UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA POSGRADO EN ZOOTECNIA & GESTIÓN SOSTENIBLE: GANADERÍA ECOLÓGICA E INTEGRADA JUNIO, 2011 INNOVACIONES CONCEPTUALES EN EL ESTABLECIMIENTO DE LA PUBERTAD DR. CÉSAR A. MEZA-HERRERA UNIVERSIDAD AUTÓNOMA CHAPINGO UNIDAD REGIONAL UNIVERSITARIA DE ZONAS ÁRIDAS MEXICO
SNC HIPOTALAMO GnRH HIPOFISIS FSH LH ±E 2 TECA FGF IGF-1 GRANULOSA OVARIO
POSNATAL PREPUBERAL < PULSO GnRH PUBERAL HIPOTALAMO > PULSO GnRH > PULSO GnRH X GnRH X HIPOPFISIS FSH LH ±E2 OVARIO
OBJETIVOS Comentar algunos conceptos endocrinos, fisiológicos, metabólicos y génicos que están involucrados en el proceso de establecimiento de la función del eje hipotálamo-hipofisiario-gonadal, que da como resultado el inicio de la función reproductiva en la pubertad. Para ello se abordarán aspectos básicos de la función del eje hipotálamo-hipófisis-gónadas, el control del eje mediante neurotransmisores y factores de crecimiento, así como la interacción de la función reproductiva y el estado metabólico. Finalmente, se abordarán el novel sistema KISS-I-kisspeptina-GPR54 en la modulación de la pubertad, así como la expresión jerárquica de genes principales reguladores de ésta: OCT-2, TTF-1 y EAP-1.
PLAN DE PRESENTACIÓN Aspectos básicos funcionales del eje H-H-G Neurotransmisores y regulación de la función reproductiva Aminoácidos excitadores y regulación de la FR Factores de crecimiento y modulación de la FR Estado metabólico y modulación del sistema neuroendocrino Estado metabólico y modulación del sistema leptina-kisspeptina Expresión jerárquica de genes reguladores de la pubertad Conclusiones Consideraciones finales
ASPECTOS BÁSICOS FUNCIONALES DEL EJE HIPOTÁLAMO-HIPÓFISIS-GÓNADAS El decapéptido GnRH es sintetizado en el área preóptica del hipotálamo de mamíferos por menos de 2,000 neurones, y es liberado, en animales adultos, en forma pulsátil cada 60 minutos dentro del sistema porta que conecta el hipotálamo a la pituitaria. Posteriormente, se enlaza a su receptor de alta afinidad (GnRH-R) sobre la superficie celular de los gonadotrófos. En animales jóvenes, el intervalo entre pulsos es mucho mayor, 90-120 minutos. La aceleración de la frecuencia del pulso acompañada por un incremento en su amplitud, y por lo tanto en el nivel total de liberación de GnRH, activa señales de transducción para promover tanto la síntesis como la liberación intermitente de las gonadotropinas, LH y FSH, dando inicio así al proceso puberal.
HIPOTALAMO & HIPOFISIS GnRH NEURONS GONADOTROFOS GnRH R HIPOFISIS ANTERIOR Ca +2 PLC DAG PIP PKA GONADOTROPINAS LH FSH
ASPECTOS BÁSICOS FUNCIONALES DEL EJE HIPOTALÁMICO-HIPOFISIARIO-GONADAL + E 2 GnRH NEURONS OVARIO GONADOTROPINAS GnRH LH FSH
PLAN DE PRESENTACIÓN Aspectos básicos funcionales del eje H-H-G Neurotransmisores y regulación de la función reproductiva Aminoácidos excitadores y regulación de la FR Factores de crecimiento y modulación de la FR Estado metabólico y modulación del sistema neuroendocrino Estado metabólico y modulación del sistema leptina-kisspeptina Expresión jerárquica de genes reguladores de la pubertad Conclusiones Consideraciones finales
NEUROTRANSMISORES & REGULACIÓN DE LA FUNCIÓN REPRODUCTIVA Los neurotransmisores (NT) son un forma especial de mensajeros químicos mediante los cuales los neurones se comunican con otros neurones, células musculares y células glandulares. Algunos NT pasan de una célula a otra, o pueden ser secretados hacia el espacio extracelular y producir una respuesta fisiológica. Actúan a través de receptores específicos localizados sobre la membrana celular o dentro de la célula a través de receptores citoplasmáticos. Algunos de los NT incluyen acetilcolina, aminas (dopamina, adrenalina, serotonina), aminácidos excitadores (glutamato, aspartato), aminoácidos inhibidores (glicina, GABA), polipéptidos (GnRH, NPY, opioides), purinas (adenosina, ATP), lípidos (anandamida) & gas (óxido nítrico).
