El eje hipotálamo-hipófisis-ovarios Un viejo conocido, nuevos hallazgos y más por conocer

Transcripción

1 El eje hipotálamo-hipófisis-ovarios Un viejo conocido, nuevos hallazgos y más por conocer Angélica Trujillo Hernández1, Gabriela Paola Gutiérrez Gutiérrez1, Rosa Linares Culebro2, Ma. del Carmen Cortés3 y José Ramón Eguibar3,4 1 Escuela de Biología. Benemérita Universidad Autónoma de Puebla 2UIBR. Laboratorio de Fisiología de la Reproducción. FES-Zaragoza-UNAM 3 Instituto de Fisiología, Benemérita Universidad Autónoma de Puebla 4 Dirección General de Investigación de la Vicerrectoría de Investigación y Estudios de Posgrado, Benemérita Universidad Autónoma de Puebla Sin duda uno de los paradigmas cruciales en la biología es la reproducción, proceso por el cual se asegura la continuidad de las especies. Este proceso ha sido de interés para muchos investigadores a lo largo de la historia de la ciencia, uno de los hallazgos más importantes dentro de la fisiología fue la descripción del eje neuroendocrino de regulación de la función reproductiva a saber el eje hipotálamo-hipófisis-ovarios. Este eje involucra la participación de la hormona liberadora de las gonadotropinas (GnRH) de origen hipotalámico, de las hormonas hipofisarias (FSH y LH) y de las hormonas esteroideas ováricas (progesterona, testosterona y estradiol). En este capítulo se hace una revisión general de cada uno de los componentes recordando los principios básicos de la regulación neuroendocrina de este eje, así como también algunos datos recientes que nos ayudan a entender la regulación del proceso reproductivo y a darnos cuenta de que hay más por conocer. En las mujeres hay aproximadamente unas 1000 neuronas secretoras de GnRH que constituyen la vía final común por medio de la cual el sistema nervioso central controla la secreción de las gonadotropinas. La GnRH 95

2 es sintetizada por neuronas peptidérgicas que se originan de la placoda olfatoria desde donde migran y se ubican preponderantemente en áreas rostrales del diéncefalo que incluye el órgano vasculoso de la lámina terminal; el área preóptica hipotalámica anterior y los núcleos ventromedial y arcuato del hipotálamo. La GnRH es un decapéptido que es codificado por el gen GnRH, este gen ha sido aislado en la rata, el ratón y la mujer, en este último caso dicho gen se localiza en el cromosoma 8 y transcribe una pre-proteína de 92 aminoácidos que da lugar a la GnRH y un péptido de 56 aminoácidos llamado GAP y que está asociado a la neurohormona. La GnRH es una molécula que se ha conservado desde los peces hasta el hombre, se reportan al menos cinco variantes. La secuencia lineal de GnRH en mamíferos es: varía tanto en frecuencia como en amplitud durante las diferentes etapas reproductivas de la hembra. En las niñas pre púberes, la frecuencia de estos pulsos es de uno cada 3 a 4 horas. En la mujer adulta la frecuencia de secreción de GnRH es de un pulso cada 90 a 100 minutos en la fase folicular temprana, mientras que hay un pulso de GnRH cada 60 minutos en la fase folicular tardía (Tabla 1). pyroglu1-his2-trp3-ser4-tyr5-gly6-leu7-arg8-pr09-gly1o-nh2 La GnRH es liberada en las terminales axónicas de las neuronas GnRHérgicas, localizadas en la eminencia media, hacia la circulación portal-hipotálamo-hipofisaria y por esta vía la GnRH ejerce su efecto sobre los gonadotropos localizados en la adenohipófisis. Dicha liberación se da gracias a la llegada de un potencial de acción que provoca la entrada de iones de calcio a través de canales dependientes de voltaje, estos eventos provocan la fusión de vesículas que contienen al GnRH sobre la membrana de la terminal axónica, lo que finalmente resulta en la liberación de GnRH por exocitosis. La secreción de GnRH, en los mamíferos y en específico en las hembras de mamíferos, es pulsátil, esta secreción Tabla 1. Datos sobre la liberación pulsátil de GnRH y las concentraciones de gonadotropinas y hormonas ováricas, en diferentes fases del ciclo menstrual en la mujer adulta La frecuencia de secreción de GnRH es regulada por varios factores entre los que podemos citar a los opioides endógenos, la noradrenalina (NA), la dopamina (DA), la serotonina (5-HT), el ácido gamma-aminobutírico (GABA), entre otros. En etapas puberales de los primates, la secreción de GnRH es inhibida por el GABA y la remoción de esta inhibición coincide con el establecimiento de la pubertad. Con la perdida de dicha inhibición el eje reproductivo es susceptible de ser estimulado por aminoácidos excitatorios tales como el glutamato (Figura 1)

