  Un segundo escenario posible es la interacción  entre la nesfatina-1 y  el sistema ghrelina. Ghrelina y nesfatina-1 son co-expresadas  en las células X/A de la mucosa gástrica.  La ghrelina regula la homeostasis de la alimentación  incrementando la ingesta de alimentos en roedores y humanos. En roedores, la administración icv  de nesfatina-1 suprime  la ingesta de alimentos y regula hacia abajo  la expresión de preproghrelina y receptor de ghrelina  en el cerebro anterior, mientras la ghrelina icv promueve la ingesta de alimentos  y regula hacia abajo  la expresión de ARNm de Nucb2 en el cerebro anterior. Como la ghrelina participa en la regulación  hedónica de la alimentación, se puede especular  que los dos péptidos interactúan  en áreas relacionadas con la recompensa.

La nesfatina-1 es un regulador de funciones gastrointestinales, enlentece el vaciamiento gástrico, por ejemplo. La inyección icv de una dosis anorexigénica de nesfatina-1  disminuye el vaciamiento gástrico  en ratas. Adicionalmente, la nesfatina-1  regula la motilidad gastroduodenal. Las áreas cerebrales  responsables de los efectos de la nesfatina-1 sobre las funciones gastrointestinales son NPV, ARC, CeA y amígdala basomedial (ABM). Cuando se administra nesfatina-1 en el NPV disminuye la motilidad y el vaciamiento gástrico, un efecto mediado por neuronas oxitocinérgicas.  Asimismo, la inyección de nesfatina-1  en ARC, CeA  o ABM,  disminuye la motilidad y el vaciamiento gástrico, pero en este caso con participación del sistema  melanocortina.  La distensión gástrica (por ejemplo, a consecuencia de la reducción de la motilidad y el vaciamiento gástrico) puede ser transmitida al cerebro  para inducir saciedad a través de la CCK. Además de este mecanismo, los datos experimentales apoyan la existencia  de una conexión neuronal entre el sistema gastrointestinal y las neuronas NUCB2/nesfatina-1 del SNC. En la rata,  las neuronas NUCB2/nesfatina-1 del NTS  reciben  impulsos aferentes  a través del nervio vago, el cual se activa después de la distensión gástrica.  La secreción gástrica de ácido también es afectada por  la nesfatina-1. Particularmente, la inyección central  de una dosis anorexigénica de nesfatina-1  es capaz de inhibir la secreción de ácido a través de eferentes vagales.

La participación de la nesfatina-1  en la regulación del gasto  de energía  es menos investigada y entendida. Un estudio reciente reporta un incremento en la temperatura corporal después de la administración icv de nesfatina-1. Este hallazgo ha sido sustanciado  en otro estudio  con calorimetría directa   para cuantificar la pérdida de calor seco  como medida de la termogénesis y por tanto del gasto de energía.  Los mecanismos centrales y periféricos que subyacen al impacto  de la nesfatina-1 sobre la termogénesis no han sido dilucidados.

La proteína NUCB2/nesfatina-1  se co-localiza  casi exclusivamente  con la insulina en las células β de los islotes pancreáticos. En efecto, la inmunoreactividad  NUCB2/nesfatina-1  está presente en todas o casi todas  las células β con una distribución  subcelular distinta  a la inmunoreactividad de insulina.  La co-localización  de NUCB2/nesfatina-1 con PC1/34 y PC2 sugiere que el procesamiento de nesfatina-1 puede tener lugar fisiológicamente  en los islotes pancreáticos. En las células β pancreáticas, la síntesis o liberación de NUCB2/nesfatina-1  son reguladas dinámicamente por los niveles de glucosa. Esta regulación es alterada  en las enfermedades glucémicas.  Los islotes de pacientes con diabetes tipo 2 exhiben una reducción en ARNm de Nucb2 en comparación con los islotes  de sujetos sanos; esto se correlaciona significativamente con la capacidad de secreción de insulina.  Por otra parte, la nesfatina-1  aumenta la secreción  de insulina inducida por glucosa, promoviendo la entrada de  Ca²⁺ a través de canales  tipo L. Este proceso, a diferencia de las acciones de la nesfatina-1 sobre las neuronas hipotalámicas, es independiente  de PKA. La producción local  de nesfatina-1 en las células β y su secreción por niveles elevados de glucosa puede participar/facilitar la liberación de insulina de una manera autocrina y/o paracrina. En el SNC, la nesfatina-1  está involucrada en el control del metabolismo de la glucosa.  Por ejemplo, la excitabilidad de las neuronas  que responden a la glucosa  es modulada por nesfatina-1 en NPV e hipotálamo ventromedial y lateral. Este efecto parece ser específico  de núcleos hipotalámicos, pues en el NTS, otra importante estructura  para el metabolismo de la glucosa en el SNC, la respuesta de las neuronas sensibles a glucosa no es modulada por la nesfatina-1. La nesfatina-1 administrada icv actúa en el hipotálamo incrementado la sensibilidad  a la insulina en el cuerpo  a través de la estimulación  de la señal del receptor de insulina, en el hígado para inhibir la gluconeogénesis y en el músculo mejorando la captación  de glucosa.

