Apuntes:
Secreción de Hormona del Crecimiento (GH) o Somatotrofina

Estructura y Síntesis

La hormona del crecimiento o somatotrofina (GH) fue una de las primeras hormonas hipofisiarias en ser descubierta. En 1886, se describió en humanos la acromegalia asociada a tumores benignos de la hipófisis. Sin embargo, a pesar de que se conoce su existencia por más de 100 años, solo en los últimos 10 o más años se ha logrado una mayor comprensión de los mecanismos reguladores de su secreción y sobre sus efectos fisiológicos. En gran parte esta situación es consecuencia de la disponibilidad en grandes cantidades de la hormona recombinada humana (hrGH) y también de la hormona recombinada bovina (brST). Ambas hormonas no presentan actividad biológica cruzada por lo que la aislación y purificación de GH de animales impedía su uso en humanos. Además la caracterización química y la síntesis de los Factores de Crecimiento tipo-Insulina (IGF) ha permitido contar con otra potencial herramienta terapéutica y de producción animal ya que algunas acciones fisiológicas de la GH son consecuencia de la activación de la síntesis y secreción de IFG-1.

La GH es una hormona polipeptídica de 191 aminoácidos, producida en los somatotropos de la hipófisis anterior, con un peso molecular de 22 kDa. Se sintetiza como una pre-hormona de 217 aminoácidos. El locus que regula la síntesis de GH humana se encuentra en el cromosoma 17 y consta de 5 genes. Uno de los genes sería el que expresa la GH hipofisiaria mientras que los otros corresponden a la GH placentaria. La GH junto con la prolactina (PRL) y el Lactógeno Placentario pertenecen a una misma familia de proteínas que comparten un gen ancestral común. Poseen además una estructura tri-dimensional común lo que explicaría en parte las acciones biológicas compartidas, ya que la GH humana, bovina y ovina es capaz de unirse al receptor de prolactina. Se ha descrito también la existencia en el plasma de variantes de la GH. La variante mayor es de cerca de 20 kDa. Además, existe una tendencia a la polimerización de las moléculas de GH, particularmente la GH de no-primates, con la presencia una GH llamada "big-GH", y una "big-big-GH".

Regulación de la Secreción

Similar a lo que ocurre con otras hormonas hipofisiarias, la GH se secreta en forma pulsátil. La secreción de GH es sexualmente dimórfica en todas las especies de mamíferos. En ratas machos los pulsos de GH se presentan cada 4 horas y se caracterizan por ser de gran amplitud mientras que en las hembras son de alta frecuencia, en forma aleatoria y de baja amplitud, con un fuerte componente nocturno. Este patrón de secreción de machos y hembras se inicia en la pubertad. Una situación similar se observa en rumiantes. Sin embargo, una diferencia notable se presenta entre los rumiantes como la vaca y la oveja y los roedores y humanos en el aumento de GH asociado al inicio de la pubertad. Las ratas y los humanos presentan un aumento puberal de GH y también de IGF mientras que los ovinos y bovinos no lo presentan. Los rumiantes presentan altos niveles de GH al nacimiento y luego comienzan a descender y en el caso de la oveja, los niveles más bajos se detectan a las 12 semanas de edad, 3 meses antes del inicio de la pubertad. Resultados obtenidos en nuestro laboratorio muestran que la secreción de GH en borregas es pulsátil, con pulsos cada 3 horas, los cuales no se modifican con la restricción alimenticia pero si se modifica la amplitud de los pulsos, lo cual determina que la concentración promedio aumenta.

El patrón de secreción de GH está controlado por factores externos como el fotoperíodo y la alimentación; y factores internos como la edad y el sexo. Estos factores son integrados por el sistema nervioso central, el cual integra la información a nivel hipotalámico.

La secreción de GH está regulada por dos neuropéptidos de origen hipotalámico: la hormona liberadora de la GH (GHRH) y la somatostatina (SS).

La GHRH es un péptido de 40 o 44 aminoácidos cuya unión a receptores específicos en la membrana del somatotropo y via cAMP estimula la síntesis y liberación de la GH. Las neuronas productoras de GHRH se encuentran en el hipotálamo medio basal, particularmente en el núcleo ventromedial (VMN) y el núcleo arqueado (ARN), cuyas fibras se proyectan hacia los vasos portales de la eminencia media. Se acepta también que las fibras desde neuronas GHRH del VMN se dirigen hacia el ARN.