3 hipogonadismo hipogonadotrópico, esta condición no estaba relacionada con un defecto a nivel de la respuesta hipofisaria a GnRH, ni con la alteración de los procesos de migración de las neuronas GnRHérgicas en etapas tempranas del desarrollo. La ausencia de GPR54 y, por lo tanto, de los efectos biológicos de las kisspeptinas, parecían inducir alteración en la capacidad secretora de la neurona GnRHérgica, lo que abrió la puerta a numerosos estudios para tratar de explicar el papel que las kisspeptinas tienen en la regulación del eje hipotálamo-hipófisis-ovario. Figura 1. Representación esquemática de la regulación neuroendócrina del eje hipotálamo-hipófisis-ovario. (NA: noradrenalina, A: adrenalina, CRF: factor liberador de corticotrofinas, GABA: ácido gamma amino butírico, NPY: neuropéptido Y, VIP: péptido intestinal vasoactivo, DA: dopamina, AVP: péptido arginina-vasopresina, GnRH: hormona liberadora de las gonadotropinas, FSH: hormona folículo estimulante, LH: hormona luteinizante). En la última década se han descrito nuevas moléculas que regulan también la secreción pulsátil de GnRH, a saber, el receptor acoplado a proteína G llamado: GPR54 y sus ligandos, las kisspeptinas, péptidos que son codificados por el gen Kiss1. Este relativamente nuevo descubrimiento marco un relevante avance en la fisiología de la reproducción, y dio luz a una serie de investigaciones que siguen aún en día y que nos muestran que en la biología aún hay mucho por conocer. En el año 2003 las kisspeptinas aparecieron en el ámbito de la reproducción. Dos grupos de investigadores independientes, comandados por los doctores Roux y Seminara respectivamente, demostraron que las mutaciones que inactivaban el gen para el receptor GPR54, ahora catalogado como gen Kiss1R, inducían Las investigaciones han puesto de manifiesto que existe un intrincado sistema de regulación del eje hipotálamo-hipófisis-ovario en el que participan activamente las kisspeptinas. Este sistema de regulación involucra varios pasos: 1) Aumento de la expresión de kisspeptinas en el hipotálamo; 2) Incremento en la sensibilidad de las neuronas GnRH a la estimulación por kisspeptinas y 3) En la etapa puberal las neuronas kispetinérgicas muestran incremento en el número de sus dendritas y en consecuencia se presenta un incremento en el número de sinapsis con neuronas GnRHérgicas. Sin embargo, queda aún por explicar que señales ponen en marcha este grupo de cambios en la expresión de kisspeptinas, así como dilucidar si son las kisspeptinas un mecanismo desencadenante primario de la pubertad o aparecen cómo señales posteriores que coadyuvan a la activación del eje hipotálamo-hipófisis-ovario. En este sentido, hay algunas evidencias que postulan la participación de las kisspeptinas en la regulación del eje hipotálamo-hipófisis-ovario. En el año 2004, los primeros datos experimentales mostraban que los esteroides 98 99

4 ováricos eran capaces de inhibir la expresión hipotalámica del gen kiss1. Posteriormente se publicó que los estrógenos y andrógenos podían suprimir la expresión de kiss1 específicamente en el núcleo arcuato; lo que ponía de manifiesto que las hormonas ováricas podían regular la expresión de kisspeptinas y por esta vía participar también en la regulación del eje neuroendócrino hipotálamo-hipófisis-ovario. Controversialmente, otros trabajos mostraron que la población de neuronas kisspetinérgicas no es homogénea, y que mientras unas neuronas responden de manera inhibitoria ante la acción de hormonas esteroideas, hay otras neuronas que responde de manera estimulante. La testosterona y los estrógenos inhiben la expresión del ARNm de Kiss- 1 en el núcleo arcuato del hipotálamo, mientras que los estrógenos aumentan la expresión del gen kiss-1 en el núcleo periventricular anterior hipotalámico. Dado que la regulación esteroidea de la expresión de kiss-1 parece ser núcleo específica, es muy probable que tanto la posición de las neuronas kisspeptidérgicas, como las aferencias provenientes de otras áreas neuronales expliquen su heterogeneidad. Como se podrá notar el papel del sistema kisspeptidérgico y su participación