La proteína NUCB2/nesfatina-1 ha sido detectada en el corazón y la nesfatina-1 puede controlar directamente  el rendimiento cardiaco. La administración  de nesfatina-1 en el SNC  ejerce efectos cardiovasculares. Por ejemplo, la administración icv de nesfatina-1 incrementa la presión arterial media  y la frecuencia cardiaca; la fosforilación de ERK  en las neuronas CRH del NPV  está involucrada en estos efectos. Los estudios electrofisiológicos  han identificado  al NTS como un potencial sitio  a través del cual la nesfatina-1 ejerce sus acciones cardiovasculares. Además de sus acciones en el SNC, la administración intravenosa de nesfatina-1 posee un  efecto hipertensivo, potencialmente a través de acciones centrales y a nivel periférico modulando la resistencia arterial.

La inmunoreactividad NUCB2/nesfatina-1 ha sido detectada en áreas cerebrales involucradas  en conductas similares a la ansiedad y la respuesta al estrés, como núcleo amigdaloide, núcleo del lecho de la estría terminal, NPV e hipocampo.  La administración icv de nesfatina-1 incrementa los niveles plasmáticos de ACTH y glucocorticoides, lo que sugiere  que la nesfatina-1 puede jugar  un rol en la modulación  de la actividad del eje hipotálamo-hipófisis-adrenal (HHA).  Más aún, la adrenalectomía bilateral  incrementa la expresión  de ARNm de  NUCB2 en el NPV, indicando que su expresión es regulada por la actividad del eje HHA. Por otra parte, la nesfatina-1 participa en los mecanismos de la respuesta al estrés  reclutando al sistema melanocortina  central. Datos recientes en humanos también sugieren que existe una relación  entre nesfatina-1 y  desordenes relacionados con el estrés.  Los niveles plasmáticos de  NUCB2/nesfatina-1  de los pacientes afectados  por trastornos depresivos mayores  son más altos  que en sujetos sanos.

El descubrimiento de la co-expresión  de NUCB2/nesfatina-1 y hormona concentradora  de melanina (MCH) en el AHT, una estructura  del SNC  relacionada  con la regulación  del sueño de movimientos oculares rápidos (REM) sugiere una potencial conexión funcional entre la proteína NUCB2/nesfatina-1 y el sueño. La abolición del sueño REM reduce la expresión de NUCB2/nesfatina-1  en el hipotálamo dorsal lateral, cuya subsección hipotálamo lateral, entre otros, está involucrada  en la regulación del ciclo sueño/vigilia. El sueño REM  a su vez activa las neuronas  NUCB2/nesfatina-1. Por otra parte, el bloqueo  de la expresión  de la nesfatina-1 endógena afecta negativamente  al sueño REM.  En humanos con síndrome de apnea del sueño se  observa una correlación negativa  entre NUCB2/nesfatina-1 en circulación periférica y severidad de la enfermedad aunque no se dilucidado si hay una relación funcional.

