CAPÍTULO 42: Acción hormonal y transducción de señal

Las adaptaciones homeostáticas que un organismo hace a un ambiente en cambio constante se logran en gran parte por medio de alteraciones de la actividad y la cantidad de proteínas. Las hormonas proporcionan un importante medio para facilitar estos cambios. Una interacción entre hormona y receptor da por resultado la generación de una señal intracelular capaz de regular la actividad de un grupo selecto de genes, lo que altera la cantidad de ciertas proteínas en la célula blanco, o afecta la actividad de proteínas específicas, entre ellas enzimas y proteínas transportadoras o canal. La señal puede influir sobre la localización de proteínas en la célula, y afectar procesos generales como la síntesis de proteína, el crecimiento celular, y la replicación, quizá mediante efectos sobre la expresión de gen. Otras moléculas emisoras de señal (entre ellas citocinas, interleucinas, factores de crecimiento y metabolitos) usan algunos de los mismos mecanismos generales y vías de transducción de señal. La producción y liberación excesiva, deficiente o inapropiada de hormonas y de estas otras moléculas reguladoras son causas importantes de enfermedad. Muchos agentes farmacoterápicos se dirigen a corregir las vías que se comentan en este capítulo o por lo demás influir sobre las mismas.

La figura 42-1 ilustra los pasos generales incluidos en la producción de una respuesta coordinada a un estímulo particular. El estímulo puede ser un desafío o una amenaza para el organismo, para un órgano, o para la integridad de una célula única dentro de ese organismo. El reconocimiento del estímulo es el primer paso en la respuesta adaptativa. En el ámbito de organismo, esto por lo general involucra el sistema nervioso y los sentidos especiales (vista, audición, dolor, olfato, tacto). En el ámbito de organismo o célula, el reconocimiento comprende factores físico-químicos como pH, tensión de O₂, temperatura, aporte de nutriente, metabolitos nocivos y osmolaridad. El reconocimiento apropiado origina la liberación de una o más hormonas que regirán la generación de la respuesta adaptativa necesaria. Para propósitos de esta exposición, las hormonas se clasifican como se describió en el cuadro 41-4, es decir, con base en la localización de sus receptores celulares específicos y el tipo de señales generadas. Las hormonas del grupo I interactúan con un receptor intracelular, y las del grupo II, con sitios de reconocimiento de receptor localizados en la superficie extracelular de la membrana plasmática de las células blanco. Las citocinas, interleucinas y factores de crecimiento también deben considerarse en esta última categoría. Estas moléculas, de importancia crucial en la adaptación homeostática, son hormonas en el sentido de que se producen en células específicas; tienen el equivalente de acciones autocrina, paracrina y endocrina; se unen a receptores de superficie celular, y activan muchas de las mismas vías de transducción de señal empleadas por las hormonas del grupo II más tradicionales.

El complejo de ligando-receptor es la señal para las hormonas del grupo I

Las hormonas del grupo I lipofílicas se difunden a través de la membrana plasmática de todas las células, pero sólo encuentran sus receptores intracelulares específicos, de alta afinidad, en células blanco. Estos receptores pueden estar ubicados en el citoplasma o en el núcleo de células blanco. El complejo de hormona-receptor primero pasa por una reacción de activación. El receptor se activa por medio de al menos dos mecanismos (figura 42-2); por ejemplo, los glucocorticoides se difunden a través de la membrana plasmática y encuentran su receptor cognado en el citoplasma de las células blanco. La unión de ligando y receptor causa un cambio de conformación en el receptor que conduce a la disociación de la proteína de choque por calor 90 (hsp90); este paso parece ser necesario para la localización nuclear subsiguiente del receptor de glucocorticoide. Asimismo, este receptor contiene una secuencia de localización nuclear que ahora está libre para ayudar en la translocación desde el citoplasma hacia el núcleo. El receptor activado se mueve hacia el núcleo (figura 42-2), y se une con alta afinidad a una secuencia de DNA específica denominada el elemento de respuesta a hormona (HRE). En el caso ilustrado, éste es un elemento de respuesta a glucocorticoide (GRE). El cuadro 42-1 muestra secuencias de consenso para HRE. El receptor unido a DNA, con ligando, sirve como un sitio de unión de alta afinidad para una o más proteínas coactivadoras y cuando esto ocurre típicamente sobreviene transcripción de gen acelerada. En contraste, ciertas hormonas, como las hormonas tiroideas y los retinoides, se difunden desde el líquido extracelular a través de la membrana plasmática, y van de manera directa hacia el núcleo. En este caso, el receptor cognado ya está unido al HRE (el elemento de respuesta a hormona tiroidea [TRE], en este ejemplo); sin embargo, este receptor unido a DNA no activa transcripción porque existe en complejo con un correpresor. En realidad, este complejo de receptor-correpresor sirve como un represor activo de la transcripción de gen. La asociación de ligando con estos receptores suscita disociación del o los correpresores. El receptor con ligando ahora tiene la capacidad para unirse a uno o más coactivadores con afinidad alta, lo que produce el reclutamiento de RNA polimerasa II y el GTF, y activación de la transcripción de gen. La relación de receptores de hormona con otros receptores nucleares y con correguladores se comenta con mayor detalle más adelante.

Al afectar de modo selectivo la transcripción de gen y la producción consiguiente de mRNA blanco apropiados, se cambian las cantidades de proteínas específicas, y se influye sobre los procesos metabólicos. La influencia de cada una de estas hormonas es bastante específica; en general, una hormona dada afecta a menos de 1% de los genes, el mRNA o las proteínas en una célula blanco; a veces sólo algunos quedan afectados. Las acciones nucleares de hormonas esteroides, tiroideas y retinoides están bastante bien definidas. Casi toda la evidencia sugiere que estas hormonas ejercen su efecto dominante sobre la modulación de la transcripción de gen, pero ellas (y muchas de las hormonas de las otras clases que se comentan más adelante) pueden actuar en cualquier paso de la “vía de información” (figura 42-3) para controlar la expresión de gen específica y, por último, una respuesta biológica. También se han descrito las acciones directas de esteroides en el citoplasma y sobre varios organelos y membranas. De manera reciente, los microRNA han quedado implicados en la mediación de algunas de las diversas acciones de las hormonas.

