A apelina é um peptídeo recentemente descoberto e identificado como o ligando endógeno do receptor APJ. A apelina e o receptor APJ são expressos numa grande variedade de tecidos, tais como coração, cérebro, rins e pulmões, onde a sua interação pode ter importantes efeitos fisiopatológicos. Com efeito, a última década foi fértil no esclarecimento de possíveis papéis desempenhados pela apelina na fisiologia humana, nomeadamente como peptídeo regulador dos sistemas cardiovascular, hipotálamo-hipófisário, gastrointestinal e imunitário. Um possível envolvimento da apelina na patogênese de doenças com elevada prevalência e co-morbilidades, como a hipertensão arterial, a insuficiência cardíaca e o diabete melito tipo 2, perspectivam-na como um possível alvo terapêutico a explorar no futuro. Este trabalho fornece uma visão geral dos efeitos fisiológicos da apelina e apresenta o possível papel desse peptídeo na patogênese de várias doenças, associado a implicações terapêuticas que poderão vir a ser, assim, exploradas.
Serviço de Fisiologia, Faculdade de Medicina da Universidade do Porto, Porto - Portugal
A apelina é um peptídeo recentemente descoberto e identificado como o ligando endógeno do receptor APJ. A apelina e o receptor APJ são expressos numa grande variedade de tecidos, tais como coração, cérebro, rins e pulmões, onde a sua interação pode ter importantes efeitos fisiopatológicos. Com efeito, a última década foi fértil no esclarecimento de possíveis papéis desempenhados pela apelina na fisiologia humana, nomeadamente como peptídeo regulador dos sistemas cardiovascular, hipotálamo-hipófisário, gastrointestinal e imunitário. Um possível envolvimento da apelina na patogênese de doenças com elevada prevalência e co-morbilidades, como a hipertensão arterial, a insuficiência cardíaca e o diabete melito tipo 2, perspectivam-na como um possível alvo terapêutico a explorar no futuro. Este trabalho fornece uma visão geral dos efeitos fisiológicos da apelina e apresenta o possível papel desse peptídeo na patogênese de várias doenças, associado a implicações terapêuticas que poderão vir a ser, assim, exploradas.
Em 1993, O'Dowd e cols.1 identificaram um gene que apresentava uma grande homologia com o gene que codifica o receptor de tipo 1 da angiotensina II (AT-1). Denominado APJ, esse receptor permaneceu "órfão" até 1998, quando Tatemoto e cols.2 descobriram um ligando endógeno seletivo para o mesmo, o qual foi denominado apelina ("apelin") para "APJ endogenous ligand". Os primeiros estudos demonstraram que a apelina e o seu receptor são expressos de uma forma praticamente ubiquitária, adquirindo especial destaque em órgãos como coração, cérebro, rins e pulmões3-6.
A distribuição do sistema apelinérgico por essa grande variedade de tecidos sugeriu que esse poderia desempenhar papéis importantes na fisiologia humana. Com efeito, a apelina está envolvida na regulação das funções cardiovascular, gastrointestinal e imunitária, na fisiologia óssea, na homeostasia de fluidos e no desenvolvimento embrionário do sistema cardiovascular7-9. Recentemente, foi igualmente demonstrado o envolvimento do sistema apelinérgico na patogênese de diversas doenças com uma elevada prevalência, tais como a hipertensão arterial, a insuficiência cardíaca (IC), a obesidade, a intolerância a glicose e o diabete melito tipo 2, bem como na infecção pelo VIH (vírus da imunodeficiência humana), no diabete insípido, na úlcera gástrica e na osteoporose7-9. Assim, é cada vez mais consensual que a modulação do binômio apelina/APJ poderá ser um possível alvo terapêutico a explorar no futuro10,11.
Nesse sentido, o objetivo deste trabalho é fazer uma revisão do sistema apelinérgico e proporcionar uma visão geral dos processos fisiológicos e patológicos em que esse está envolvido, para que uma melhor compreensão do binômio apelina/APJ permita a idealização de novas investigações a desenvolver e de possíveis aplicações clínicas no futuro.
Em 1993, O'Dowd e cols.1 caracterizaram um fragmento de 700 pares de bases, usando a tecnologia de reação em cadeia da polimerase (PCR), cuja análise detalhada revelou várias semelhanças com as seqüências gênicas dos domínios transmembranares dos receptores acoplados a proteínas G (GPCR). A proteína codificada possuía 380 aminoácidos e foi denominada APJ.