La maduración y la función reproductiva  están íntimamente relacionadas con la disponibilidad de energía. Los mediadores endocrinos como  insulina y  leptina  relacionan el estado metabólico  con la reproducción. Ambas hormonas actúan a nivel hipotalámico  y transmiten información  acerca del estado metabólico a las neuronas  que  expresan hormona liberadora de gonadotropinas (GnRH) que a su vez controla al eje hipotálamo-hipófisis-gónadas (HHG).  Datos recientes sugieren que  la proteína NUCB2/nesfatina-1 está involucrada  en la interacción entre  el estatus energético y la reproducción, particularmente  con respecto a la regulación  de la transición puberal en las hembras, durante la cual la expresión de la proteína aumenta significativamente en el hipotálamo. Por el contrario, durante este estado de desarrollo,  un balance energético negativo disminuye la expresión de NUCB2/nesfatina-1 en el hipotálamo.  Más aún, la administración de nesfatina-1 en el SNC induce la secreción de hormona luteinizante (LH) en ratas hembras puberales.  Hasta el presente, hay sólo información limitada   sobre si la nesfatina-1  también está involucrada  en la regulación del eje HHG en ratas hembras adultas.  Los datos preliminares indican que la administración icv  de una dosis muy alta de nesfatina-1 (1 nmol) incrementa la concentración plasmática de LH y hormona estimulante del folículo (FSH) en ratas machos. Por el contrario, en la hipófisis, la expresión de ARNm de Nucb2  es regulada por el estradiol y la progesterona, lo que sugiere  la existencia  de un mecanismo de retroalimentación  en  la interacción  NUCB2/nesfatina-1-eje HHG. Neuropéptidos como oxitocina y α-MSH conocidos como reguladoras de la acción de la GnRH son potenciales mediadores  hacia abajo de  nesfatina-1. Más aún, el neuropéptido foenixina, recientemente descubierto, se co-localiza  con NUCB2/nesfatina1 en  neuronas de NPV, ARC, hipotálamo ventromedial e hipotálamo lateral, lo cual sugiere que la foenixina podría ser mediador de la acción de nesfatina-1 con respecto a la reproducción.  La foenixina  incrementa la expresión de GnRH, receptor de GnRH y gen Kiss1  y potencia  la liberación de LH estimulada por GnRH  in vitro. Estos hallazgos han sido sustanciados  por estudios in vivo   que demuestran que la foenixina icv incrementa la LH plasmática en el diestro de ratas hembras. En la periferia, la inmunoreactividad NUCB2/nesfatina-1 ha sido detectada en células de Leydig  de testículo de humanos y roedores.

En conclusión, la nesfatina-1 fue identificada en 2006 como un potente péptido anorexigénico involucrado en la homeostasis de la alimentación. El péptido precursor NUCB2 es expresado en el SNC y en la periferia. En hipotálamo y tallo cerebral, la nesfatina-1 recluta a los sistemas oxitocina, melanocortina y otros para transmitir sus propiedades anorexigénicas.  La expresión del péptido NUCB2/nesfatina-1 en áreas relacionadas con la recompensa sugiere que la nesfatina-1 puede estar involucrada en la alimentación hedónica. Además de sus propiedades anorexigénicas, la nesfatina-1  tiene otras funciones relacionadas con  la homeostasis energética como el gasto de energía y la homeostasis de la glucosa. Por otra parte,  la nesfatina-1ejerce acciones a nivel de los sistemas cardiovascular y digestivo. Asimismo, juega un rol  en la respuesta al estrés, la conducta, el sueño y la reproducción.

Fuente: Dore R et al (2017). Nesfatin-1: functions and physiology of a novel regulatory peptide. Journal of Endocrinology 232: R45-R65. 

Regulación mineralocorticoide  de la función celular

Los mineralocorticoides y el receptor mineralocorticoide (NR3C2, MR) regulan numerosos procesos fisiológicos incluyendo el control  de electrolitos, el volumen extracelular, la presión sanguínea, el pH intracelular, los potenciales de acción cardiacos y la función vascular, entre otros.  El MR puede cambiar la función celular  a través  de varios mecanismos. La aldosterona  modifica el transporte  de sodio  a través de la transcripción de genes, un mecanismo  critico para la homeostasis de sal.  La activación del MR también dispara  respuestas rápidas que son insensibles a inhibidores de la transcripción, lo  que sugiere una acción no genómica. Más aún, los mineralocorticoides pueden activar receptores distintos a los MR citoplasmáticos “clásicos”  como ligandos de un receptor de membrana o influyendo en la señal  de un receptor poco relacionado como el receptor de angiotensina 1 (AGTR1).  Estos sistemas  no actúan aislados, sino cada uno facilitando, complementando, aumentando  o disminuyendo al otro.