Muchas hormonas son hidrosolubles, carecen de proteínas de transporte (y, en consecuencia, tienen una vida media plasmática breve), e inician una respuesta al unirse a un receptor ubicado en la membrana plasmática (cuadros 41-3 y 41-4). El mecanismo de acción de este grupo de hormonas es más comprensible en términos de las señales intracelulares que generan, las cuales incluyen cAMP (AMP cíclico; ácido 3′,5′-adenílico; figura 18-5), un nucleótido derivado de ATP mediante la acción de la adenililciclasa; cGMP, un nucleótido formado por la guanilil ciclasa; Ca²⁺, y fosfatidilinositidas; esas moléculas se llaman segundos mensajeros dado que su síntesis es desencadenada por la presencia de la hormona primaria (molécula) que se une a su receptor. Muchos de estos segundos mensajeros afectan la transcripción de gen, como se describió en el párrafo previo, pero también influyen sobre varios otros procesos biológicos, como se muestra en la figura 42-3, vea también las figuras 42-6 y 42-8.

Receptores acoplados a proteína G

Muchas de las hormonas del grupo II se unen a receptores que se acoplan a efectores por medio de una proteína de unión a GTP (proteínas G) intermediaria. Estos receptores de manera típica tienen siete dominios hidrofóbicos que abarcan la membrana plasmática. Esto se ilustra en la figura 42-4 por las siete hélices interconectadas que se extienden a través de la bicapa lipídica. Los receptores de esta clase, que emiten señales mediante intermediarios de proteína unida a nucleótido guanina, se conocen como receptores acoplados a proteína G o GPCR. Hasta la fecha, se han identificado cientos de genes que codifican para receptor enlazado a proteína G; esto representa la familia de mayor tamaño de receptores de superficie celular en seres humanos. Una amplia variedad de respuestas está mediada por GPCR.

El cAMP es la señal intracelular para muchas respuestas

El AMP cíclico fue la primera señal intracelular de segundo mensajero identificada en células de mamífero. Varios componentes comprenden un sistema para la generación, degradación y acción del cAMP (cuadro 42-2).

Adenililciclasa

Diferentes hormonas peptídicas pueden estimular (s) o inhibir (i) la producción de cAMP a partir de adenililciclasa por medio de la acción de las proteínas G. Estas últimas son codificadas por al menos 10 genes diferentes (cuadro 42-3). Dos sistemas paralelos, uno estimulador (s) y uno inhibitorio (i), convergen sobre una molécula catalítica (C). Cada uno consta de un receptor R_s o R_i, y un complejo regulador, G_s y G_i. G_s y G_i son, cada uno, proteína G heterotrimérica compuesta de subunidades α, β y γ. Dado que la subunidad α en G_s difiere de la que se encuentra en G_i, las proteínas, que son productos de gen separados, se designan α_s y α_i. Las subunidades α se unen a nucleótidos guanina. Las subunidades β y γ siempre están asociadas (βγ) y parecen funcionar como un heterodímero. La unión de una hormona a R_s o R_i ocasiona una activación de G mediada por receptor, lo que implica el intercambio de GDP por GTP en α, y la disociación concomitante de βγ desde α.

La proteína α_s tiene actividad de GTPasa intrínseca. La forma activa, α_s·GTP, es inactivada en el momento de la hidrólisis del GTP hacia GDP; el complejo G_s trimérico (αβγ) a continuación vuelve a formarse y está listo para otro ciclo de activación. Las toxinas del cólera y diftérica catalizan la ADP ribosilación de α_s y α_i−2 (cuadro 42-3), respectivamente. En el caso de α_s, esta modificación altera la actividad de GTPasa intrínseca; así, α_s no puede reasociarse con βγ y, por ende, se activa de manera irreversible. La ADP ribosilación de α_i−2 evita la disociación entre α_i−2 y βγ, y de este modo, no puede formarse la α_i−2 libre. Por consiguiente, la actividad de α_s en esas células no tiene oposición.

Hay una familia grande de proteínas G, y éstas forman parte de la superfamilia de GTPasas. La familia de la proteína G se clasifica de acuerdo con la homología de secuencia en cuatro subfamilias (cuadro 42-3). Hay 21 genes que codifican para la subunidad α, cinco que codifican para la subunidad β y ocho que codifican para la subunidad γ. Diversas combinaciones de estas subunidades proporcionan un número grande de posibles complejos de αβγ y ciclasa.

Las subunidades α y el complejo βγ tienen acciones independientes de las que ocurren sobre la adenilil ciclasa (figura 42-4 y cuadro 42-3). Algunas formas de α_i estimulan a los canales de K⁺ e inhiben a los de Ca²⁺, y algunas moléculas de α_s tienen los efectos opuestos. Los miembros de la familia G_q activan al grupo de enzimas fosfolipasa C. Los complejos βγ se han asociado con la estimulación de canal de K⁺ y la activación de fosfolipasa C. Las proteínas G participan en muchos procesos biológicos importantes además de acción hormonal. Los ejemplos notables son olfación (α_OLF) y visión (α_t); el cuadro 42-3 lista algunos ejemplos. Los GPCR están implicados en varias enfermedades y son blancos importantes para agentes farmacológicos.

