MicroRNAs and GRK2 as modulators of Kiss1/GPR54 system: Physiopathological role in pubertal alterations and obesity induced hypogonadism

Abstract

The reproductive function is governed by the so-called hypothalamic-pituitary-gonadal (HPG) axis, where an intricated network of central, peripheral and external factors determine hormonal balance and proper functioning of the reproductive system and the gonadal function, guaranteeing the perpetuation of the species 1–3. In recent years, it has been documented that a plethora of central (glutamate, GABA, NKB, NPY) 4–7, peripheral (insulin, leptin, ghrelin) 8,9 and external (nutritional availability, endocrine disruptors, circadian rhythms) 10–13 cues converge (either acting directly or indirectly) onto Kiss1 neurons in the hypothalamus, as major signaling hub of the HPG axis 14, whose products, kisspeptins, act on the GnRH neurons, via its canonical receptor, GPR5415, activating puberty onset and reproductive function. In addition, it is well recognized that reproductive function is altered under conditions of metabolic distress, ranging from subnutrition to obesity, type 2 diabetes and metabolic syndrome, which are bound to numerous perturbations, including disordered puberty, central hypogonadism (mainly in males) and cardiometabolic impairment16,17. MicroRNAs have been recently pointed out as essential players in the control of normal pubertal development18–21, although no study has addressed the specific regulation of Kiss1, at central levels, exerted by miRNAs 21,22. Further, the effects of miRNAs in the pathogenesis of central hypogonadism are completely unexplored. In parallel, the Kiss1/GPR54 system is a key element for the integration of the energetic status and reproductive capacity 23, where GPR54 inactivating mutations were described decades ago as underlying origin of hypogonadotropic hypogonadism 24,25. The G-protein coupled receptor kinase 2 (GRK2) 26, which is largely recognized as pleiotropic regulator of cellular signaling 27–29, has been suggested in vitro as a modulator of GPR5426. Nevertheless, no studies had addressed to date its potential roles in proper pubertal development and maintenance of reproductive capacity. In the above context, this Doctoral Thesis has addressed, as main aims, (i) the putative role of specific miRNAs in the physiological control of puberty via regulation of the Kiss1 system; (ii) the pathophysiological role of miRNAs in obesity-induced hypogonadism (OIH), their interplay with Kiss1 and their potential therapeutic implications; (iii) the role of GRK2 in the control of puberty and the HPG axis through regulation of GPR54 in normal conditions and under nutritional stress; and (iv) the implication of GRK2 in OIH through GPR54 regulation.

La función reproductora está determinada por el correcto funcionamiento del eje hipotálamohipofiso-gonadal (HHG), donde una compleja red de factores centrales, periféricos y externos determinan el balance hormonal necesario para la adquisición de la capacidad reproductora y, en consecuencia, para el mantenimiento de las especies 1–3. De este modo, se ha documentado que una multitud de factores centrales (GABA, glutamato, NKB, NPY) 4–7, periféricos (leptina, insulina o ghrelina) 8,9 y externos (disruptores endocrinos, aporte energético, ritmos circadianos) 10–13 convergen (actuando directa o indirectamente) en las neuronas Kiss1 hipotalámicas como principal núcleo del eje HHG 14 y cuyo producto, las kisspeptinas, transmitirán información a la neurona GnRH, por medio de su receptor canónico, GPR5415 , activando la pubertad y la función reproductora. Al mismo tiempo, existen evidencias sobre la afectación de la función reproductora como consecuencia del desequilibrio homeostático presente en situaciones como la subnutrición o la obesidad, diabetes mellitus tipo 2 o síndrome metabólico, que se encuentran vinculadas a numerosos desórdenes, incluyendo alteraciones de la edad de pubertad, el hipogonadismo central (principalmente masculino) y la enfermedad cardiovascular 16,17. Datos recientes señalan que los microRNAs (miRNAs) son elementos implicados en la correcta transición puberal 18–21, aunque existen pocos estudios dirigidos a evaluar al papel de los miRNAs en la regulación específica de la expresión de Kiss1, a nivel central19,22. Además, la desregulación de determinados miRNAs en condiciones de hipogonadismo central, su impacto sobre el sistema Kiss1 y su implicación fisiopatológica en esta condición, permanecen inexplorados. En paralelo, el sistema Kiss1/GPR54 es un elemento clave en la integración del estado energético y la capacidad reproductora23, estando descrito que mutaciones inactivantes en GPR54 son una causa subyacente en determinados casos de hipogonadismo hipogonadotropo 24,25. La quinasa de receptor acoplado a proteína G (GRK2) 26 está reconocida como un regulador pleiotrópico de la señalización celular 27–29 y ha sido demostrada su capacidad para regular GPR54, in vitro 26. En cualquier caso, no existen estudios relacionados con su potencial implicación en la correcta maduración puberal y en el mantenimiento de la capacidad reproductora in vivo. En base a lo anterior, esta Tesis Doctoral ha abordado, como objetivos principales, (i) el estudio del papel específico de microRNAs en la regulación puberal a través de la regulación del sistema Kiss1; (ii) el papel fisiopatológico de los microRNAs en el hipogonadismo central inducido por obesidad (HIO) y sus potenciales implicaciones terapéuticas; (iii) el papel de GRK2 en el control de la puberal y el eje HHG mediante la regulación de GPR54 en condiciones control y de estrés nutricional; y (iv) la implicación de GRK2 en HIO a través de la regulación de GPR54.