No existe un consenso aun sobre el rol de la síntesis de GHRH en la secreción dimórfica de GH. Algunos trabajos demuestran que el mRNA de GHRH es modificado por esteroides gonadales mientras que otros no observan cambios ni con la administración de esteroides gonadales, ni durante el ciclo estral, preñez o con la edad. No obstante, la mayor parte de la evidencia se dirige a demostrar que los andrógenos aumentan la secreción de GH aumentando la síntesis y secreción de GHRH. Además, los andrógenos aumentan la secreción de GH inducida por GHRH. Pero, por otro lado, también aumentarían la secreción de SS, lo cual explicaría las diferencias en amplitud de los pulsos y los niveles basales entre machos y hembras.

El hipotálamo no es el único lugar donde se sintetiza la GHRH. La immunoreactividad a GHRH se ha detectado en ovarios y testículos, localizados específicamente en el ovocito y en la célula de Leydig, y en el cuerpo lúteo. El mRNA de GHRH de los testículos es mayor que el del hipotálamo, lo que junto a otras características bioquímicas, sugiere que existen diferencias entre la GHRH hipotalámica y testicular. La existencia de GHRH en el ovario y testículo hace pensar en un rol de regulación paracrina o autocrina. En el ovario, la GHRH promueve la maduración folicular y ovulación por acción directa sobre las células de la granulosa, estimula la formación de cAMP y potencia el efecto de la FSH sobre el cAMP y sobre el desarrollo folicular. Otros sitios donde se ha detectado la GHRH, incluye el yeyuno, la placenta y el páncreas. La GHRH immunoreactiva se ha medido en el plasma periférico pero su origen es desconocido ya que no es de origen hipotalámico porque se ha detectado en sujetos con lesiones hipotalámicas o con deficiencia de GH.

El gen que expresa la GHRH bovina se ha sintetizado y experimentalmente se ha introducido el gen en células bovinas mediante un vector de retrovirus de la leucemia bovina y las líneas celulares infectadas han sido capaces de sintetizar la GHRH. Esta técnica abre posibilidades ciertas en el futuro, de modificar la secreción de GHRH con el fin de aumentar la secreción de GH en los animales para aumentar la producción de leche y la ganancia de peso.

La GHRH humana es estructuralmente semejante a la ovina y bovina pero no con respecto a la GHRH de rata. Todas las GHRH con excepción de la rata son aminadas en su terminal COOH. Además, 14 de los 44 aa son diferentes en la rata con respecto a la humana y de rumiantes.

La somatostatina (SS) es un péptido de 14 aminoácidos y sería sintetizada en neuronas localizadas en el hipotálamo anterior y en el área preóptica y depositadas en los terminales ubicados en la eminencia media. Se ha demostrado también la existencia y liberación de una somatostatina de 28 aa que no sería un mero precursor de la SS sino que tendría actividad endocrinológica propia. En una base molar la SS-28 tendría mayor actividad inhibitoria, con mayor duración del efecto, el cual sería por una mayor afinidad al receptor de SS en el somatotropo y a una mayor vida media. La SS ejerce sus efectos inhibitorios sobre la secreción de GH a través de sus propios receptores, independiente de los receptores de GHRH. Su probable mecanismo de acción sería la inhibición de la sintesis de cAMP.

Así como no es claro la influencia de los esteroides sobre la síntesis y secreción dimórfica de GHRH, tampoco existen pruebas concluyentes en el caso de la SS, al menos en ratas. No obstante se acepta que los esteroides gonadales afectan la síntesis y concentración de SS pero su falta de relación con los niveles de mRNA de SS sugiere una discordancia entre transcripción y translación del gen. Por otro lado se ha demostrado que no existe secuencia de unión a los estrógenos en el gen de SS.

La SS también inhibe la secreción de TSH desde la hipofisis y la secreción de insulina desde el páncreas. Varias funciones digestivas son también inhibidas por la SS como ser la secreción de gastrina, HCl, pepsina, el vaciamiento gástrico, la liberación de CCK,etc. A nivel del encéfalo también tiene actividad inhibitoria sobre la secreción de Ach y NE.

La SS en sus dos formas ha sido identificada en el páncreas, el estómago y el duodeno.

La estimulación eléctrica de regiones extrahipotalámicas también tendrían algún efecto sobre la secreción de GH en especial la amígdala y el hipocampo.