y control en los eventos reproductivos es aún incierto y representa un campo abierto en la biología de la reproducción esperando a ser explorado. En el eje clásico de regulación hipotálamo-hipófisis-ovarios, la GnRH estimula tanto la liberación de la LH como de la FSH mediante la unión a receptores específicos de alta afinidad localizados en las membranas plasmáticas de los gonadotropos localizados en la adenohipófisis. El desarrollo del linaje celular de la hipófisis, entre los que se encuentran los gonadotropos, depende de la especie, ya que en oveja los gonadotropos se pueden detectar a partir del día 49 de gestación, en el cerdo desde el día 45 y en mono en el día 53 gestacional. En el humano, la LH aparece durante el tercer mes de gestación y la FSH a comienzos del cuarto mes. La FSH y la LH son glicoproteínas estructuralmente relacionadas, ya que poseen una subunidad α común y una subunidad β específica de cada hormona. En la mujer la subunidad α contiene 92 aminoácidos y está codificada por un gen situado en el brazo corto del cromosoma 6. Las subunidades β están codificadas por dos genes ubicados en el cromosoma 19 para LH y en el cromosoma 13 para FSH; ambas hormonas poseen moléculas de oligosacáridos en cantidad variable. A pesar de recibir señales hormonales autocrinas, paracrinas y endocrinas idénticas, la síntesis y liberación de LH y FSH parece estar regulada diferencialmente durante el ciclo estral (en roedores) y menstrual (en la mujer) y esta regulación tiene lugar principalmente a nivel de la transcripción de las subunidades β que constituyen ambos péptidos. El aumento en la frecuencia de pulsos de GnRH favorece la expresión de la subunidad β de LH, mientras que, una disminución en la frecuencia pulsátil de GnRH resulta en la expresión de los genes de la subunidad β de FSH. Una vez sintetizadas, las gonadotropinas se almacenan en gránulos para ser liberadas de forma pulsátil bajo el estímulo de la GnRH y viajan en la sangre hasta unirse a sus receptores que se encuentran en los ovarios y ejercer su efecto biológico. Las acciones de las gonadotropinas son conocidas desde hace muchos años. Estas hormonas participan en la regulación de las dos funciones ováricas, la ovulación y la esteroidogénesis. Aunque los estadios iniciales del

5 folículo no dependen de las gonadotropinas, se sabe que la FSH es indispensable en la regulación del crecimiento y maduración folicular, fenómeno que culminará con la ovulación. Los cambios en la concentración fisiológica de FSH durante el desarrollo folicular tienen un papel fundamental en la selección del folículo que iniciara su crecimiento y llegará a ovular en respuesta al estímulo de la LH. La participación de las gonadotropinas en la regulación de la esteroidogénesis ha sido ampliamente estudiada. Diversos estudios han reportado que la LH estimula la producción de andrógenos por parte de las células de la teca. Mientras que, la FSH actúa sobre las células de la granulosa y estimula la actividad de la aromatasa, la enzima que interviene en la conversión de los andrógenos en estrógenos. La secreción de FSH y LH está regulada por mecanismos de retrocontrol que involucran la participación del hipotálamo y de los ovarios. Este evento se mantiene durante la mayor parte de la vida reproductiva y se da de manera pulsátil (Tabla 1). A continuación haremos una breve descripción de la anatomía y fisiología ovárica, relacionando el papel de las gonadotropinas con el funcionamiento de la gónada femenina, así como el papel de las hormonas ováricas en la regulación del eje hipotálamo-hipófisis-ovario. El ovario de los mamíferos es un órgano complejo cuya unidad morfológica y funcional es el folículo ovárico. Este está constituido por: 1) el ovocito primario detenido en la profase de la primera división meiótica, 2) las células de la granulosa conectadas entre sí y con el ovocito por uniones de tipo comunicante, 3) la lámina basal que las rodea, 4) células de la teca dispuestas alrededor de la membrana basal, vasos sanguíneos y linfáticos que no llegan a la capa granulosa. El folículo ovárico tiene un proceso de maduración y desarrollo que se inicia con el folículo primordial constituido por el ovocito y una capa de células granulosas aplanadas, también llamadas células foliculares. Dependiendo de la especie, esta etapa