Cedo se verificou uma grande homologia entre o receptor APJ e o receptor AT-1: 115 aminoácidos (a.a.) (30%) no total e 86 a.a. (54%) nas regiões transmembranares1, bem como uma grande semelhança na expressão tecidual dos dois receptores3. Porém, a apelina, ligando endógeno do receptor APJ, não se liga ao receptor AT-112, nem a angiotensina II (AngII) ao APJ1,2.
Apesar de predominantemente localizado na membrana, o receptor APJ foi também encontrado no núcleo de células do cerebelo e do hipotálamo humanos, tendo sido identificado na terceira alça intracelular um sinal de localização nuclear13. Esses dados sugerem que esse receptor poderá ter um possível papel na regulação da transcrição de genes, tal como foi anteriormente demonstrado para a AngII10, aspecto que deverá ser alvo de investigação no futuro.
Após o estudo da distribuição do receptor APJ em ratos, camundongos e humanos, concluiu-se que esse é abundantemente expresso no sistema nervoso central (SNC) e em vários tecidos periféricos, merecendo especial destaque os pulmões e o coração1,3-5,14. No sistema cardiovascular, os diversos estudos já realizados demonstram que o receptor APJ está presente nas células endoteliais de pequenos vasos intramiocárdicos, renais, pulmonares e supra-renais, artérias coronárias, células endoteliais endocárdicas e células musculares lisas vasculares5. É interessante notar que a imuno-reatividade do APJ está disposta nos cardiomiócitos segundo um padrão estriado transversal, indicando a co-localização do receptor com os túbulos-T5.
O receptor APJ permaneceu órfão até 1998, quando Tatemoto e cols.2 isolaram um peptídeo com 36 a.a. a partir de extratos de estômago de bovino, que denominaram apelina, o qual induzia a acidificação extracelular e a inibição da formação de AMPc numa linha celular de ovários de hamster chinês que expressava o receptor APJ. O gene que codifica a pré-proapelina, um pré-propeptídeo com 77 a.a., está localizado, no humano, no cromossoma Xq25-26.1, e possui 1.726 pares de bases com 3 exons. Curiosamente, demonstrou-se uma grande homologia entre diferentes espécies na seqüência protéica da pré-proapelina, nomeadamente nos 23 a.a. do terminal C12. Com efeito, o fragmento terminal 65-77 C dos peptídeos apelinérgicos é essencial para a ligação ao receptor APJ e para a sua atividade biológica, enquanto o terminal N desempenha um papel fundamental na modulação da interação ligando-receptor15.
Nos primeiros trabalhos sobre a apelina foram identificadas diferentes isoformas que se pensa poderem existir
Os primeiros estudos que caracterizaram a distribuição tecidual da apelina foram realizados em tecidos de ratos e evidenciaram a presença do seu pré-propeptídeo numa grande diversidade de tecidos3,4,6,12,17. Em humanos, o RNAm da pré-proapelina existe abundantemente no SNC e na placenta, bem como em quantidades mais moderadas no rim, no coração, nos pulmões e na glândula mamária. É de salientar o fato de a apelina biologicamente ativa se encontrar no miocárdio, no endotélio cardíaco e no endotélio dos grandes vasos e de pequenas veias e artérias7. Nas células endoteliais, a apelina não se localiza nos corpos de Weibel-Palade, vesículas resultantes da secreção peptídica endotelial induzida, sugerindo uma liberação constitutiva da apelina5.
A concentração de apelina circulante em humanos foi estimada entre 3 e 4 ng/mL através de um ensaio imunoenzimático18. Essa é uma concentração baixa quando comparada com aquela de outros hormônios circulantes, sendo, porém, comparável à de mediadores vasoativos derivados do endotélio, o que sugere uma liberação endotelial da apelina.
