Los orígenes evolutivos de las hormonas, neurotransmisores, y otros mensajeros químicos extracelulares

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Seminarios de medicina del Hospital Beth Israel, Boston


Las implicaciones para la biología de mamíferos

Jesé Roth M.D., Derek LeRoith M.D., Ph.D, Joseph Shiloach, Ph.D., James L. Rosenzweig, M.D., Maxine A. Lesniak, B.S., and Jana Havrankova, M.D. 

En años recientes, ha habido observaciones de que algunas hormonas peptídicas de los vertebrados están presentes en invertebrados multicelulares –no solo en aquellos complejos como las moscas, sino también en las formas multicelulares más simples.

En este trabajo resumimos la evidencia que dice que hasta los organismos simples unicelulares producen moléculas que son muy similares a las hormonas peptídicas de los vertebrados. Además, existe evidencia de que los elementos bioquímicos que asociamos con la acción hormonal también están presentes en organismos unicelulares, aun en la ausencia de las unidades anatómicas que asociamos con los sistemas endócrino o neuroendócrino, como las glándulas, nervios, el sistema circulatorio, y células blanco diferenciadas.

Equipados con la información de que las hormonas y los elementos bioquímicos relacionados probablemente se originaron con los organismos unicelulares, reexaminamos un gran numero de fenómenos en los seres humanos y otros vertebrados.  Esto explica muchas cosas, incluyendo la superposición del sistema endocrino con el sistema nervioso, la superposición de las hormonas con los factores tisulares, la producción normal y ectópica de hormonas y los mecanismos endocrinos y exócrinos. 

Las Hormonas en Organismos Unicelulares

Se detectó material similar a la insulina en algunas especies de protozoarios, dos especies de hongos, y tres cepas de Escherichia coli. Además se detectó material similar a la somatostatina, ACTH, y β-endorfina en protozoarios.  Parece que estos materiales de tipo hormonal son muy similares a sus contrapartes de vertebrados, especialmente en la conservación de las regiones tridimensionales que son necesarias para el reconocimiento por receptores específicos de los vertebrados y por anticuerpos específicos.

Debemos enfatizar que la primera demostración clara de la presencia de un péptido hormonal de vertebrado en un organismo unicelular fue la detección de un material similar a la gonadotrofina coriónica humana en extractos bacterianos.

Otras moléculas mensajeras de vertebrados han sido encontradas en organismos unicelulares.  Estas incluyen neurotransmisores (catecolaminas, serotonina, y acetilcolina) y esteroides que tienen muchas similitudes con sus contrapartes en vertebrados.  (En nuestro trabajo nos hemos concentrado en los mensajeros peptídicos porque su presencia requiere que el organismo halla heredado y mantenido el correspondiente ADN; en el caso de otros tipos de mensajeros, como las aminas y esteroides, que son fácilmente derivados de constituyentes celulares comunes, podría ser discutido si su presencia es azarosa.) 

Evidencia de Receptores Hormonales y Efectores en Organismos Unicelulares

Se ha observado que muchas hormonas de vertebrados tienen efectos biológicos en los organismos unicelulares, pero solo en dos casos se sabe que están mediados por receptores específicos: la epinefrina estimula la adenilato ciclasa en protozoarios –un efecto que es bloqueado por un receptor específico antagonista, el propranolol; y los péptidos opioides y  alcaloides alteran la conducta de alimentación de las ameabas –un efecto que es bloqueado por naloxona, un inhibidor especifico a nivel del receptor.

Aunque las moléculas de tipo hormonal y los sistemas receptor-efector de los vertebrados han sido detectados en organismos unicelulares, se debe enfatizar que no se ha demostrado su función dentro del organismo unicelular.  Sin embargo, los sistemas intercelulares humorales de comunicación que regulan la reproducción sexual y las reacciones hacia la comida han sido descriptos en organismos unicelulares.  Por ejemplo, en levaduras y otros microbios eucariontes, los péptidos y glicoproteinas han sido identificados como moléculas mensajeras.

Resumiendo: esta información parece sugerir que los elementos bioquímicos que son usados por el sistema endocrino, el sistema nervioso, y otros sistemas de comunicación intercelular de los vertebrados probablemente se originaron en organismos unicelulares.  Con la evolución, los elementos anatómicos del sistema (la célula que produce el mensajero, la célula que responde a él y el fluido extracelular que lo transporta) se han hecho extremadamente complejos, especializados y diversos; por otro lado, los elementos bioquímicos se han conservado. 