se completa durante el desarrollo fetal (humano, mono Rhesus, cobaya, oveja) o en la etapa perinatal (rata, coneja, armiño). A partir de este momento las etapas siguientes en la vida del folículo pueden detenerse por lapsos de tiempo prolongados (días a décadas) hasta que una o varias señales (nerviosas, endócrinas y ambientales) lo inducen a continuar su proceso de crecimiento y maduración. Los cambios más evidentes de este proceso son: el aumento de tamaño del ovocito, las células de la granulosa cambian su forma de aplanadas a cuboidales, se dividen por mitosis y se forma la zona pelúcida. Cuando se completan de tres a cuatro capas de células granulosas, los capilares invaden la zona fibrosa que rodea al ovocito y junto con las células teco-intersticiales constituyen la teca interna. Esta fase, llamada preantral, finaliza cuando entre las células granulosas aparecen acúmulos multifocales de fluido, que se constituyen por extravasación de plasma y que contiene diferentes sustancias elaboradas por las células granulosas en respuesta al estímulo de la FSH

6 A medida que aumenta la cantidad de líquido se constituye una cavidad que lo contiene: el antro folicular, por lo cual las etapas posteriores del desarrollo del folículo se conocen como antrales. Antes de la pubertad, algunos folículos antrales entran en un proceso conocido como atresia, el cual implica la muerte y degeneración del ovocito y de las células de la granulosa, así como la diferenciación de las células tecales que son incorporadas a las células del estroma constituyendo la glándula intersticial. Al final de la etapa peri puberal, tiene lugar el proceso conocido como ovulación, durante el cual el folículo de Graff libera el ovocito maduro hacia la superficie del ovario. el ovocito atraviesa toda la pared folicular y el epitelio superficial del ovario. para que se produzca tal evento son necesarios varios cambios en la pared del folículo, mediados por cambios hormonales y efectos enzimáticos. Después de la ovulación y de la eliminación del líquido folicular, la pared del folículo se colapsa y se tiene lugar la luteinización, que se caracteriza por una serie de cambios morfológicos y bioquímicos en las células de la granulosa y de la teca interna. El inicio del proceso de luteinización parece no estar sujeto al control hormonal sino que es iniciado precisamente por la salida del ovocito del folículo durante la ovulación. Estudios in vitro han mostrado que el ovocito inhibe los cambios morfológicos que se presentan en las células de la granulosa durante la luteinización. En los primates el cuerpo lúteo está formado por dos clases de células: las células teco-luteínicas, que se originan de las células de la teca interna; y las células granuloso-luteínicas que se originan de la capa de células de la granulosa. En la luteinización de las células de la granulosa hay un cambio en la forma de las mitocondrias, una transformación del patrón heterocromático del núcleo que da como resultado un nucleoplasma más homogéneo donde resalta la presencia de un nucléolo único, transformación del aparato de Golgi y aumento en el número de lisosomas; lo que culmina con la formación del cuerpo lúteo. La adquisición de las características ultraestructurales de las células luteínicas se correlaciona con la síntesis de cantidades progresivamente crecientes de progesterona. Después de la ovulación, este cuerpo lúteo constituye la mayor fuente de hormonas esteroideas. Los cambios morfológicos que experimentan los folículos ováricos dependen de variaciones hormonales. La FSH transportada al ovario por la sangre, se une su receptor membranal que se encuentra en las células de la granulosa activando al sistema de la adenilato ciclasa, provocando la conversión de ATP a AMPc, un segundo mensajero que estimula la síntesis y la actividad de la aromatasa, enzima indispensable en la síntesis de estrógenos, así la FSH estimula el crecimiento y la maduración de los folículos en el ovario. A mitad del ciclo estral cuando el folículo o folículos dominantes alcanzan su madurez, el estradiol circulante llega a un umbral crítico que ejerce un efecto estimulante sobre la hipófisis, dando por resultado el aumento brusco en las concentraciones de LH, lo que desencadena la ruptura del folículo y la expulsión del ovocito