MODULACIÓN DE DIFERENTES SISTEMAS NEUROTRANSMISORES Serotonina Catecolaminas (+) (-) PUB (-) PUB (-) PUB (-) PREPUB PREPUB PREPUB (+) GABA (r -) NO (+) NPY Opioides (+/-) PUB (+) PREPUB (-) (+) GnRH NEURONS (+) (+) Glutamato CCK-8 PITUITARIA ANTERIOR LH PUBERTAD
PLAN DE PRESENTACIÓN Aspectos básicos funcionales del eje H-H-G Neurotransmisores y regulación de la función reproductiva Aminoácidos excitadores y regulación de la FR Factores de crecimiento y modulación de la FR Estado metabólico y modulación del sistema neuroendocrino Estado metabólico y modulación del sistema leptina-kisspepsina Expresión jerárquica de genes reguladores de la pubertad Conclusiones Consideraciones finales
SUPLEMENTACIÓN PROTEICA PROTEINA PROTEASAS PEPTIDASAS PEPTIDOS AMINOPEPTIDASAS CARBOXYPEPTIDASAS ARG HIS MET ASP GLU ASP FUNCIÓN METABOLICA -Lactancia -Pubertad -Desarrollo Fetal FUNCIÓN NEUROMODULATORA -Gametogénesis -Fertilización -Embriogénesis
AMINOÁCIDOS SUPLEMENTACIÓN PROTEICA PROTEÍNAS TRANSPORTADORAS GLUT R IONOTRÓPICOS GLUT R METABOTROPICOS N-METIL-D-ASPARTATO, NMDA KAINATO AMINOMETIL ÁCIDO PROPIÓNICO, AMPA mglur-1 & 5 mglur-2 & 3 mglur-4, 6, 7 & 8 HIPOTALAMO GLUT, Principal Neurotransmisor Regulador de la Función Endocrina Aprendizaje & Memoria Alzheimer, Parkinson, & Epilepsia
AMINOÁCIDOS SUPLEMENTACIÓN PROTEICA PROTEINAS DE TRANSPORTE GLUT R IONOTRÓPICOS GLUT R METABOTRÓPICOS HIPOTÁLAMO GnRH HIPÓFISIS (ACTH, PRL, GH LH & FSH) Neuroendocrinologia Reproductiva Modulador de la Eficiencia Reproductiva Modulador de la Estacionalidad?? Modulador de la Pubertad????