En humanos, el MR es parte de una familia  de factores de transcripción  activados por esteroide y tiene una significativa similitud con el receptor glucocorticoide (NR3C1, GR) y el receptor de progesterona (PGR). Todos  son receptores nucleares  que contienen un dominio amino terminal (NTD), un dominio de unión a ADN (DBD), una región bisagra y un dominio de unión a ligando (LBD). El MR y otros  receptores de hormonas esteroides son activados a través de la interacción ligando-LBD, pero otras partes de su estructura pueden afectar los resultados. El NTD, vía activación de los sitios función-1 (AF-1a y AF-1b), interactúa con proteínas nucleares y, con los sitios AF-2 en el LBD, pueden unirse a moléculas  co-reguladoras que modifican la función transcripcional. En el estado basal o no unido a ligando, el MR se localiza   predominantemente en el citoplasma como parte de un complejo heterogéneo con  las chaperonas proteínas de shock térmico (HSP) como la HSP90, inmunofilinas (como la FKBP52) y la proteína fosfatasa 5. La HSP90  facilita  la unión del ligando al MR, mientras la FKBP52 es importante en la migración citoplasma-núcleo del MR después de la unión del ligando. Una vez en el nucleoplasma, el MR se disocia  de sus chaperonas  para permitir la unión al ADN y formar dímeros. El MR no solo forma homodímeros, sino también heterodímeros con GR, lo cual resulta en diferentes respuestas transcripcionales.  El grado de heterodimerización  depende  de la abundancia relativa  de MR y GR activados, lo cual  es influenciado por la disponibilidad de hormona, el manejo esteroide especifico de célula y la expresión  de receptores.  El DBD del MR se une a secuencias específicas de ADN, conocidas como  elementos de respuesta a hormona (HRE) para regular la transcripción  de genes. Los HRE también pueden unir GR. La estructura del DBD  del MR cuando se une al HRE es similar  a la del GR.  En muchos HRE, las secuencias adyacentes  a los motivos consenso facilita la unión  de factores  de transcripción no hormonales como proteína activada-1 (AP-1),  proteína de respuesta de crecimiento temprano 1 (EGR 1), FOX (forkhead box) y  proteína apareada 5 (PAX5).  La interacción con cofactores en el NTD puede explicar algunas de las diferencias  en la regulación de genes  entre MR y GR a pesar de la superposición  en la unión de ligando, la estructura del receptor  y el reconocimiento  de secuencias de ADN. Algunos HRE pueden aumentar preferencialmente la transcripción  en respuesta al MR sobre el GR o pueden unirse específicamente  al MR. Dado que el MR puede unirse a muchas áreas  de ADN que carecen parcial o totalmente de secuencias HRE clásicas,  es posible que los HRE no sean indispensables para la regulación  genómica por el MR.  El MR puede formar  complejos con otros factores de transcripción  que tienen sitios de unión  en estas regiones libres de HRE, más que unirse directamente   al ADN.  

La aldosterona, el principal mineralocorticoide fisiológico, es sintetizada  en la zona glomerulosa de la corteza adrenal  bajo la regulación  del sistema renina-angiotensina (RAS), los niveles extracelulares de potasio  y la hormona adrenocorticotrópica (ACTH). Su función en la regulación  del balance de sal y líquido es activada alterando   la maquinaria de transporte  de sodio de las células epiteliales  tubulares renales y es crítica para la protección  contra la hipovolemia. Además de la aldosterona, el MR humano tiene alta afinidad  por los glucocorticoides cortisol y  corticosterona y el esteroide sexual progesterona. Esto es un vestigio de evolución, con progreso de un receptor corticoesteroide (CR) multifuncional en animales marinos primitivos  a distintas hormonas mineralocorticoides  y glucocorticoides y receptores  en animales terrestres de orden superior. Dado que los mineralocorticoides  son menos abundantes  que los glucocorticoides  en la circulación y el líquido intracelular, deben existir mecanismos para conferirles especificidad  de los efectos en el MR. La enzima 11-beta-hidroxiesteroide deshidrogenasa tipo 2 (HSD11B2), co-expresada  con MR en células epiteliales, metaboliza  cortisol en cortisona, la cual no puede unirse  o activar al MR. Esto es crucial para la especificidad  de la aldosterona como  regulador  de la homeostasis de fluidos. Si la HSD11B2 es deficiente o inhibida, se desarrolla hipertensión  e hipokalemia  debido a la activación del MR renal por el cortisol. En los vasos sanguíneos, la deficiencia  o inhibición  de HSD11B2 altera la vasodilatación  mediada por endotelio, pero la causa no es la ocupación  de MR por glucocorticoides. Un potencial mecanismo puede involucrar  la regulación  de la expresión de sintetasa de óxido nítrico endotelial (eNOS). Los glucocorticoides inhiben la transcripción de eNOS.

Generalmente, en los tejidos que no expresan HSD11B2, los glucocorticoides  son los ligandos fisiológicos del MR con  excepción  de los tejidos  que expresan HSD11B1 sin co-expresión de hexosa-6-fosfato deshidrogenasa (H6PD). La H6PD genera la forma reducida de nicotinamida adenina dinucleótido fosfato (NADPH), sin la cual la HSD11B1 desvía su rol  de reductasa  a deshidrogenasa, metabolizando cortisol a cortisona.  Por otra parte, en situaciones de estrés oxidativo intracelular, como inflamación o isquemia, los glucocorticoides pueden activar el MR y por consiguiente la actividad transcripcional. La disponibilidad de ligando, la distribución de la expresión de HSD11B2 y el estatus redox de las células determinan la respuesta final del MR a su activación por ligando.  Las propiedades intrínsecas de la estructura del MR influyen en el resultado de la unión del ligando al receptor. La forma del LBD del MR y las fuerzas de van der Waal entre los residuos del LBD y el esteroide  determinan la afinidad de unión  del ligando  y la actividad transcripcional. Después de la unión con el ligando, el MR cambia  su conformación y recluta  otros elementos  que facilitan la localización y transcripción nuclear. La aldosterona se mantiene unida al MR por un período comparativamente más largo que el cortisol, lo cual estabiliza al MR  en una conformación  que le permite reclutar co-reguladores más efectivamente y hace que la aldosterona  tenga mayor potencia que el cortisol  para inducir la transcripción de genes. Es posible también que la activación del MR y la translocación al núcleo ocurran sin unión de ligando, lo cual puede ocurrir  en el contexto de estrés oxidativo.