Proteína cinasa

Como se discutió en el capítulo 38, en células procarióticas, el cAMP se une a una proteína específica denominada proteína reguladora de catabolito (CRP) que se une de manera directa al DNA e influye sobre la expresión de gen. En contraste, en células eucarióticas, el cAMP se une a una proteína cinasa llamada proteína cinasa A (PKA), una molécula heterotetramérica que consta de dos subunidades reguladoras (R) que inhiben la actividad de las dos subunidades catalíticas (C) cuando se ligan como un complejo tetramérico. La unión de cAMP al tetrámero R₂C₂ se traduce en la reacción que sigue:

El complejo R₂C₂ carece de actividad enzimática, pero la unión de cAMP por R induce disociación del complejo C2R, lo que activa a este último (figura 42-5). La subunidad C activa cataliza la transferencia del fosfato γ del ATP hacia un residuo serina o treonina en diversas proteínas. Los sitios de fosforilación de consenso son ArgArg/Lis-X-Ser/Tre- y -Arg-Lis-X-X-Ser-, donde X puede ser cualquier aminoácido.

Las actividades de la proteína cinasa originalmente se describieron como “dependientes de cAMP” o “independientes de cAMP”. Esta clasificación ha cambiado, dado que la fosforilación de proteína ahora se reconoce como un importante mecanismo regulador. Ahora se han descrito varios cientos de proteínas cinasas. Las cinasas muestran vínculo en secuencia y estructura dentro del dominio catalítico, pero cada una tiene una molécula singular con considerable variabilidad acerca de la composición de subunidad, peso molecular, autofosforilación, K_m para ATP, y especificidad de sustrato. Las actividades tanto de cinasa como de proteína fosfatasa pueden dirigirse por medio de interacción con proteínas de unión a cinasa específicas. En el caso de la PKA, esas proteínas de dirección se denominan proteínas fijadoras de cinasa A (AKAP), sirven como andamios, que localizan la PKA cerca de sustratos, lo que enfoca la actividad de PKA hacia sustratos fisiológicos y facilita la regulación biológica espaciotemporal, mientras que también permite que proteínas comunes, compartidas, desencadenen respuestas fisiológicas específicas. Se han descrito múltiples AKAP; pueden unirse a la PKA y otras cinasas, así como a fosfatasas, fosfodiesterasas (que hidrolizan el cAMP) y sustratos de proteína cinasa. La multifuncionalidad de las AKAP facilita la localización, la tasa (producción y destrucción de señales), la especificidad y la dinámica de la señalización.

Fosfoproteínas

Se cree que todos los efectos del cAMP en células eucarióticas están mediados por fosforilación-desfosforilación de proteína, de manera particular sobre residuos serina y treonina. El control de cualquiera de los efectos del cAMP, incluso procesos tan diversos como la esteroidogénesis, secreción, transporte de ion, metabolismo de carbohidrato y grasa, inducción de enzima, regulación de gen, transmisión sináptica, y crecimiento y replicación celulares, podría ser conferido por una proteína cinasa específica, por una fosfatasa específica, o por sustratos específicos para fosforilación. Estos sustratos ayudan a definir un tejido blanco, y están involucrados en la definición de la magnitud de una respuesta particular dentro de una célula dada; por ejemplo, los efectos del cAMP sobre la transcripción de gen están mediados por la proteína de unión al elemento de respuesta al AMP cíclico (CREB). La CREB se une al elemento facilitador de DNA con capacidad de respuesta a cAMP (CRE) (cuadro 42-1) en su estado no fosforilado y es un activador débil de la transcripción. Cuando es fosforilada por PKA, la CREB se une al coactivador proteína de unión a CREB CBP/p300 (véase más adelante) y como resultado es un activador mucho más potente de la transcripción. La CBP y la p300 relacionada contienen actividades de histona acetiltransferasa y, por tanto, sirven como correguladores transcripcionales activos de la cromatina (capítulos 36 y 38). Es interesante que la CBP/p300 también puede acetilar ciertos factores de transcripción, lo que estimula su capacidad para unirse a DNA y modular la transcripción.

Fosfodiesterasas

Las acciones producidas por hormonas que aumentan la concentración de cAMP pueden terminarse de diversos modos, entre ellos la hidrólisis de cAMP hacia 5′-AMP mediante fosfodiesterasas (figura 42-5). La presencia de estas enzimas hidrolíticas asegura un recambio veloz de la señal (cAMP) y, en consecuencia, una terminación rápida del proceso biológico una vez que se elimina el estímulo hormonal. Hay al menos 11 miembros conocidos de la familia de enzimas fosfodiesterasa, los cuales encuentran sujetos a regulación por sus sustratos, cAMP y cGMP; por hormonas, y por mensajeros intracelulares, como calcio, que probablemente actúan por medio de la calmodulina. Los inhibidores de la fosfodiesterasa, entre los que destacan los derivados de xantina metilados, como la cafeína, incrementan el cAMP intracelular e imitan o prolongan las acciones de hormonas mediante esta señal.

Fosfoproteína fosfatasas

Dada la importancia de la fosforilación de proteína, no sorprende que la regulación de la reacción de desfosforilación de proteína sea otro mecanismo de control importante (figura 42-5). Las fosfoproteína fosfatasas están sujetas por sí mismas a regulación por medio de reacciones de fosforilación-desfosforilación, y por varios otros mecanismos, como interacciones entre una proteína y otra. De hecho, la especificidad de sustrato de las fosfoserina-fosfotreonina fosfatasas tal vez esté dictada por subunidades reguladoras distintas cuya unión está regulada de manera hormonal. Una de las funciones mejor estudiadas de la regulación mediante la desfosforilación de proteínas es la del metabolismo de glucógeno en el músculo (figuras 18-6 a 18-8). Se han descrito dos tipos principales de fosfoserina-fosfotreonina fosfatasas. El tipo I desfosforila de preferencia la subunidad β de la fosforilasa cinasa, mientras que el tipo II desfosforila la subunidad α. La fosfatasa tipo I está implicada en la regulación de la glucógeno sintasa, fosforilasa y fosforilasa cinasa; esta fosfatasa en sí está regulada por medio de fosforilación de algunas de sus subunidades, y estas reacciones se revierten mediante la acción de una de las fosfatasas tipo II. Además, dos inhibidores de proteína termoestables regulan la actividad de la fosfatasa tipo I. Proteínas cinasas dependientes de cAMP fosforilan y activan al inhibidor-1; el inhibidor-2, que puede ser una subunidad de la fosfatasa inactiva, también es fosforilado, posiblemente por la glucógeno sintasa cinasa-3. Asimismo, las fosfatasas que atacan la fosfotirosina tienen importancia en la transducción de señal (figura 42-8).