PLAN DE PRESENTACIÓN Aspectos básicos funcionales del eje H-H-G Neurotransmisores y regulación de la función reproductiva Aminoácidos excitadores y regulación de la FR Factores de crecimiento y modulación de la FR Estado metabólico y modulación del sistema neuroendocrino Estado metabólico y modulación del sistema leptina Expresión jerárquica de genes reguladores de la pubertad Conclusiones Consideraciones finales
FACTORES DE CRECIMIENTO & MODULACIÓN DEL SISTEMA NEUROENDOCRINO Transforming Growth Factor & Fibroblast Growth Factor Epidermal Growth Factor Neuronal Cell Adhesion Molecule Insulin-Like Growth Factor Interleukins 1 & 6 CO-EXPRESSION GnRH NEURONS Pituitaria Anterior LH PUBERTAD
PLAN DE PRESENTACIÓN Aspectos básicos funcionales del eje H-H-G Neurotransmisores y regulación de la función reproductiva Aminoácidos excitadores y regulación de la FR Factores de crecimiento y modulación de la FR Estado metabólico y modulación del sistema neuroendocrino Estado metabólico y modulación del sistema leptina-kisspeptina Expresión jerárquica de genes reguladores de la pubertad Conclusiones Consideraciones finales
ESTADO METABOLICO & MODULACIÓN DEL SISTEMA NEUROENDÓCRINO Una forma de integrar el efecto de la nutrición y la reproducción es a través del balance de energía. Cuando los requerimientos de nutrición netos son mayores a los aportados por el consumo de nutrientes, el animal utilizará sus reservas energéticas glicógeno, triglicéridos y proteína para cubrir dicho déficit, y se dice que el animal está en balance energético negativo. En el mismo sentido, cuando los requerimientos nutricionales netos son menores que el consumo total de alimento, el animal almacenará el exceso de nutrientes en la forma de glicógeno o triglicéridos, y(o) dispersará dicho superhábit en forma de calor metabólico, y se dice que el animal estará en balance energético positivo. Muchas de las hormonas metabólicas y nutrientes que ayudan a mantener la homesostasis corporal también afectan el sistema reproductivo. Consecuentemente, existen asociaciones bien definidas entre el estado metabólico y la función reproductiva.
ESTADO METABOLICO & MODULACIÓN DEL SISTEMA NEUROENDOCRINO Balance Energético (-) Balance Energético Balance Energético (+) (-) (+) (+) Neurones GnRH Pituitaria Anterior LH PUBERTAD
ESTADO METABOLICO & MODULACIÓN DEL SISTEMA NEUROENDOCRINO BALANCE ENERGÉTICO - Mantenimiento del PV - Mantenimiento de reservas lipídicas - Normoinsulinemia - Normoglicemia - < NEFA s & BOH-butirato - Niveles normales GH - Niveles normales Leptina - Niveles normales Urea - Sistema IGF normal CONSECUENCIAS REPRODUCTIVAS - Pulsatilidad de GnRH normal - Pulsatilidad de LH normal - Concentración FSH normal - Inicio normal de pubertad - Foliculogénesis normal - Niveles normales de E2 & inhibina - Retroacción negativa de E2 normal - Ovulación & Estro - Tasa ovulatoria abajo del potencial máximo Scaramuzzi et al., 2006
ESTADO METABOLICO NEGATIVO & MODULACIÓN DEL SISTEMA NEUROENDOCRINO - Pérdida peso corporal - Pérdida reservas lipídicas - Pérdida masa muscular - Hipoinsulinemia - Hipoglicemia - > BOH-butirato & NEFA S - > GH & Urea - < Leptina - < Calor metabólico - Sistema IGF inhibido - Inhibición secreción GnRH - Ausencia de pulsos LH - < FSH -< E2 - > Sensibilidad a (-) E2 - Inhibición de pubertad - Inhibición de foliculogénesis - Anovulación - Anestro X LH FSH X PUBERTAD