El MR utiliza varios mecanismos para llevar a cabo el cambio celular.  Estos mecanismos permiten diversidad  en  la duración, la magnitud  y el contexto  de la naturaleza del efecto. El MR regula la transcripción  de muchos genes relacionados con el manejo  de electrolitos en células epiteliales renales, incluyendo canales o transportadores de sodio. Adicionalmente, se han descrito genes blancos de MR en tejido aórtico y cardiaco, los cuales tienen diversas funciones  en estrés oxidativo, mediadores inflamatorios, biosíntesis  de esteroides y  estructura celular. La transcripción de genes  y la traslación de proteínas  es un proceso relativamente lento. Esto podría ser inadecuado cuando se requiere una respuesta homeostática  rápida ante disturbios agudos como una hemorragia. En este contexto, la activación del MR puede disparar eventos celulares más rápidos  a través de mecanismos no genómicos. Por ejemplo, la aldosterona incrementa la actividad del canal epitelial de sodio (ENaC) en dos minutos. El MR  es capaz de utilizar segundos mensajeros  para iniciar estos efectos rápidos.   

Las  proteínas quinasas activadas por mitogeno (MAPK) son un grupo  de proteínas serina/treonina citoplasmáticas que catalizan la fosforilación  y activación de otras proteínas para regular numerosos procesos celulares.  Como una cascada de quinasas activadas secuencialmente, la MAPK transmite señales de la superficie  al interior de la célula. En mamíferos, las familias claves de MAPK son: la quinasa regulada por señal extracelular (ERK), la p38 quinasa (p38 MAPK) y la c-jun N-terminal quinasa  (JNK), las cuales pueden ser disparadas por la activación  de MR.  La señal MAPK es importante para la proliferación o apoptosis  mediada por MR, como ocurre en el desarrollo neonatal  del riñón  y el manejo de electrolitos  celulares.  La cascada ERK (RAS-RAF-MEK-ERK) es activada rápidamente  (2-5 minutos) por la aldosterona. La JNK puede ser similarmente  activada en 5 minutos y la  p38 MAPK en 10 minutos. La actividad ERK1/2  tarda alrededor de 30 minutos pero puede extenderse  hasta dos horas  en un mecanismo  dependiente de la proteína quinasa D (PKD), con una eventual prolongación de la respuesta  de 4-6 horas que requiere la transcripción  del ARNm de kirsten Ras (K-Ras). Por otra parte, la aldosterona estimula la actividad de la fosfatidilinositido 3-quinasa (PI3K), la cual fosforila al fosfatidilinositol de la membrana y  genera  fosfatidilinositol 3,4,5-trifosfato (PIP3).  El PIP3 es requerido para activar quinasas dependientes de fosfatidilinositol (PDK) y en última instancia a la Akt como efector de procesos celulares dependientes  de PI3K. La fosforilación de la Akt dependiente  de MR ocurre a los 15 minutos de la exposición a la aldosterona, lo que sugiere que la PI3K/Akt  es una ruta  para efectos  rápidos mediados  por MR incluyendo el manejo de electrolitos y la función vasomotora. Generalmente, PKC y PKD forman parte de una cascada de señalización regulada por receptores de superficie acoplados a proteína G.  La activación de la PKC provoca la fosforilación de la PKD en dos sitios críticos para llevar a cabo efectos que regulan  hacia abajo   la supervivencia celular, la migración celular e interacciones con las cascadas MAPK. El MR usa la señal PKC y PKD para alterar el manejo de electrolitos en células epiteliales de túbulos renales y  cardiomiocitos.