El cGMP también es una señal intracelular

El GMP cíclico se sintetiza a partir del GTP por medio de la enzima guanilil ciclasa, que existe en formas soluble y unida a membrana. Cada una de estas isozimas tiene propiedades fisiológicas singulares. Las atriopeptinas, una familia de péptidos producida en tejidos auriculares del corazón, originan natriuresis, vasodilatación e inhibición de la secreción de aldosterona. Estos péptidos (p. ej., factor natriurético auricular) se unen a la forma unida a membrana de la guanilil ciclasa y la activan. Esto causa un aumento del cGMP en algunos casos de hasta 50 veces y se cree que esto media los efectos mencionados. Otra evidencia enlaza al cGMP con vasodilatación. Una serie de compuestos, entre ellos nitroprusiato, nitroglicerina, óxido nítrico, nitrito de sodio y azida de sodio, suscitan relajación de músculo liso y son potentes vasodilatadores. Estos agentes incrementan el cGMP al activar la forma soluble de la guanilil ciclasa, y los inhibidores de la cGMP fosfodiesterasa (p. ej., el fármaco sildenafil [Viagra]) aumentan estas respuestas y las prolongan. El cGMP incrementado activa a la proteína cinasa dependiente de cGMP (PKG) que, a su vez, fosforila diversas proteínas del músculo liso. Es probable que esto participe en la relajación del músculo liso y en la vasodilatación.

Varias hormonas actúan mediante calcio o fosfatidilinositoles

El calcio ionizado es un importante regulador de diversos procesos celulares, entre ellos la contracción muscular, el acoplamiento entre estímulo y secreción, la cascada de coagulación de la sangre, actividad enzimática y excitabilidad de membrana. Ca²⁺ es también un mensajero intracelular de la acción de hormona.

Metabolismo del calcio

La concentración extracelular de calcio (Ca²⁺) es de alrededor de 5 mmol/L y está controlada de modo muy rígido. Aun cuando cantidades considerables de calcio están asociadas con organelos intracelulares como las mitocondrias y el retículo endoplásmico, la concentración intracelular de calcio (Ca²⁺) libre o ionizado es muy baja: 0.05 a 10 μmol/L. A pesar de este gradiente de concentración grande y un gradiente eléctrico transmembrana favorable, la entrada del Ca²⁺ a la célula está restringida. Se gasta una considerable cantidad de energía para asegurar que el Ca²⁺ intracelular esté controlado, puesto que un aumento prolongado del Ca²⁺ en la célula es muy tóxico. Un mecanismo de intercambio de Na⁺/Ca²⁺ que tiene una capacidad alta pero afinidad baja bombea Ca²⁺ hacia afuera de las células. Asimismo, hay una bomba de Ca²⁺/protón dependiente de ATPasa que extrude Ca²⁺ en intercambio por H⁺. Esto tiene afinidad alta por el Ca²⁺, pero capacidad baja, y probablemente se encarga del ajuste fino del Ca²⁺ citosólico. Más aún, las Ca²⁺-ATPasas bombean Ca²⁺ desde el citosol hacia la luz del retículo endoplásmico. Hay tres maneras de cambiar el Ca²⁺ citosólico: 1) ciertas hormonas (clase II.C, cuadro 41-3), al unirse a receptores que son ellos mismos canales de Ca²⁺, incrementan la permeabilidad de la membrana a Ca²⁺ y, de este modo, aumentan el flujo de Ca²⁺ hacia adentro. 2) Las hormonas también promueven de manera indirecta el flujo de Ca²⁺ hacia adentro al modular el potencial de membrana en la membrana plasmática. La despolarización de membrana abre canales de Ca²⁺ activados por voltaje, y permite el flujo de Ca²⁺ hacia adentro. 3) El Ca²⁺ puede movilizarse desde el retículo endoplásmico y posiblemente desde fondos comunes mitocondriales.

Una observación importante que enlaza el Ca²⁺ con la acción de hormona involucró la definición de blancos intracelulares de la acción del Ca²⁺. El descubrimiento de un regulador de la actividad de fosfodiesterasa dependiente de Ca²⁺ proporcionó la base para un entendimiento amplio de cómo el Ca²⁺ y el cAMP interactúan dentro de las células.

Calmodulina

Es la proteína reguladora dependiente del calcio, una proteína de 17 kDa homóloga en estructura y función a la proteína muscular troponina C. La calmodulina tiene cuatro sitios de unión a Ca²⁺, y la ocupación completa de estos sitios da pie a un notorio cambio conformacional, que permite que la calmodulina active enzimas y canales de ion. La interacción entre Ca²⁺ y calmodulina (con el cambio de actividad resultante de esta última) es similar desde el punto de vista conceptual a la unión del cAMP a PKA y la activación subsiguiente de esta molécula. La calmodulina puede ser una de muchas subunidades de proteínas complejas y participa de forma especial en la regulación de diversas cinasas y enzimas de generación y degradación de nucleótido cíclico. El cuadro 42-4 presenta una lista parcial de las enzimas reguladas de modo directo o indirecto por el Ca²⁺, probablemente por medio de la calmodulina.

Además de sus efectos sobre enzimas y sobre el transporte de ion, el Ca²⁺/calmodulina regula la actividad de muchos elementos estructurales en las células. Entre ellos se incluyen el complejo de actina-miosina del músculo liso, que está bajo control β-adrenérgico, y diversos procesos mediados por microfilamento en células no contráctiles, entre ellos la motilidad celular, cambios de conformación de célula, mitosis, liberación de gránulos y endocitosis.