ESTADO METABOLICO POSITIVO & MODULACIÓN DEL SISTEMA NEUROENDOCRINO - Ganacia PV de largo plazo - > Reservas Lipídicas - Hiperinsulinemia - Hiperglicemia - < NEFA s & BOH-butirato -< GH - > Leptina - > Calor Metabólico - Sistema IGF estimulado - Secreción normal GnRH - Pulsatilidad normal LH - > FSH concentraciones - > Foliculogénesis -< E2 - < Retroacción (-) E2 - Ovulación & Estro - Tasa ovulatoria máxima LH FSH PUBERTAD
SENSORES METABOLICOS HIPOTALAMO GnRH FSH LH CONSUMO VOLUNTARIO NUTRIENTES ALIMENTO SUPLEMENTO TECA IGF-1 FGF GRANULOSA OVARIO CONDICION CORPORAL HORMONAS METABÓLICAS
LEPTINA NUTRICIÓN METABOLITOS INSULINA SITIOS RECEPTIVOS A LEPTINA CENTROS DEL APETITO CENTROS REPRODUCTIVOS SITIOS RECEPTIVOS A INSULINA GnRH NEURONS LH FSH INS-R IGF-R GLU-T LEPTIN-R FSH-R LH-R < E2 PUBERTAD
PLAN DE PRESENTACIÓN Aspectos básicos funcionales del eje H-H-G Neurotransmisores y regulación de la función reproductiva Aminoácidos excitadores y regulación de la FR Factores de crecimiento y modulación de la FR Estado metabólico y modulación del sistema neuroendocrino Estado metabólico y modulación del sistema leptina-kisspeptina Expresión jerárquica de genes reguladores de la pubertad Conclusiones Consideraciones finales
ESTADO METABOLICO & MODULACIÓN DEL SISTEMA LEPTINA - KISSPEPTINA El gen hipotalámico KiSS1 ha sido señalado como un integrador esencial de señales periféricas, incluyendo los esteroides gonadales y el estado nutricional (Tena-Sempere, 2006ª; Meza-Herrera et al., 2009). KiSS1 muestra un rol prominente en el control metabólico de la fertilidad, y su expresión es regulado negativamente en condiciones de un balance energético negativo, mientras que la administración de kisspeptina es capaz de revertir un estado hipogonadotrópico observado bajo escenarios de subnutrición y condiciones de disturbio metabólico (Tena-Sempere, 2006b). La kisspeptina, un péptido conformado por 53 aminácidos, producto del gen KiSS1, y su receptor GPR54 enlazado a proteinas G, han emergido como elementos clave en la regulación de la secreción de GnRH (Gottsch et al., 2006; Tena-Sempere, 2006a,b,c; Meza-Herrera et al., 2009). Las kisspeptinas fueron originalmente identificadas como péptidos supresores de metástasis tumorales (Ojeda et al., 2006b; Meza-Herrera et al., 2009).
ESTADO METABOLICO & MODULACIÓN DEL SISTEMA LEPTINA - KISSPEPTINA Sin embargo, mutaciones del gen GPR54 se han correlacionado tanto a la ausencia del inicio de la pubertad, como a hipogonadismo hipogonadotrópico (Tena-Semepere, 2006c). El corte proteolítico del producto primario KiSS1 genera el decapéptido kisspeptina-10, el cual es extraordinariamente potente en el desencadenamiento de la liberación de LH (Ojeda et al., 2006b). El SynCAM, elemento involucrado en la formación de las sinapsis, es una molécula de adhesión análoga a inmunoglobulinas, reconocida previamente como una molécula supresora de tumores en cáncer de pulmón. Se ha propuesto que el SynCAM y KiSS-1, conforman una red de genes que, paralelo a su función como supresores de metástasis tumorales, actúan como elementos integradores de la comunicación neurona-neurona y glia-neurona, formando una unidad funcional capaz de iniciar el proceso de la pubertad (Ojeda et al., 2006b).