Las cascadas de señalización inducidas por el MR son complejas e intrincadas. Esto se exacerba cuando se considera la participación de otros receptores en el proceso. En muchos casos, los segundos mensajeros no son  activados directamente  por el MR.  El MR transactiva otros receptores, los cuales disparan la señal  de una manera similar a cuando son  activados por sus propios ligandos. Sin embargo, aunque estos receptores transactivados tienen  sus segundos mensajeros, sus efectos no son idénticos  debido a diferencias en la expresión de receptores  y al contexto específico  requerido para la activación  (particularmente el estatus redox). El receptor del factor de crecimiento  epidermal (EGFR) es un receptor  tirosina quinasa transmembrana, el cual conjuntamente con otros receptores  estructuralmente similares como HER2, ErbB3 y ErbB4, forma parte  de la familia ErbB. El EGFR activado forma homodímeros o heterodímeros  con otros miembros de la familia  ErbB y dispara la autofosforilación  de residuos tirosina en sus dominios citoplasmáticos y la activación  de cascadas  de señalización intracelulares asociadas, incluyendo MAPK,  JAK/STAT y PI3K/Akt. El EGFR, un mediador del crecimiento y la  reparación, contribuye  a la fibrosis cardiaca y renal  disparada por el sistema renina-angiotensina-aldosterona (RAAS).  La aldosterona activa al EGFR en un proceso no dependiente de MR  disparando la cascada  ERK y causando entrada de calcio  y alcalinización celular  a través  del incremento del intercambiador sodio/hidrógeno (NHE)-1. Otras rutas de señalización multifuncionales  activadas por la aldosterona vía EGFR como PI3K/Akt y JNK son dependientes de MR. El estado redox celular influye en el proceso de señalización, el antioxidante  N-acetilcisteína (NAC) previene  los efectos  de la  transactivación  aldosterona-MR  sobre  EGFR y PI3K. El vinculo entre MR y EGFR es la tirosina quinasa c-Src, la cual fosforila  un residuo tirosina en la posición 845 del EGFR. La aldosterona incrementa rápidamente  la fosforilación de c-Src. Más aún, la activación de c-Src  puede ser dependiente  de PDGFR en una compleja interacción  que ocurre en invaginaciones celulares, llamadas caveolas. La transactivación  de PDGFR por el MR facilita la translocación  de c-Src  a los dominios ricos en colesterol y su fosforilación.  Hay una relación sinérgica entre MR y EGFR, la expresión de EGFR es regulada hacia arriba  por la activación de MR mientras la activación de la señal ERK1/2 por el EGFR  es un importante facilitador del transporte nuclear de MR. Estos eventos complementarios  podrían potenciar la señal relacionada con EGFR  por la activación prolongada de MR.

El receptor del factor de crecimiento similar a insulina (IGF1R) es importante en la regulación del crecimiento celular  principalmente  a través de la señal MAPK y el metabolismo  a través de la señal  PI3K/Akt.  Su ligando primario, IGF-1, no solo es importante como efector de la hormona de crecimiento, sino también en la función cardiovascular, resistencia a la insulina y la función de las células β pancreáticas. La aldosterona induce la fosforilación de IGF1R en fibroblastos cardiacos y renales y en células epiteliales renales. En fibroblastos, la aldosterona no requiere  MR para transactivar al IGF1R, pero utiliza c-Src como intermediario. La activación  de c-Src  en fibroblastos  puede depender de un receptor de membrana acoplado a proteína G. En el epitelio renal, la transactivación de IGF1R  requiere  MR, pero el mecanismo aun no es  bien conocido. El IGF-1 puede llevar a cabo algunos  efectos de la aldosterona  sobre el manejo  renal de sodio vía PI3K y también puede activar  sistemas de segundo mensajero similar al MR, por lo que el IGF1R  es candidato a intermediario de la acción  MR.  La expresión  de IGF1R puede ser regulada hacia arriba  por MR, particularmente en condiciones  de estrés oxidativo.

La angiotensina II, un importante  efector  del sistema RAAS y  secretagogo de aldosterona, actúa principalmente  a través de dos receptores: AGTR1 y AGTR2. El AGTR1  está asociado  con las funciones clásicas  de la angiotensina II como vasoconstricción, generación de ROS, proliferación de células vasculares, producción de aldosterona, retención de sal y líquido e incremento de la actividad simpática y ha sido identificado como un importante facilitador de los efectos genómicos  mediados por la aldosterona.  El AGTR2 tiene efectos opuestos  incluyendo vasodilatación, generación de óxido nítrico y promoción de apoptosis. El AGTR1 y el MR pueden jugar un rol  en la señalización rápida disparada por  mineralocorticoides y angiotensina II. Por ejemplo, AGTR1 y MR  son requeridos para la activación  de NF-κB,  el cual regula numerosos genes inflamatorios. Dado que la angiotensina II  también requiere  MR para la activación de NF-κB, la relación entre MR y AGTR1 es un mecanismo  molecular de señalización común  de ambos ligandos. Sin embargo, la naturaleza de la interacción MR-AGTR1  varía entre los tipos de células. Así, en contraste con las células vasculares, la fosforilación  de ERK inducida por aldosterona en cardiomiocitos  necesita  de MR y AGTR1. En roedores, el AGTR1  ocurre en dos subtipos (a y b), los cuales tienen  efectos diferentes  sobre las rutas de señalización. La  relevancia de los subtipos AGTR1  en humanos no está clara.   La c-SRC es un importante vínculo entre  MR, AGTR1 y la cascada ERK. En efecto, la señal EGFR/PDGFR con activación de c-Src puede ser disparada por el sinergismo  de angiotensina II y aldosterona.  Aparte de la contribución de c-Src, se desconoce exactamente  cómo los mineralocorticoides y el MR pueden transactivar al AGTR1.  La aldosterona dispara la dimerización de AGTR1 con la enzima transglutaminasa como intermediario crítico. Dado que la actividad transglutaminasa  es dependiente de calcio, la entrada de calcio  inducida por la aldosterona puede ser un regulador temprano  de la transactivación  del AGTR1. No está claro si esto es un efecto  dependiente de MR o no.