El calcio es un mediador de la acción hormonal

Una función del Ca²⁺ en la acción hormonal es sugerida por la observación de que el efecto de muchas hormonas: 1) es disminuido por medios libres de Ca²⁺ o cuando el calcio intracelular se agota; 2) puede imitarse mediante agentes que incrementan el Ca²⁺ citosólico, como el ionóforo de Ca²⁺ A23187, y 3) influye sobre el flujo de calcio celular. De nuevo, la regulación del metabolismo del glucógeno en el hígado por medio de la vasopresina y catecolaminas β-adrenérgicas proporciona un buen ejemplo (figuras 18-6 y 18-7).

Diversas enzimas metabólicas cruciales se regulan mediante Ca²⁺, fosforilación, o ambos; esto incluye la glucógeno sintasa, piruvato cinasa, piruvato carboxilasa, glicerol-3-fosfato deshidrogenasa y piruvato deshidrogenasa, entre otras (figura 19-1).

El metabolismo de la fosfatidilinositida afecta la acción de hormonas dependientes de Ca²⁺

Alguna señal debe proporcionar comunicación entre el receptor de hormona en la membrana plasmática y los reservorios de Ca²⁺ intracelular. Esto se logra por medio de productos del metabolismo del fosfatidilinositol. Los receptores de superficie celular, como los receptores para acetilcolina, hormona antidiurética y catecolaminas tipo α₁ son, cuando están ocupados por sus ligandos respectivos, potentes activadores de la fosfolipasa C. La unión a receptor y la activación de fosfolipasa C están acopladas mediante las isoformas G_q (cuadro 42-3 y figura 42-6). La fosfolipasa C cataliza la hidrólisis del fosfatidilinositol 4,5-bisfosfato hacia inositol trifosfato (IP₃) y 1,2-diacilglicerol (figura 42-7). El diacilglicerol (DAG) en sí tiene la capacidad para activar a la proteína cinasa C (PKC), cuya actividad también depende de Ca²⁺ (figuras 21-10; 24-1, 24-2 y 55-7). El IP₃, al interactuar con un receptor intracelular específico, es un liberador eficaz de Ca²⁺ desde sitios de almacenamiento intracelulares en el retículo endoplásmico. Así, la hidrólisis del fosfatidilinositol 4,5-bisfosfato lleva a la activación de PKC y promueve un aumento del Ca²⁺ citoplásmico. Asimismo, la activación de las proteínas G puede tener una acción directa sobre los canales de Ca²⁺ (figura 42-4). Los incrementos resultantes del Ca²⁺ citosólico activan cinasas dependientes de Ca²⁺-calmodulina y muchas otras enzimas dependientes de Ca²⁺-calmodulina.

Los agentes esteroidogénicos, entre ellos ACTH y cAMP en la corteza suprarrenal; la angiotensina II, el K⁺, la serotonina, ACTH y cAMP en la zona glomerulosa de las suprarrenales; la LH en los ovarios, y la LH y el cMAP en las células de Leydig de los testículos, se han relacionado con cantidades aumentadas de ácido fosfatídico, fosfatidilinositol y polifosfoinositidas (capítulo 21) en los tejidos blanco respectivos; podrían citarse varios otros ejemplos.

La figura 42-6 presenta las funciones que el Ca²⁺ y los productos de desintegración de la polifosfoinositida podrían tener en la acción hormonal. En este esquema, la proteína cinasa C activada es capaz de fosforilar sustratos específicos, que después alteran procesos fisiológicos. De igual modo, el complejo de Ca²⁺-calmodulina puede activar cinasas específicas. Éstas a continuación modifican sustratos y, de esta manera, alteran respuestas fisiológicas.

Algunas hormonas actúan por medio de una cascada de proteína cinasa

Proteínas cinasas únicas, como PKA, PKC y Ca²⁺-calmodulina (CaM)-cinasas, que producen fosforilación de los residuos serina y treonina en proteínas blanco, tienen una participación muy importante en la acción de hormonas. El descubrimiento de que el receptor de EGF contiene una actividad de tirosina cinasa intrínseca que es activada mediante la unión del ligando EGF, fue un avance importante. Los receptores de insulina y de IGF-1 también contienen actividad intrínseca de tirosina cinasa activada por ligando. Varios receptores (en general los que participan en la unión de ligandos involucrados en el control del crecimiento, la diferenciación y la respuesta inflamatoria) tienen actividad intrínseca de tirosina cinasa o muestran vínculo con proteínas que son tirosina cinasas. Otra característica distintiva de esta clase de acción hormonal es que estas cinasas fosforilan de preferencia residuos tirosina, y la fosforilación de tirosina es poco frecuente (< 0.03% de la fosforilación total de aminoácidos) en células de mamífero. Una tercera característica distintiva es que la interacción entre ligando y receptor que ocasiona un evento de fosforilación de tirosina inicia una cascada que puede comprender varias proteínas cinasas, fosfatasas y otras proteínas reguladoras.