ESTADO METABOLICO & MODULACIÓN DEL SISTEMA LEPTINA KISSPEPTINA Balance Energético (+) KISS-1 KISSPEPTINA GnRH Neurons
ESTADO METABOLICO & FOTOPERÍODO EN LA MODULACIÓN DEL SISTEMA LEPTINA KISSPEPTINA Balance Energético (+) KISSPEPTINA KISS-1 PUBERTAD ANUAL RECURRENTE? GnRH NEURONS PITUITARIA ANTERIOR LH PUBERTAD
PLAN DE PRESENTACIÓN Aspectos básicos funcionales del eje H-H-G Neurotransmisores y regulación de la función reproductiva Aminoácidos excitadores y regulación de la FR Factores de crecimiento y modulación de la FR Estado metabólico y modulación del sistema neuroendocrino Estado metabólico y modulación del sistema leptina-kisspeptina Expresión jerárquica de genes reguladores de la pubertad Conclusiones Consideraciones finales
EXPRESION JERARQUICA DE GENES REGULADORES DEL INICIO DE LA PUBERTAD El establecimiento de la función nerviosa de las neuronas GnRH requiere de la ordenada y jerárquica complementación de un conjunto de genes cuyo objetivo primordial es establecer las condiciones requeridas para una interacción productiva entre neuronas y células gliales. Además de que dichos genes residen al centro de una compleja red reguladora, deben mantener una estructura jerárquica en dicha red de tal forma que se asegure que el sistema neuronal incluya redundancia y diversidad combinatoria (Ojeda 2006a,b; Tena-Sempere, 2006c). Ojeda et al. (2006b) han sugerido el rol potencial de tres genes candidatos como controladores supremos en la jerarquía de expresión génica en la coordinación del proceso puberal: OCT-2, TTF-1 y EAP-1.
EXPRESION JERARQUICA DE GENES REGULADORES DEL INICIO DE LA PUBERTAD OCT-2: Este gen regulador, (Octamer Dependent Gene-2; ATGC-TAAT) es importante para el inicio de la pubertad ya que: 1). Los niveles hipotalámicos del mrna de Oct-2 se incrementan durante el desarrollo prepuberal en un formato independiente de la acción gonadal, 2). El bloqueo de la síntesis de Oct-2 reduce la síntesis de TGFalfa y retrasa la edad a la primera ovulación, y 3). Lesiones de hipotálamo que inducen precocidad sexual activan tanto la expresión Oct-2 y TGFalfa en los astrocitos cercanos al lugar de la lesión. TFF-1: Análisis cuantitativos de PCR en regiones hipotalámicas de hembras revelaron un incremento puberal en la expresión de TTF-1 (Thyrod Transcription Factor-1). La eliminación del gen TTF-1 de subredes de neuronas hipotalámicas donde está normalmente expresado, generó un retraso en la pubertad, una disrupción de la ciclicidad estral inicial y un decremento en la función reproductiva. Dichas deficiencias fueron acompañadas por un incremento en la expresión génica de preproencefalina y por una supresión hipotalámica de GnRH y en los niveles de mrna de KiSS1.
EXPRESION JERARQUICA DE GENES REGULADORES DEL INICIO DE LA PUBERTAD EAP-1. El tercer gen candidato es el EAP-1 (Enhanced at Puberty-1), el cual se localiza, al igual que el TTF-1, en el cromosoma 14 del humano. Se ha reportado que los niveles hipotalámicos de éste se incrementan durante la pubertad en la hembra, sugiriendo su involucramiento en el control de la pubertad. El gen EAP-1 codifica una proteína nuclear, la cual se expresa en subsets neuronales involucrados en el control estimularorio e inhibitorio de la secreción de GnRH, como son las neuronas glutamtérgicas, GABAérgicas, proencefalinérgicas, neuronas KiSS1 además de las propias neuronas de GnRH.
EXPRESION JERARQUICA DE GENES REGULADORES DEL INICIO DE LA PUBERTAD EAP-1. Al igual que el gen TTF-1, EAP-1 transactiva el promotor de genes involucrados en el facilitamiento del inicio de la pubertad (v.g. GnRH) mientras que suprime la expresión de aquellos relacionados con rutas inhibitorias (v.g. preproencefalina). La supresión hipotalámica de la expresión de EAP-1, al igual que TTF- 1, retrasa la pubertad y disrumpe el ciclo estral, confirmando la importancia de EAP-1 como un gen de alta jerarquía y necesario para la regulación neurona-neurona de la secreción de GnRH en la pubertad (Ojeda et al., 2006b).