Fenómenos de Vertebrados Reexaminados

Superposición de los sistemas endócrino y nervioso

En los vertebrados, los dos sistemas dedicados a la coordinación son el sistema endócrino y nervioso.  Tradicionalmente, estos sistemas eran vistos como entidades separadas, pero la línea que los separa ha sido penetrada de varias maneras.

Las neuronas aparecieron primero con los organismos multicelulares más simples, pero las glándulas endocrinas típicas aparecieron junto con los vertebrados más simples.  Pearse y Polak y sus colaboradores han interpretado estos descubrimientos como indicación de que el sistema nervioso es filogenéticamente más viejo y dió orígen al sistema endócrino de los vertebrados.  También han sugerido que embriológicamente el sistema nervioso antecede al sistema endócrino y que las neuronas de la cresta neuronal son los precursores embriológicos de las glándulas que producen las hormonas gastrointestinales.

De acuerdo a nuestra formulación, el sistema nervioso no origina al sistema endócrino, ni embriológicamente ni filogenéticamente.  Lo que creemos que sucede es que ambos sistemas son derivados independientemente de un sistema ancestral común. 

Agentes Parácrinos y Factores Tisulares

Muchas sustancias que parecen hormonas y neuropéptidos en su estructura y función no entran en el criterio de ninguna de las dos clases (insulin-like growth factors, tissue-specific growth factors, prostaglandinas e interferones).  La incorporación de estos materiales dentro de los modelos de los sistemas endocrinos y nervioso ha sido difícil.  Sugerimos que estos comunicadores intercelulares, incluyendo a las hormonas y neurotransmisores, comenzaron evolucionalmente y embriológicamente como factores tisulares locales actuando sobre las mismas células secretorias y sus vecinos; luego, con los avances morfológicos y de desarrollo, una parte de las moléculas mensajeras se convirtió en hormonas o neurotransmisores.  Este punto de vista provee una racionalización para los descubrimientos de que muchas hormonas clásicas y neurotransmisores en mamíferos actúan igual fisiológicamente en el mismo organismo como agentes parácrinos o factores tisulares locales (somatostatina, insulina y glucagon).  En esencia, la relación anatómica entre la célula secretoria y la célula blanco, al nivel del organismo multicelular, ha sufrido una evolución extensa y muestra gran diversidad.  Por otro lado, la bioquímica fundamental del sistema por el cual un agente humoral transporta su mensaje desde la célula secretoria hasta la célula blanco es evolutivamente viejo y altamente conservado. 

Superposición de las Funciones Exócrinas y Endócrinas

En los organismos unicelulares, la secreción de moléculas mensajeras es indistinguible de la secreción de las enzimas digestivas u otras secreciones que asociamos con los sistemas exócrinos de organismos complejos.  En nuestro punto de vista, la creación de una diferencia entre el sistema exócrino y el sistema endócrino evolucionalmente necesitó de muchos rearreglos anatómicos que fueron adquiridos por los organismos multicelulares moderadamente complejos.  Esto concuerda con el descubrimiento de que en vertebrados las células secretorias exócrinas y endócrinas son muy similares en apariencia, en la preparación de las proteínas para exportación y en los mecanismos de secreción.  Un orígen unitario de las funciones exócrina y endócrina también provee una explicación para el descubrimiento de que muchas moléculas mensajeras humorales, como el factor de crecimiento epidermal, factor de crecimiento neuronal, prostaglandinas, somatostatina, gastrina y prolactina están presentes (y funcionan) en fluidos exócrinos clásicos, como saliva, secreciones intestinales, leche y semen.  De esta manera, un orígen evolutivo común para los sistemas endócrino y exócrino provee la base para la superposición continua en los organismos complejos.

Conclusiones 

El descubrimiento de que los organismos unicelulares producen péptidos hormonales ha sugerido varios puntos.  Primero, todos los elementos bioquímicos de la comunicación intercelular surgieron muy temprano en la evolución y han sido altamente conservados.  Segundo, el surgimiento de organismos anatómicamente complejos permitió la diferenciación y especialización de las células secretorias y células blanco, como también la diversidad de los compartimentos y fluido extracelular que transporta al mensajero difusible de célula a célula. 

Finalmente, diversos fenómenos en los vertebrados pueden ser explicados ahora, incluyendo la superposición de los sistemas endócrino y nervioso, de hormonas y factores tisulares, de la producción normal y ectópica de hormonas y de los mecanismos exócrinos y endócrinos.