La insulina transmite señales por medio de varias cascadas de cinasa

Los receptores de insulina, factor de crecimiento epidérmico (EGF) e IGF-1 tienen actividades intrínsecas de proteína tirosina cinasa localizadas en sus dominios citoplásmicos. Estas actividades son estimuladas cuando el receptor se une a ligando. Los receptores a continuación se autofosforilan en residuos tirosina y esto inicia una compleja serie de eventos (que se resumen en forma simplificada en la figura 42-8). El receptor de insulina fosforilado a continuación fosforila sustratos de receptor de insulina (hay por lo menos cuatro de estas moléculas, llamadas IRS 1 a 4) sobre residuos tirosina. El IRS fosforilado se une a los dominios de homología Src 2 (SH2) de diversas proteínas que participan de modo directo en la mediación de diferentes efectos de la insulina. Una de estas proteínas, la PI-3 cinasa, enlaza la activación del receptor de insulina con acción de insulina mediante la activación de diversas moléculas, entre ellas la cinasa dependiente de fosfoinositida-1 (PDK1). Esta enzima propaga la señal a través de varias otras cinasas, entre ellas PKB (akt) (también conocida como AKT), SKG y aPKC (véanse las definiciones y el significado de las abreviaturas en el pie de la figura 42-8). Una vía alternativa torrente abajo desde PKD1 incluye p70S6K, y quizás otras cinasas aún no identificadas. Una segunda vía importante comprende mTOR, enzima que está regulada de manera directa por las concentraciones de aminoácidos e insulina, y es esencial para la actividad de p70S6K; esta vía proporciona una distinción entre las ramas de PKB y p70S6K torrente abajo desde PKD1. Tales vías participan en la translocación de proteína, la actividad de enzima y la regulación, por medio de insulina, de genes involucrados en el metabolismo (figura 42-8). Otra proteína que contiene dominio SH2 es la GRB2, que se une a IRS-1 y enlaza la fosforilación de tirosina a varias proteínas, cuyo resultado es la activación de una cascada de treonina y serina cinasas. La figura 42-8 ilustra una vía que muestra cómo esta interacción entre insulina y receptor activa la vía de la proteína activada por mitógeno cinasa (MAPK) y los efectos anabólicos de la insulina. Quedan por establecerse las funciones precisas de muchas de estas proteínas de acoplamiento, cinasas y fosfatasas.

Hormonas y citocinas usan la vía de la Jak/STAT

La activación de tirosina cinasa también puede iniciar una cascada de fosforilación y desfosforilación que incluye la acción de varias otras proteínas cinasas y las acciones contraequilibrantes de las fosfatasas. Se emplean dos mecanismos para iniciar esta cascada. Algunas hormonas, como la hormona de crecimiento, prolactina, eritropoyetina y las citocinas, inician su acción al activar una tirosina cinasa, pero su actividad no es una parte integral del receptor de hormona. La interacción entre hormona y receptor promueve la unión y activación de proteínas tirosina cinasas citoplásmicas, como Tyk-2, Jak1 o Jak2.

Dichas cinasas fosforilan una o más proteínas citoplásmicas, que luego se asocian con otras proteínas de acoplamiento mediante unión a dominios SH2. Una interacción de ese tipo se traduce en la activación de una familia de proteínas citosólicas denominadas transductores de señal y activadores de transcripción (STAT). La proteína STAT fosforilada se dimeriza y transloca hacia el núcleo, se une a un elemento de DNA específico, como el elemento de respuesta a interferón (IRE), y activa la transcripción (figura 42-9). Otros eventos de acoplamiento de SH2 pueden dar por resultado la activación de PI-3 cinasa, la vía de la MAP cinasa (por medio de SHC o GRB2), o activación (mediada por proteína G) de fosfolipasa C (PLCγ) con la producción acompañante de diacilglicerol y activación de la proteína cinasa C. Está claro que hay potencial de “interferencia” cuando diferentes hormonas activan estas diversas vías de transducción de señal.

La vía de NF-κB está regulada por glucocorticoides

El factor de transcripción NF-κB es un complejo heterodimérico típicamente compuesto de dos subunidades llamadas p50 y p65 (figura 42-10). En circunstancias normales, NF-κB se mantiene secuestrado en el citoplasma en una forma inactiva en el aspecto transcripcional por miembros de la familia de proteínas del inhibidor de NF-κB (IκB). Estímulos extracelulares, como citocinas proinflamatorias, especies de oxígeno reactivas, y mitógenos, conducen a la activación del complejo de IKK (IκB cinasa), que es una estructura heterohexamérica que consta de subunidades α, β y γ. IKK fosforila a IκB sobre dos residuos serina, y esto establece a IκB como blanco para ubiquitinación y degradación subsiguiente por el proteasoma. Después de la degradación de IκB, el NF-κB libre se transloca hacia el núcleo, donde se une a diversos promotores de gen y activa la transcripción, en particular de genes involucrados en la respuesta inflamatoria. La regulación transcripcional por NF-κB está mediada por diversos coactivadores, como proteína de unión a CREB (CBP), como se describe más adelante (figura 42-13).

Las hormonas glucocorticoides son agentes útiles desde el punto de vista terapéutico para el tratamiento de diversas enfermedades inflamatorias y autoinmunitarias. Sus acciones antiinflamatorias e inmunorreguladoras se explican en parte por la inhibición de NF-κB y sus acciones subsiguientes. Se ha presentado evidencia de tres mecanismos para la inhibición de NF-κB por glucocorticoides: 1) los glucocorticoides incrementan el mRNA que codifica para IκB, lo que da pie a un aumento de la proteína IΚB y secuestro más eficiente de NF-κB en el citoplasma. 2) El receptor de glucocorticoide compite con NF-κB para la unión a coactivadores. 3) El receptor de glucocorticoide se une de modo directo a la subunidad p65 de NF-κB, e inhibe su activación (figura 42-10).

Las señales generadas como se describió tienen que traducirse hacia una acción que permite a la célula adaptarse con eficacia a un desafío (figura 42-1). Gran parte de esta adaptación se logra mediante alteraciones de los índices de transcripción de genes específicos. Muchas observaciones diferentes han llevado a la opinión actual de cómo las hormonas afectan la transcripción. Algunas de éstas son como sigue: 1) los genes transcritos de manera activa están en regiones de cromatina “abierta” (definida experimentalmente como una susceptibilidad relativa a la enzima DNasa I), lo que permite el acceso de factores de transcripción a DNA. 2) Los genes tienen regiones reguladoras, y los factores de transcripción se unen a éstos para modular la frecuencia del inicio de transcripción. 3) El complejo de hormona y receptor puede ser uno de estos factores de transcripción. La secuencia de DNA a la cual se une esto se denomina un elemento de respuesta a HRE; véanse ejemplos en el cuadro 42-1. 4) De modo alternativo, otras señales generadas por hormona pueden modificar la localización, cantidad o actividad de factores de transcripción y, de esta manera, influir sobre la unión al elemento regulador o de respuesta. 5) Los miembros de una superfamilia grande de receptores nucleares actúan con receptores de hormona descritos arriba, o de un modo análogo a los mismos. 6) Estos receptores nucleares interactúan con otro grupo grande de moléculas correguladoras para efectuar cambios en la transcripción de genes específicos.