Atualmente, atribui-se à carboxipeptídase ECA2 (enzima de conversão da angiotensina de tipo 2) o papel de degradação da apelina, ao clivar a fenilalanina do terminal C dos peptídeos apelinérgicos com alta potência enzimática e eficácia19. Essa relação sugere, assim, uma grande importância da apelina na regulação cardiovascular, uma vez que a ECA2 participa no eixo renina-angiotensina-aldosterona8. De fato, a ECA2 também participa na degradação da AngII a angiotensina 1-7, a qual, ao contrário da AngII, parece desempenhar importantes funções de proteção cardíaca e renal20. Assim, a indução da ação dessa enzima poderá, no futuro, ser um alvo terapêutico nas principais doenças cardiovasculares.
Uma das principais vias de transdução de sinal da apelina depende da interação com uma proteína Gi acoplada ao receptor APJ, independentemente da proteína Ras, sendo, contudo, dependente da proteína cínase C (PKC)7. Com efeito, se inibirmos a PKC, a fosfolípase C (PLC), o trocador Na+-H+ (NHE) e o trocador Na+-Ca2+ (NCX), os efeitos da apelina são significativamente reduzidos, nomeadamente no que diz respeito ao seu efeito inotrópico positivo21. É de salientar que a ativação da PKC resulta na fosforilação do NHE, o qual promove a alcalinização do interior da célula e a sensibilização dos miofilamentos ao Ca2+, bem como numa ativação do NCX, que passa a funcionar em modo reverso e promove, assim, a entrada de Ca2+ para a célula (
Para além da via de inibição da adenilcíclase, a apelina ativa a via das ERKs (cínases reguladas extracelularmente) através de uma proteína G sensível à PTX (toxina
A apelina e o seu receptor são expressos em tecidos embrionários e adultos. Dessa forma, desempenham um amplo espectro de ações, com início em fases muito precoces do desenvolvimento cardiovascular e que se continua até a idade adulta, sendo cada vez mais evidente a sua contribuição em vários processos fisiopatológicos.
Assim, foi já demonstrada a elevada expressão do receptor APJ no endotélio dos vasos embrionários14 e na túnica íntima dos vasos da retina, bem como o aumento e a diminuição da expressão desse receptor durante a formação e a estabilização dos vasos da retina, respectivamente26.
Esses dados fortalecem a idéia de que a apelina desempenha um papel importante na proliferação das células endoteliais, quer no desenvolvimento embrionário e estados fisiológicos quer em estados patológicos (exemplo, neoplasias malignas e retinopatia diabética). Desse modo, poderão ser imaginadas possíveis aplicações terapêuticas futuras, tais como o uso de agonistas para a promoção da angiogênese terapêutica (exemplo, situações isquêmicas), e de antagonistas angiogênicos, como estratégia para controlar o crescimento tumoral e a retinopatia diabética.
Os primeiros estudos sobre a distribuição tecidual da apelina e do receptor APJ apontaram para uma alta expressão dos respectivos RNAm no coração e em vasos sangüíneos de ratos e humanos4,6,14,17,18, sendo a expressão do APJ especialmente elevada no coração de rato15 e a apelina abundantemente expressa nas células endoteliais dos grandes vasos de condução humanos3. Mais recentemente, foi detectado RNAm do receptor APJ na túnica média dos grandes vasos27 e imuno-reatividade à apelina nas células endoteliais de pequenos vasos de resistência28.
Em 2000, Lee e cols.12 demonstraram, pela primeira vez, que após a infusão intravenosa de apelina-13 em ratos anestesiados, as pressões arteriais sistólica e diastólica sofriam uma queda temporária (de cerca de 10 mmHg). No seguimento desse trabalho, outro grupo de investigadores demonstrou que a eficácia do efeito hipotensor estava inversamente correlacionada com o peso molecular da isoforma da apelina, sendo esse efeito abolido após a administração de um inibidor da síntase de NO (NOS)25, o que sugere que a apelina exerce os seus efeitos vasoativos mediante um mecanismo dependente do NO. Com efeito, a apelina causa uma vasodilatação dependente do endotélio mediante a ativação da Akt que fosforila a eNOS e promove a liberação de NO e o aumento dos níveis de GMPc25. No entanto, pode desencadear uma resposta vasoconstritora na presença de um endotélio disfuncionante, atuando, nesse caso, sobre as células musculares lisas vasculares, que também expressam o receptor APJ27 (
Relativamente aos efeitos cardíacos, Szokodi e cols.21 demonstraram que, em preparações de coração intacto de rato, a apelina-16 tinha um efeito inotrópico positivo, aumentando a contractilidade com um EC50 de, aproximadamente, 30 pM, e um efeito máximo de cerca de 70% da resposta à isoprenalina (agonista beta-adrenérgico). Experiências
Um estudo do nosso grupo, para além de confirmar o efeito inotrópico positivo
O par apelina/APJ está intrinsecamente relacionado com o par AngII/AT-1 na regulação da fisiopatologia da função cardiovascular. Camundongos
A demonstração de que o exercício físico promove o aumento da expressão de apelina e do receptor APJ no miocárdio de ratos hipertensos e a transformação de uma hipertrofia patológica, de etiologia hipertensiva, numa hipertrofia fisiológica, em razão do exercício33, leva-nos a pensar que o efeito benéfico da atividade física na redução dos valores de tensão arterial em hipertensos poderá, em parte, ficar a dever-se ao aumento da expressão do sistema apelina/APJ em nível cardiovascular.