7 Desde que la estrecha relación entre la hipófisis y los ovarios fue revelada, la LH, la FSH, y sus receptores se han estudiado intensamente con el objetivo de comprender la función y las anomalías en el funcionamiento de las gónadas. La pérdida de la función por mutaciones en cualquiera de los genes que codifican para la síntesis de las gonadotropinas o de sus receptores conduce al retraso de la pubertad, hipogonadismo, amenorrea primaria, y en consecuencia la infertilidad. En ausencia de señalización de FSH o LH, el crecimiento del folículo ovárico no avanza más allá de la etapa preantral o antral temprana, respectivamente, lo que lleva a un déficit en la producción de estrógenos y progesterona, lo cual trae como resultado ausencia de ovulación, tanto en humanos como en roedores. La dependencia del ovario hacia las gonadotropinas en las diferentes etapas de la vida reproductiva ha sido bien estudiada. Por ejemplo, el receptor de FSH (FSHr) se expresa en el ovario del ratón neonatal y su expresión aumenta significativamente en los tres primeros días de vida junto con la FSH sérica. La FSH promueve la supervivencia in vitro de ovocitos de ratón durante la formación del folículo primordial por la disminución de la apoptosis de los ovocitos. La mayor parte de los autores concuerdan en que el desarrollo del folículo preantral es independiente de las gonadotropinas. Por el contrario, el de los folículos antrales depende de éstas y además de hormonas esteroideas. Mientras que la LH es esencial para las etapas preovulatoria y la ovulación. Ante una alteración fisiológica que provoque la disminución de la producción de hormonas ováricas se pre- senta atrofia uterina y trastornos de los ciclos estrales, que se acompaña de alteración en el mecanismo de retroalimentación negativa del eje hipotálamo-hipófisiario y ello resulta en la secreción crónica de FSH y LH. El eje hipotálamo-hipófisis-ovario es altamente sensible a cualquier cambio o modificación de los elementos involucrados en el mismo, en los últimos años se han utilizados modelos animales con alteraciones en la secreción de hormonas o de receptores, y los resultados son variados y complejos, lo que nos ayuda a entender los mecanismos entre el defecto genético inicial y el fenotipo final y son útiles para predecir los posibles resultados de defectos similares en los seres humanos lo que abre el camino para mejorar las estrategias diagnósticas y terapéuticas para muchas enfermedades. Un ejemplo de estos estudios es el relacionado con la fertilidad femenina. Se sabe que para mantener dicha fertilidad es crucial mantener la reserva folicular primordial y asegurar un desarrollo folicular adecuado que culmine con la ovulación. Utilizando como modelo animal varias líneas de ratón genéticamente modificados con alteración de la acción de gonadotropinas se demostró que un ligero incremento en la secreción y acción de la FSH puede resultar en un incremento en la fertilidad, pero si la secreción es excesiva tanto de FSH como de LH conducen a una pérdida acelerada de folículos primordiales, un desarrollo folicular inadecuado, una mayor producción de hormonas ováricas, anovulación y, finalmente, a la interrupción de la función del eje hipotálamo-hipófisis gónadas

8 Como ya se ha mencionado el sistema KiSS-1/GPR54 está actuando principalmente en el hipotálamo. Sin embargo, la evidencia actual muestra que tanto KiSS-1 como los genes GPR54 también se expresan de manera importante en el ovario de la rata, pero ni su patrón de expresión, ni sus posibles funciones en el ovario han sido exploradas. En particular, el mecanismo por el cual las kisspeptinas impiden la metástasis tumoral probablemente implica la inhibición de proteasas, tales como la MMP-9, que ha sido implicada en la remodelación tisular y la ruptura folicular. Esto plantea la intrigante posibilidad de que, además de su papel esencial en el control hipotalámico de secreción de LH, la producción local de kisspeptinas podría contribuir directamente a la regulación de la ovulación, aunado a esto se ha mostrado que la expresión de las kisspeptinas varía a lo largo del ciclo estral, lo que puede indicar un papel funcional de estos péptidos no sólo en la ovulación, sino en el desarrollo folicular y probablemente en la secreción de hormonas ováricas. Es indiscutible el importante papel que juegan