Se han definido varios elementos de respuesta a hormona (HRE)

Los HRE semejan elementos potenciadores por cuanto no dependen de manera estricta de la posición y ubicación u orientación. Regularmente se encuentran dentro de algunos cientos de nucleótidos torrente arriba (5′) del sitio de inicio de la transcripción, pero pueden estar ubicados dentro de la región codificadora del gen, en intrones. Los HRE se definieron por medio de la estrategia que se ilustra en la figura 38-11. Se llegó a las secuencias de consenso ilustradas en el cuadro 42-1 mediante el análisis de muchos genes regulados por una hormona dada usando sistemas reportero heterólogos simples (figura 38-10). Si bien estos HRE simples se unen al complejo de hormona-receptor con mayor avidez que el DNA circundante (o el DNA de una fuente no relacionada) y confieren capacidad de respuesta hormonal a un gen reportero, pronto quedó de manifiesto que los circuitos reguladores de genes naturales deben ser bastante más complicados. Los glucocorticoides, las progestinas, los mineralocorticoides y los andrógenos tienen acciones fisiológicas muy diferentes. ¿De qué modo la especificidad requerida para estos efectos se logra por medio de regulación de la expresión de gen mediante el mismo HRE (cuadro 42-1)? Preguntas como ésta han llevado a experimentos que han permitido la elaboración de un modelo de regulación de la transcripción muy complejo. Por ejemplo, el HRE debe asociarse con otros elementos del DNA (y proteínas de unión asociadas) para que funcione de manera óptima. La extensa similitud de secuencia notada entre los receptores de hormona esteroide, especialmente en sus dominios de unión a DNA (DBD), llevó al descubrimiento de la superfamilia de receptor nuclear de proteínas. Éstas (y un gran número de proteínas correguladoras) permiten una amplia variedad de interacciones entre DNA y proteína, y entre una proteína y otra, y la especificidad necesaria para control fisiológico muy regulado. La figura 42-11 ilustra un esquema de ese tipo de montaje.

Existe una familia grande de proteínas receptoras nucleares

La superfamilia de receptor nuclear consta de un grupo diverso de factores de transcripción que se descubrió debido a una similitud de secuencia en sus dominios de unión a DNA (DBD). Esta familia, ahora con más de 50 miembros, comprende los receptores de hormona nuclear ya comentados, varios otros receptores cuyos ligandos se descubrieron tras la identificación de los receptores, y muchos receptores putativos o huérfanos para los cuales queda por descubrir un ligando.

Estos receptores nucleares tienen varias características estructurales en común (figura 42-12). Todos tienen un dominio de unión a DNA (DBD) ubicado centralmente que permite al receptor unirse con alta afinidad a un elemento de respuesta. El DBD contiene dos motivos de unión dedo de zinc (figura 38-14) que dirigen la unión sea como homodímeros, como heterodímeros (por lo general con una pareja receptor X retinoide [RXR]) o como monómeros. El elemento de respuesta blanco consta de una o dos secuencias de consenso de medio sitio de DNA dispuestas como una repetición invertida o directa. El espacio entre esta última ayuda a determinar la especificidad de unión. Así, en general, una repetición directa con 3, 4 o 5 regiones espaciadoras de nucleótido especifica la unión de receptores de vitamina D, hormona tiroidea, y ácido retinoico, respectivamente, al mismo elemento de respuesta de consenso (cuadro 42-1). Un dominio de unión a ligando (LBD) multifuncional está localizado en la mitad carboxilo terminal del receptor. El LBD se une a hormonas o metabolitos con selectividad y, de este modo, especifica una respuesta biológica particular. Asimismo, el LBD contiene dominios que median la unión de proteínas de choque por calor, dimerización, localización nuclear y transactivación. Esta última función es facilitada por la función de activación de transcripción carboxilo terminal (dominio AF-2), que forma una superficie requerida para la interacción con coactivadores. Una región bisagra muy variable separa el DBD del LBD. Esta región proporciona flexibilidad al receptor, de manera que puede adoptar diferentes conformaciones de unión a DNA. Por último, hay una región amino terminal muy variable que contiene otro dominio de transactivación llamado AF-1. El dominio AF-1 probablemente proporciona funciones fisiológicas separadas por medio de la unión de diferentes proteínas correguladoras. Esta región del receptor, mediante el uso de promotores diferentes, sitios de empalme alternativos, y múltiples sitios de inicio de traducción, proporciona isoformas de receptor que comparten identidad de DBD y LBD pero ejercen diferentes respuestas fisiológicas debido a la asociación de diversos correguladores con este dominio AF-1 amino terminal variable.

Es posible clasificar de diversos modos este gran número de receptores hacia grupos. Aquí se comentan de acuerdo con la manera en que se unen a sus elementos de DNA respectivos (figura 42-12). Los receptores de hormona clásicos para glucocorticoides (GR), mineralocorticoides (MR), estrógenos (ER), andrógenos (AR) y progestinas (PR), se unen como homodímeros a secuencias repetidas invertidas. Otros receptores de hormona, como de receptor tiroideo (TR), ácido retinoico (RAR) y vitamina D (VDR), y receptores que se unen a diversos ligandos de metabolito como PPAR α, β y γ, FXR, LXR, PXR/SXR, y CAR, se unen como heterodímeros, con receptor X retinoide (RXR) como una pareja, para dirigir secuencias repetidas (figura 42-12 y cuadro 42-5). Otro grupo de receptores huérfanos que hasta ahora no tienen ligando conocido se unen como homodímeros o monómeros a secuencias repetidas directas.

El descubrimiento de la superfamilia de receptor nuclear ha llevado a una comprensión importante de cómo diversos metabolitos y xenobióticos regulan la expresión de gen y, de este modo, el metabolismo, la destoxificación y la eliminación de productos corporales normales, y agentes exógenos, como productos farmacéuticos (cuadro 42-5). No sorprende que esta área sea un fértil campo para la investigación de nuevas intervenciones terapéuticas.