La mayor parte de la evidencia experimental en animales y humanos sugiere que la liberación basal de GH está bajo control inhibitorio ejercido por la SS. La Immunoneutralización de SS eleva los niveles basales. Los pulsos de GH serían el resultado de la secreción de GHRH con una disminución paralela del tono somatostatinérgico.

Ambos neuropéptidos ejercerían además feedback entre ellas. Se ha demostrado que la administración intracerebroventricular de GHRH paradógicamente disminuye la secreción de GH y que la administración de SS eleva los niveles de GH. Por otro lado, la GH es capaz también de regular su propia secreción a través de un feedback corto. La GH, a través de un flujo retrógrado por la vasculatura portal, alcanzaría hasta la eminencia media y provocaría la secreción de SS. Esto explicaría la inhibición en la respuesta a TRH en niños tratados con GH ya que en ellos aumentaría la secreción de SS, que como se explicó inhibe la secreción de TSH.

En la mayor parte de los animales los niveles de GH son altos durante la etapa fetal y postnatal, para posteriormente declinar, y en humanos y ratas vuelve a aumentar nuevamente con el inicio de la pubertad. Esta GH sería secretada bajo el estimulo de la GHRH, mientras que la caída postnatal sería por aumento en la SS.

En humanos y ratas, la vejez está asociada a una nueva caída en la GH plasmática. La disminución sería el resultado de una menor respuesta de la hipófisis a la GHRH y de una menor secreción de GHRH, dado que la administración repetida de GHRH a humanos restaura en parte la respuesta a la GHRH. Además se argumenta que durante la vejez aumentaría el tono somatostatinérgico. La infusión de ARG que se supone inhibe la secreción de SS recupera la respuesta a la GHRH en los ancianos.

A nivel hipotalámico la secreción de GHRH y SS está bajo el control de neurotransmisores y neuropéptidos. Las catecolaminas, Ach, H y GABA son los neurotransmisores más estudiados. Entre los neuropéptidos se puede mencionar al VIP, neuropéptido Y, la galanina y los opioides.

Los neurotransmisores y los neuropéptidos son los intermediarios que unen el SNC a las funciones de control de la secreción de GH ejercidas por la GHRH y SS. Los estímulos metabólicos, neurogénicos y hormonales que influyen en la secreción de GH lo hacen a través de cambios en el metabolismo y función de neurotransmisores y neuropéptidos.

Efectos Biológicos de la GH

La GH tiene un amplio espectro de acciones biológicas. El más destacable de todas es la promoción del crecimiento de los huesos, tejidos blandos y vísceras. Este se debe a una acción directa para estimular la diferenciación clonal y una indirecta para promover la expansión clonal de los condrocitos mediada por los IGF-I y II (anteriormente conocidos como factores de sulfatación I y II respectivamente). Los IGF-s tienen actividad tipo insulina en las células adiposas y estimulan la incorporación de sulfato en el cartílago, la síntesis de glicosaminoglicanos y de DNA en el cartílago y la formación de colágeno, permitiendo el crecimiento. Estas acciones biológicas son particularmente importantes y atribuidas al IGF-I durante el período de crecimiento del animal, pero con escasa participación durante el desarrollo fetal y neonatal. Durante estas etapas, el IGF-II tendría un rol más destacado. En humanos, la GH e IGF-I promueven el crecimiento de los huesos largos en las placas epifisiarias donde se encuentran las células cartilaginosas activas, en especial durante el período de crecimiento rápido puberal. Este efecto se detiene una vez que las epífisis se cierran al final de la pubertad. De acuerdo a un modelo de acción de la GH en el crecimiento longitudinal de los huesos, la GH actuaría directamente sobre los huesos, estimulando la diferenciación de los precondrocitos en células que producen IGF.

Las acciones directas de la GH están íntimamente relacionadas con el metabolismo. En relación al metabolismo de los hidratos de carbono, la GH reduce el transporte y metabolismo de la glucosa por medio de una reducción en los receptores de insulina en el hígado. Una concentración elevada de GH puede conducir a hiperglicemia, resistencia insulínica periférica e hiperglicemia. En contraste, en humanos se ha observado que una injección de GH tiene un efecto tipo-insulina agudo. En cuanto al metabolismo de los lípidos, aumenta la lipólisis en los adipocitos, con liberación de ácidos grasos libres. Con respecto al metabolismo proteico, la GH tiene una clara acción anabólica, promoviendo la síntesis proteica, aumentando la transcripción y translación del RNA en el hígado y músculos, y además aumentando el transporte de aminoácidos en el músculo, hígado y tejido adiposo. El resultado es una mayor retención de N.