Para além dos seus efeitos fisiológicos, a apelina foi também implicada na patogênese da IC. Nos primeiros estudos, verificou-se que os níveis circulantes de apelina estavam aumentados em doentes com IC de início recente, diminuindo progressivamente com o agravamento da doença34. Um estudo populacional de grandes dimensões verificou que a concentração sérica de apelina estava diminuída em doentes com IC sistólica por disfunção ventricular esquerda35. Essa diminuição pode resultar da disfunção endotelial que acompanha a IC (afetando a produção de apelina)34 ou da exaustão de um possível mecanismo compensatório com vista à manutenção de um débito cardíaco adequado levado a cabo pelo sistema apelinérgico em doentes com IC. Em 2006, Dai e cols.36 demonstraram que a apelina exerce uma ação inotrópica positiva significativa no miocárdio insuficiente em conseqüência de um aumento no transiente de Ca2+.
Estudos recentes revelam que: 1) a terapia com apelina em ratos com lesões miocárdicas induzidas pela isoprenalina promove a recuperação da função cardíaca, tendo também um efeito cardioprotetor, por exemplo, contra a peroxidação lipídica37; 2) os níveis de apelina estão reduzidos em pacientes com doença coronária sujeitos a hemodiálise, sendo especulado que a apelina possa estar envolvida na fisiopatologia da doença cardiovascular secundária à insuficiência renal crônica, e que poderá ser utilizada no futuro como forma de tratamento da cardiomiopatia urêmica38; 3) a terapia de ressincronização ventricular promove, em longo prazo, um aumento dos níveis plasmáticos de apelina39, o que poderá estar associado à melhoria da função cardíaca; 4) apesar de ter sido considerada um possível marcador de hipóxia cardíaca (aguda e crônica)40,41 os níveis circulantes de apelina não parecem ser úteis na avaliação clínica e no prognóstico de doentes com IC aguda ou crônica35,42,43; 5) a apelina poderá ser utilizada como um marcador para avaliar o risco de desenvolver fibrilação auricular isolada44 e como marcador diagnóstico para distinguir a dispnéia de causa pulmonar daquela de origem cardiovascular45.
Em relação a este último aspecto, foi demonstrado por Ellinor e cols.44 que em pacientes com fibrilação auricular isolada os níveis de apelina estão reduzidos, o que sugere que a concentração sérica desse peptídeo poderá vir a ser utilizada como índice de risco para o aparecimento desse tipo de arritmia em sujeitos que ainda não a manifestaram. É interessante notar que os níveis plasmáticos de apelina-36 estão diminuídos em pacientes com doença crônica do parênquima pulmonar e função cardíaca preservada, e a determinação dos níveis de apelina-36 e proBNP (precursor do peptídeo natriurético do tipo B) poderá constituir, dessa forma, um novo meio diagnóstico que permita distinguir a dispnéia de causa pulmonar daquela de origem cardiovascular45.
Tal como já descrito, o receptor APJ e a apelina são expressos em várias áreas do SNC e, de forma particularmente intensa. nos núcleos supra-óptico (SON) e paraventricular (PVN) do hipotálamo46,47. Dado esse padrão de expressão, cedo se sugeriu que o sistema apelinérgico pudesse estar envolvido na modulação da atividade do eixo hipotálamo-hipofisário, assim como na homeostasia de fluidos.