Gran número de correguladores de receptor nuclear también participa en la regulación de la transcripción

El remodelado de cromatina (modificaciones de histona, metilación de DNA), la modificación de factor de transcripción por diversas actividades enzimáticas, y la comunicación entre los receptores nucleares y el aparato de transcripción basal, se logran por medio de interacciones entre una proteína y otra con una o más de una clase de moléculas correguladoras. El número de estas moléculas correguladoras ahora excede 100, sin contar variaciones de especie y variantes de empalme. La primera de éstas en describirse fue la proteína de unión a CREB (CBP). La CBP, mediante un dominio amino terminal, se une a la serina 137 fosforilada de CREB, y media la transactivación en respuesta a cAMP. Así, se describe como un coactivador. La CBP y su familiar cercano, p300, interactúan de manera directa o indirecta con diversas moléculas emisoras de señal, incluso proteína activadora-1 (AP-1), transductores de señal y activadores de transcripción (STAT), receptores nucleares y CREB (figura 42-13). La CBP/p300 también se une a la familia de coactivadores p160 descrita más adelante, y a varias otras proteínas, incluso el factor de transcripción viral Ela, la proteína cinasa p90^RSK y la RNA helicasa A. Tiene importancia notar, como se mencionó, que CBP/p300 tiene actividad intrínseca de histona acetiltransferasa (HAT). En la figura 42-11 se ilustran algunas de las muchas acciones de CBP/p300, que parecen depender de actividades enzimáticas intrínsecas y su capacidad para servir como un andamio para la unión de otras proteínas. Otros correguladores desempeñan funciones similares.

Se han descrito varias otras familias de moléculas coactivadoras. Los miembros de la familia de coactivadores p160, todos de aproximadamente 160 kDa, incluyen: 1) SRC-1 y NCoA-1; 2) GRIP1, TIF2, y NCoA-2, y 3) p/CIP, ACTR, AIB1, RAC3 y TRAM-1 (cuadro 42–6). Los diferentes nombres para miembros dentro de una subfamilia suelen representar variaciones de especie o variantes de empalme menores. Hay alrededor de 35% de identidad de aminoácidos entre miembros de las diferentes subfamilias. Los coactivadores p160 comparten varias proteínas; 1) se unen a receptores nucleares de un modo dependiente de agonista y de dominio de transactivación AF2; 2) tienen un motivo de hélice-asa-hélice básica (bHLH) amino terminal conservado (capítulo 38); 3) tienen un dominio de transactivación carboxilo terminal débil y un dominio de transactivación amino terminal más fuerte en una región que se requiere para la interacción de CBP/p160; 4) contienen al menos tres de los motivos LXXLL requeridos para la interacción proteína-proteína con otros coactivadores, y 5) a menudo tienen actividad de HAT. La función de HAT es en particular interesante, dado que las mutaciones del dominio HAT inutilizan muchos de estos factores de transcripción. La idea que se sostiene actualmente sostiene que estas actividades de HAT acetilan histonas, lo cual facilita el remodelado de cromatina hacia un ambiente eficiente en cuanto a transcripción. De este modo, la acetilación/desacetilación de histona desempeña una función crucial en la expresión génica. Por último, es importante notar que se han reportado otros sustratos proteínicos para acetilación mediada por HAT, como activadores de transcripción de unión a DNA y otros correguladores. Esos eventos de PTM no histona probablemente también tienen importancia en la respuesta reguladora general.

Un pequeño número de proteínas, incluso NCoR y SMRT, comprenden la familia correpresora. Su función, al menos en parte, se describe en la figura 42-2. Otra familia incluye las TRAP, DRIP y ACR (cuadro 42-6). Estas proteínas representan subunidades del Mediador (capítulo 36) y varían de tamaño desde 80 kDa hasta 240 kDa, y se cree que enlazan el complejo de receptor-coactivador nuclear a RNA polimerasa II y los otros componentes del aparato de transcripción basal.

La función exacta de estos coactivadores se encuentra en investigación intensiva. Muchas de estas proteínas tienen actividades enzimáticas intrínsecas. Esto es en especial interesante en vista del hecho de que se ha propuesto que la acetilación, fosforilación, metilación, sumoilación y ubiquitinación (así como proteólisis y translocación celular) alteran la actividad de algunos de estos correguladores y sus blancos.

Parece ser que ciertas combinaciones de correguladores (y, de este modo, diferentes combinaciones de activadores e inhibidores) se encargan de acciones inducidas por ligando específicas por medio de diversos receptores. Además, estas interacciones sobre un promotor dado son dinámicas. En algunos casos, se han observado complejos que constan de hasta 45 factores de transcripción en un gen único.

• Las hormonas, citocinas, interleucinas y factores de crecimiento usan diversos mecanismos de señalización para facilitar respuestas adaptativas celulares.

• El complejo de ligando-receptor sirve como la señal inicial para miembros de la familia de receptor nuclear.

• Las hormonas clase II, péptido/proteína y catecolamina, que se unen a receptores de superficie celular, generan diversas señales intracelulares, las cuales comprenden cAMP, cGMP, Ca²⁺, fosfatidilinositidas y cascadas de proteína cinasa.

• Muchas respuestas a hormonas se logran mediante alteraciones del índice de transcripción de genes específicos.

• La superfamilia de proteínas de receptor nuclear desempeña una función fundamental en la regulación de la transcripción de gen.

• Los receptores nucleares, que pueden tener hormonas, metabolitos o fármacos como ligandos, se unen a elementos de DNA específicos como homodímeros o como heterodímeros con RXR. Algunos (receptores huérfanos) no tienen un ligando conocido pero se unen al DNA e influyen sobre la transcripción.

• Otra familia grande de proteínas correguladoras remodela la cromatina, modifica otros factores de transcripción, y forma puentes entre los receptores nucleares y el aparato de transcripción basal.