La relación entre aldosterona, angiotensina II, MR y AGTR1 aumenta mutuamente  la señal  de cada sistema ligando-receptor  individual. La aldosterona   es capaz de regular hacia arriba  la expresión de MR y AGTR1. En los cardiomiocitos, el control de la expresión  de MR por la aldosterona  es dependiente de MR acoplado a la señal AGTR1  mientras la expresión de AGTR1 es regulada por  la transactivación  de la señal AGTR1 independiente de MR. Más aún, la activación  de MR por aldosterona incrementa la transcripción del ARNm  de la enzima convertasa de angiotensina (ACE) en la aorta   de ratas tratadas con aldosterona y en cultivos de células  endoteliales de aorta. Este proceso es dependiente  de JAK2 y requiere regular hacia abajo la señal c-Src y la transactivación de EGFR. La expresión de ACE en cardiomiocitos es similarmente aumentada por el MR. En una relación bilateral, la angiotensina II puede transactivar  MR vía AGTR1 e incrementar la transcripción de genes dependientes de  MR. La transactivación de  MR por  el AGTR1 puede involucrar  al RAC1, el cual es altamente  activado en modelos de roedores   de exceso de sal y angiotensina II.  El MR actúa vía  AGTR1 para regular hacia arriba  marcadores profibróticos  como colágeno 1A y 3A y actina de músculo liso. Por lo tanto, MR y AGTR1 están entrelazados  en múltiples puntos facilitando la cooperación  de los diferentes sistemas efectores del RAAS.

El  receptor de estrógeno acoplado a proteína G (GPER, también conocido como GPER-1 o GPR30) es expresado en numerosos tejidos como cardiomiocitos, endotelio vascular, pulmón, hígado y tejidos reproductivos.  El 17β-estradiol (E2) fue el primer ligando conocido del GPER, el cual es responsable de algunos de los efectos rápidos  del E2 vía  MAPK y PI3K mediados por la transactivación de EGFR.  EL GPER  también es responsable  de algunas acciones celulares rápidas  de la aldosterona que involucran la señal ERK. La activación de ERK por la aldosterona  puede ocurrir  a través de MR o GPER. Actualmente es motivo de debate si la aldosterona es un verdadero ligando de GPER. Aunque hay una aparente  activación  de GPER  con  niveles fisiológicos de aldosterona, la unión no ha sido definitivamente demostrada.  Los mecanismos alternativos  de acción de la aldosterona  vía GPER incluyen   la asociación física  directa  entre MR y GPER,  a través de segundos mensajeros, la inducción local de la aldosterona sintetasa  por el GPER y la modificación de la proteína estructural  estriatina, la cual puede modular la función del receptor de esteroides.