NUTRITICIÓN LEPTINA INSULINA HIPOTALAMO OCT-2 TTF-1 EAP-1 OCT2-R TTF1-R EAP1-R KISS-1 GPR54 NEURONES GLUTAMATÉRGICOS GnRH NEURON PITUITARIA ANTERIOR LH PUBERTAD
CONCLUSIONES El mecanismo que desencadena la pubertad es un proceso sumamente complejo. Se ha propuesto que las neuronas de GnRH están razonablemente maduras al nacimiento, sin embargo, conforme inicia el proceso de crecimiento, se suprime la liberación pulsátil de GnRH. Mientras que los sistemas neuronales excitatorios más prevalentemente invocados utilizan al glutamato y las kisspepsinas y sus receptores GPR54 para procesos de neurotransmisión y neuromodulación, las más importantes señales inhibidoras incluyen los sistemas neuronales GABAérgicos y opiatérgicos. Conforme se acerca a la etapa prepuberal, las señales inhibitorias son disminuídas y posteriormente removidas, ocurriendo un incremento en la liberación pulsátil de GnRH debido a un incremento en las señales neuronales principalmente glutamatérgicas. Este incremento en la secreción pulsátil de GnRH resulta en una cascada de eventos que incluyen incrementos en la síntesis y liberación de LH y FSH, así como un incremento en la esteroidogénesis y la gametogénesis.
CONCLUSIONES Se ha demostrado también que la pulsatilidad de GnRH es significativamente reducida en condiciones de balance energético negativo observado bajo condiciones de subnutrición y condiciones metabólicas disturbantes. Al respecto, es de destacar el rol de ciertas hormonas metabólicas como la leptina, ghrelina, e insulina, como marcadores de reservas corporales y nivel energético adecuados, las cuales actúan positivamente sobre el CNS para incrementar la pulsatilidad y frecuencia de GnRH. Debido a que muchos genes son activados y desactivados en el cerebro, la serie de complejos eventos que determinan el tiempo de la pubertad deben estar regulados por cierto número de genes maestros. Actualmente se ha sugerido que el control neuroendocrino de la pubertad es operado por una red de genes de alta naturaleza jerárquica (Oct-2, TTF-1 & EAP-1). Este grupo de genes de alta jeraquía en el comando de la regulación génica, están estrechamente conectados y son altamente dominantes.
NUTRICIÓN LEPTINA INSULINA HIPOTALAMO OCT-2 TTF-1 KISS-1 EAP-1? SEROTONINA CATECOLAMINAS POMC NO OREX GABA NPY OPIOIDES GROWTH FACTORS GLUTAMATO GnRH NEURONS PITUITARIA ANTERIOR LH ESTACIONALIDAD PUBERTAD?
PUBLICACIONES RECIENTES Meza-Herrera, C.A., et al., 2011. Neuroendocrine, metabolic and genomic cues signaling the onset of puberty in females. Reproduction in Domestic Animals. In press. DOI: 10.1111/j.1439-0531.2009.01355.x. Online First Meza-Herrera, C.A., et al., 2011. Glutamate supply positively affects serum release of triiodothyronine and insulin across time without increases of glucose during the onset of puberty in the female goat. Animal Reproduction Science. 125:74-80. Meza-Herrera, C.A., et al., 2010. The KiSS-1, kisspeptin & GPR-54 complex: A critical modulator of GnRH neurons during pubertal activation. Journal of Applied Biomedicine. 8(1):1-9 Meza-Herrera, C.A., et al., 2009. Effect of exogenous glutamate supply on the onset of puberty in goats. I. Serum levels of insulin. Tropical and Subtropical Agroecosystems. 11(1): 193-196. Meza-Herrera, C.A., et al., 2009. Effect of exogenous glutamate supply on the onset of puberty in goats. II. Serum levels of triiodothyronine. Tropical and Subtropical Agroecosystems. 11(1):197-200.