La GH también influye en el metabolismo mineral, promoviendo la retención de Na, K, y P. Se ha observado además que la administración de GH se asocia con un aumento en la absorción intestinal de Ca, pero como la excreción de Ca urinario también aumenta, el efecto neto es prácticamente cero.

Receptor de GH

Los receptores de GH se encuentran en una variedad de tejidos. Para que un tejido responda directamente a la GH debe presentar los receptores. Entre los tejidos blancos se encuentra, el hígado, los músculos, los huesos, el tejido adiposo. Algunas de las acciones biológicas de la GH como ser la promoción del crecimiento y efectos endocrinos en huesos, tejidos blandos, gónadas y vísceras, son mediadas por los IGF-I e IGF-II. El receptor de GH se caracteriza por ser una proteína lineal con un solo dominio de transmembrana. El gen del receptor de GH humano fue clonado en 1987 y codifica una proteína de 620 aa, dividida en un dominio extracelular de 246 aa, un dominio de transmembrana de 24 aa y un dominio citoplasmático de 350 aa.

Además de los sitios de unión en la membrana celular se han detectado proteínas ligantes de GH. Estas proteínas solubles idénticas al dominio extracelular del receptor se originan por rompimiento proteolítico de los receptores de membrana o por rompimiento alternativo del producto transcrito hacia el receptor completo. El rol de estas proteínas solubles o proteínas ligantes (binding proteins) no está bien claro pero podrían proteger a la hormona de su degradación y por lo tanto favorecerían una vida media más larga.

El receptor de GH presenta una cierta homología con el receptor de Prolactina (PRL), con un 30% de secuencia de aa similar. Sin embargo sus estructuras terciarias están altamente relacionadas. La estructura tridimensional analizada por cristalografía muestra que a pesar de su baja homología secuencial, la estructura tridimensional se sobreponen casi completamente una con la otra. Esto sugiere que ambas hormonas, al presentar ellas también una alta analogía podrían unirse a los receptores de la otra.

El receptor de GH pertenece a una gran superfamilia de receptores llamada receptores de citoquínas Clase-1 que comparten características estructurales. A esta superfamilia pertenecen también los receptores para interleucinas, factor estimulante de los granulocitos, factor inhibitorio de leucemia, la eritropoyetina, la trobopoietina y la leptina.

La unión de la GH a su receptor produce homodimerización. La GH tiene 2 sitios de unión, llamados 1 y 2, que se unen en forma secuencial con un receptor y luego con otro. La unión al primer receptor es inactiva y por lo tanto es altamente importante que ambos sitios se acoplen al receptor. Análogos de GH, en los cuales se ha reemplazado la secuencia de aa en el sitio 2, han transformado este análogo en potentes antagonistas. La GH mutada mantiene la capacidad de unirse a un receptor a través del sitio 1, pero como el sitio 2 no es capaz de reconocer o unirse a un receptor, no genera acción biológica y por lo tanto actúa como un antagonista. Aunque el receptor no tiene actividad kinasa intrínsica, la fosforilación de tirosina intracelular es una característica común de la activación del receptor. La actividad kinasa dependería de kinasas JAK2, que pertenece a la familia Janus. El mecanismo por el cual se activa la kinasa se supone que es consecuencia de la homodimerización del receptor, que permite que 2 moléculas de JAK2 se unan permitiendo la trans-fosforilación en las tirosinas y subsecuente activación de la enzima, las cuales a su vez, activan a la proteína Stat-5, que es un tipo de proteína ligante de DNA (Stat proviene del inglés: Signal Transducer and Activator of Transcription, una familia de proteínas citoplasmática, que comprende 8 miembros: STAT1, etc.). Se supone entonces que en una célula inactiva, las proteínas STATS permanecen en el citosol. Una vez que se activa el receptor y se fosforila por las kinasas JANUS, las tirosinas fosforiladas se transforman en sitios de unión para las STATS. Una vez que se unen con el receptor, las STATS son fosforiladas por las kinasas JANUS asociadas al receptor. Las STATS se disocian del receptor por mecanismos poco conocidos y se homo o heterodimerizan y se translocan al núcleo donde interactuan y activan elementos DNA específicos que se encuentran en los genes blancos de las citokinas.