La activación por el MR de los sistemas de señalización de otros receptores de membrana incrementa la diversidad de sus funciones. Estas interacciones  necesariamente son dependientes de contexto. En particular, el estatus redox  de las células  es un determinante mayor  del acceso del MR a estas rutas alternas. El estatus redox influye en la activación del MR y  en muchos  de los procesos celulares disparados  por el MR. La generación de ROS es incrementada por la activación del MR  a través  de la regulación hacia arriba de la NOX, una enzima  unida a membrana  que genera superóxido a partir de NADPH y oxígeno. La NOX está presente en leucocitos, donde el superóxido es requerido  para el estallido oxidativo antimicrobiano, cardiomiocitos y células endoteliales. Las ROS generadas por la NOX tienen numerosas funciones reguladoras incluyendo  fosforilación de proteínas,  reacciones enzimáticas, transporte de iones, crecimiento celular y muerte celular. La aldosterona  incrementa rápidamente la generación de ROS por NOX en cardiomiocitos y músculo liso de vasos sanguíneos.  Este efecto de la aldosterona es dependiente de MR. El MR también incrementa la generación de ROS por la NOX  a través del EGFR.  En cardiomiocitos, la interacción MR-EGFR utiliza la cascada PI3K/Akt para activar la NOX, la cual a su vez dispara la generación de ROS en las mitocondrias.  Adicionalmente, el MR regula hacia arriba la NOX por mecanismos genómicos incrementando la síntesis de las subunidades  de NOX en células mesangiales renales, células endoteliales y corazón. La generación de ROS  es un co-factor necesario para ciertas rutas  de señalización del MR; por ejemplo, el tratamiento antioxidante atenúa la capacidad de la aldosterona para transactivar al EGFR. También, algunas transcripciones mediadas por MR podrían ser sensibles  al estatus redox incluyendo genes pro-inflamatorio y profibróticos.

La mayoría  de los sistemas de señalización  activados por MR y mineralocorticoides  son ubicuos y en algunos tejidos específicos  se observa una respuesta coordinada uniforme. Esto ha sido mejor caracterizado  en las células epiteliales de los túbulos renales, aunque el MR también es expresado en glándulas sudoríparas, tracto gastrointestinal y glándula  mamaria donde regula el manejo celular de electrolitos. La activación MR provoca efectos homeostáticos rápidos y sostenidos  a través de una combinación  de segundos mensajeros y transcripción de genes. El efecto del MR sobre genes  ha sido bien descrito en la fisiología renal.  Todas las células epiteliales del nefrón distal  expresan el canal epitelial de sodio (ENaC), el mayor contribuyente  a la resorción de sodio en el nefrón distal. El ENaC es una proteína heterotrimérica que comprende subunidades α, β y γ, las cuales son empacadas inicialmente en el aparato de Golgi, emergen de la red trans-golgi adyacente  en endosomas  y eventualmente se dirigen e insertan  en la membrana apical donde se vuelven activas.  La activación MR  incrementa la entrada de sodio  vía ENaC, al menos en parte, a través de la transcripción directa  de la subunidad α. La activación MR también incrementa los niveles de proteína de la bomba Na/K-ATPasa, responsable de la salida de sodio hacia el intersticio a través de la membrana basolateral. El MR también incrementa la expresión de genes que regulan  las modificaciones post-translacionales de la maquinaria del manejo celular de electrolitos, proporcionando una respuesta más rápida  que la síntesis directa  de canales o transportadores. Uno de los genes transcriptos rápidamente es el SGK1, el cual incrementa  la actividad de ENaC y el co-transportador sodio cloruro sensible a tiazida (NCC), un contribuyente menor de la resorción renal de sodio. El SGK1 fosforila la proteína ligasa Nedd4-2, previniendo la destrucción de ENaC y NCC. Otros genes blancos del MR  actúan sinérgicamente  con el SGK1 para prevenir  la destrucción de  ENaC y NCC.  Los efectos rápidos mediados por  MR sobre el ENaC incrementan su expresión y actividad. Por ejemplo, la señal MR vía IGF1R activa la PI3K y los productos de PI3K interactúan con el ENaC para incrementar la probabilidad de abrir canales. Esto genera un rápido pero transitorio   efecto después del cual  los mecanismos genómicos (vía SGK1)  contribuyen al mantenimiento   de la actividad del ENaC.

En conclusión, el MR y los mineralocorticoides  regulan el manejo epitelial de electrolitos e inducen diversos efectos en otros tejidos. Tradicionalmente, los efectos del MR fueron adscritos  a la unión ligando-receptor y la activación  de la transcripción de genes. Sin embargo, el MR también utiliza otras cascadas de señalización, a menudo por transactivación de otros receptores para cambiar la función celular  más rápidamente. Aunque la aldosterona es el mineralocorticoide  fisiológico no es el único ligando  del MR. Más aún, no todos los efectos de la aldosterona  son mediados vía MR, con implicación  de otros receptores unidos a membrana  como el GPER.  Utilizando  sistemas de segundos mensajeros  y eventos de transcripción  genómica, la activación MR en  riñón y vasos sanguíneos  preserva la homeostasis. Los efectos específicos de los mineralocorticoides y tejido-selectivos son conferidos  a través  de la enzima 11β-hidroxiesteroide deshidrogenasa 2, el estatus redox celular y las propiedades  el MR.

Fuente: Ong GSY y Young MJ (2017). Mineralocorticoid regulation of cell function: the role of rapid signalling and gene transcription pathways. Journal of Molecular Endocrinology 58: R33-R57.