la LH y FSH en el fenómeno de la reproducción, como ya hemos mencionado las acciones que dichas hormonas hipofisiarias tienen a nivel del ovario y la regulación y que las hormonas esteroideas ejercen sobre la hipófisis, así mismo debemos mencionar que dichas hormonas hipofisiarias también están reguladas a través de un sistema de retrocontrol por otras hormonas peptidícas secretadas por el propio ovario, tales como la activina, inhibina, y la folistatina. La inhibina es un péptido formado por dos subunidades, una de 230 aminoácidos y otra de 134 ami- noácidos; la activina es, también un péptido dimérico constituido por dos unidades β de la inhibina (268 aminoácidos), mientras que la folistatina tiene una estructura diferente, siendo más semejante estructuralmente al factor de crecimiento epidérmico. Curiosamente, activina, inhibina y folistatina también se expresan en los gonadotropos adenohipofisiarios en la mujer adulta. Inhibina y activina pueden tener una función autocrina en dicho nivel. Mientras que folistatina puede regular la disponibilidad de activina de manera paracrina. En el folículo, la FSH estimula las células de la granulosa para inducir la secreción de inhibina, la cual aumenta en forma sostenida durante la fase folicular, alcanzando un pico simultáneo con el de LH; esto ayuda a frenar la secreción de FSH y asegurar la dominancia del folículo. Después de la ovulación la cantidad de inhibina secretada es mayor que en la fase folicular, lo que permite que en el ovario se suprima la síntesis de andrógenos dependiente de gonadotropinas. Por otro lado, la activina es un péptido similar a la inhibina pero con acción opuesta. Su acción en el folículo consiste en aumentar la unión de FSH a las células de la granulosa e incrementar el estímulo para la aromatización y secreción de inhibina. Existe evidencia que tanto la inhibina como la activina actúan sobre las células de la teca, regulando la síntesis de andrógenos. La inhibina aumenta el poder estimulador de LH, mientras que la activina lo suprime. Antes de la ovulación la activina suprime la producción de progesterona en la granulosa, impidiendo una luteinización precoz. También incrementa la acción de la FSH para inducir los receptores de LH en la granulosa. La folistatina por su parte modifica la acción de la FSH inhibiendo a la activina,

9 además posee una débil acción similar a la inhibina, frenando la liberación de FSH hipofisiaria. Datos de hace unas dos décadas indican que el circuito activina/folistatina/inibina es importante para la síntesis diferencial de las subunidades β de LH y FSH. La inhibina de origen ovárico suprime la producción de FSH durante el metaestro y diestro, fases del ciclo estral en donde la presencia de inhibina es abundante; sin embargo, la presencia de inhibina se reduce en el estro, por lo tanto, existen mayores concentraciones biodisponibles de activina, lo que se postula puede favorecer selectivamente la síntesis de la subunidad β de FSH. Por otro lado, también se ha reportado que, las hormonas esteroideas tales como progesterona, testosterona, y los glucocorticoides son capaces de inducir la expresión de la subunidad β de la FSH pero inhibir la expresión de la subunidad β de la LH, lo que da cuenta del intrincado mecanismo de regulación de la secreción de gonadotropinas vía las señales emitidas por los ovarios. mo en el que se basa cada nivel de regulación y nos dará acceso a plantear soluciones a complejos fenómenos reproductivos tales como la infertilidad, el síndrome del ovario poliquístico, el hipogonadismo, entre otras, que permitan mejorar la calidad de vida de la mujer. Sin duda el eje hipotálamo-hipófisis-ovario es uno de los hitos de la biología de la reproducción mejor conocidos, sin embargo, tal y como se ha intentado mostrar en el presente escrito, aún hay mucho más por saber, dado el intrincado y complejo sistema de retrocontrol que subyace en este sistema neuroendócrino aunado al hecho de que cada fase o etapa del ciclo reproductivo implica la presencia de señales y ambientes neuroendocrinos diferentes, lo cual dificulta aún más el emitir una sola teoría sobre los mecanismos de regulación del eje hipotálamo-hipófisis-ovarios. El permanente estudio de este eje y la aparición de nuevos datos experimentales nos permitirán entender mejor el complicado mecanis