GH y Lactancia en Bovinos

El inicio de la lactancia impone en la vaca un cambio dramático en el metabolismo de la glándula mamaria y de otros tejidos. El cambio más notable es el aumento en más del doble de la captación de glucosa por la glándula mamaria antes del parto y con un mayor aumento después del parto. La glucosa se ocupa en la glándula mamaria para la síntesis de lactosa. Para enfrentarse con esta alta demanda, la tasa de gluconeogénesis hepática debe incrementarse al doble durante el periodo alrededor del parto si no hay una entrega concomitante de propionato u otros substratos glucogénicos de origen dietario. Pero aun así, se observa un aumento en la mobilización de aa desde los músculos, así como una reducción en el uso e incorporación de glucosa al tejido adiposo para formar lípidos. Los cambios adaptativos en la gluconeogenesis hepática y en la utilización periférica de glucosa comprende 2 niveles de regulación, una homeostática y una homeorrética. El concepto homeorresis fue acuñado por Bauman y Currie y se refiere a la regulación de la partición de nutrientes. A diferencia de la homeostasis, la homeorresis explica los fenómenos de tipo crónico, su influencia simultánea en varios tejidos y órganos y su mediación mediante respuestas tisulares alteradas a señales homeostáticas. La naturaleza de la regulación homeorrética implica su mediación por hormonas y otros factores humorales. Específicamente en el caso de la utilización de glucosa, las adaptaciones metabólicas asociadas a la lactogénesis y el establecimiento de la lactancia, incluyen la caída de progesterona, y los aumentos en cortisol, estrógenos y prolactina antes del parto y la elevación de la GH desde el parto hasta la lactancia temprana. De estas hormonas sólo la GH tiene asignado un rol claro y poderoso en la regulación homeorrética de la partición de nutrientes desviándolos hacia la glándula mamaria de tal forma que sean usados en la síntesis de la leche. La GH permite la adaptación en la producción y disposición de la glucosa y otros nutrientes como aminoácidos y ácidos grasos, coordinada con otros cambios metabólicos en el tejido mamario y no mamarios.

La acciones biológicas directas de la GH en la lactancia están relacionadas principalmente con la coordinación de los procesos metabólicos. La GH causa un aumento moderado en la gluconeogénesis hepática, en forma paralela con el aumento de la demanda de glucosa por la glándula mamaria. Este efecto dependería de una disminución en la capacidad de la insulina para inhibir la gluconeogénesis. La GH es además un inhibidor potente de la utilización de glucosa y de la lipogénesis estimulada por insulina. Esto explicaría la insulino-resistencia que se observa durante la lactancia temprana. Además, la GH aumenta la capacidad de las catecolaminas para aumentar la lipólisis. La GH también reduce la captación de glucosa por los músculos, lo que se produciría bloqueando la acción de la insulina en el músculo. Adicionalmente, la resistencia insulínica inducida por la GH podría influir en la movilización de aminoácidos después del parto. Esto también dependería de la antagonización del efecto antiproteolítico que tiene la insulina sobre el músculo. Por otro lado, aunque la GH no alteraría la concentración en el mRNA de transportador de glucosa GLUT1 en el tejido mamario, el aumento de la captación de glucosa sería derivado fundamentalmente del aumento en el riego sanguíneo producido por la GH.

Los efectos indirectos de la GH sobre la lactancia dependerían de los IGF. Estos efectos corresponden principalmente a un aumento en la tasa de síntesis de leche por célula, así como también en el mejoramiento en la mantención de las células mamarias, inhibiendo la apoptosis.

En resumen, la GH modifica el riego sanguíneo a la glándula mamaria, lo que permite la entrega de los nutrientes precursores de la síntesis de grasa, proteínas y lactosa de la leche. Para que la provisión de los precursores críticos de la síntesis de leche estén disponibles, la GH debe reducir el consumo de glucosa por otros tejidos como músculo y tejido adiposo, debe aumentar la gluconeogénesis usando propionato y glicerol, debe reducir la lipogénesis con lo que una mayor cantidad de ácidos grasos libres pueden ser utilizados como fuente de energía por los tejidos, o usados en la producción de leche. Además, la GH aumentaría el número de células o evitaría la apoptosis, función en la que los IGF-s y sus proteínas ligantes serían los intermediarios.

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