Com efeito, foi já demonstrado que a administração de apelina aumenta os níveis séricos de ACTH (hormônio adrenocorticotrófico) e de corticosterona, diminuindo os de prolactina, FSH (hormônio folículo-estimulante) e LH (hormônio luteinizante), nos 30 minutos seguintes à infusão. Um estudo recente48 demonstrou que a apelina se localiza sobretudo nas células corticotrópicas, promovendo a liberação de ACTH de uma forma autócrina/parácrina, o que aponta para a existência de um sistema apelinérgico na hipófise de ratos adultos.
Apesar de a intensa expressão do receptor APJ e de a apelina em neurônios vasopressinérgicos ter sugerido uma importante função dessa na homeostasia dos fluidos, existe uma grande discrepância nos resultados dos estudos relativos a esse assunto, uma vez que a administração de apelina a ratos surgiu associada à redução do consumo de água46, bem como ao seu aumento12,49. A ausência de efeito no comportamento dípsico de ratos foi também descrita50.
Uma vez desvendada a associação entre a apelina e a homeostasia hídrica corporal, novas propostas terapêuticas relacionadas com o binômio apelina/APJ poderão surgir no campo de doenças tais como a hipertensão arterial e o diabetes insípido.
Em 2005, Boucher e cols.51 demonstraram que a apelina era uma nova adipocina endócrina, ao ser produzida em adipócitos maduros de camundongos e humanos. Para além disso, importantes correlações com os níveis de insulina e com a obesidade foram estabelecidas, sendo evidente um grande aumento dos níveis de apelina no plasma e nos adipócitos de camundongos obesos com hiperinsulinemia, bem como uma reduzida secreção de apelina pelos adipócitos de ratos insulino-dependentes com baixos níveis de insulina e durante o jejum, sendo essa secreção rapidamente reposta após a ingestão de alimentos, permitindo concluir que a insulina provoca um aumento da expressão da apelina. Essa importante relação com a insulina ganhou um novo contorno quando se demonstrou que o receptor APJ é expresso nos ilhotas pancreáticos e que a apelina inibe a secreção de insulina dependente da glicose através de uma ação direta sobre as células-b, em camundongos52.
É interessante verificar que existe uma correlação positiva entre os níveis séricos de apelina e o Índice de Massa Corporal53, que os níveis séricos de apelina estão aumentados em doentes diabéticos ou com intolerância a glicose54 e que o fator de necrose tumoral a (TNF-a) provoca um aumento da quantidade de apelina em adipócitos humanos55.
Num dos mais recentes estudos sobre o papel fisiopatológico da apelina, verificou-se que a administração intra-peritoneal dessa, em camundongos normais e obesos durante 14 dias, diminuiu a adiposidade corporal sem afetar o consumo de alimentos, diminuiu os níveis séricos de insulina, de leptina e de triglicerídeos, aumentou os níveis de adiponectina, aumentou a expressão de proteínas desacopladoras (UCP) e diminuiu o quociente respiratório56.
A apelina pode desempenhar também um importante papel na regulação da função cardiovascular no diabetes: o tratamento de camundongos diabéticos com apelina promove um aumento da resposta vasodilatadora à acetilcolina, através da via PI3K/Akt/eNOS57.
Todos esses resultados fazem acreditar que a apelina é um importante regulador do metabolismo glicolipídico normal, desempenhando também um possível papel em situações patológicas tais como a obesidade, a resistência a insulina e o diabete melito tipo 2. Desse modo, a sua utilização poderá ser explorada como um potencial alvo terapêutico nesse conjunto de doenças.
Tal como verificado para a homeostasia de fluidos, o papel da apelina no comportamento alimentar não está bem estabelecido, uma vez que os dados disponíveis ainda são escassos e contraditórios56,58,59, pelo que mais estudos são necessários para que novas conclusões sobre o papel da apelina na ingestão de alimentos possam ser obtidas.
As ações do sistema apelinérgico anteriormente descritas foram aquelas que até agora receberam mais atenção por parte da comunidade médica. Porém, existe atualmente uma intensa frente de investigação com o intuito de demonstrar novas implicações fisiopatológicas desse recém-descoberto sistema.
Com efeito, no que respeita à função gastrointestinal, o binômio apelina/APJ parece desempenhar importantes funções na secreção gástrica de ácido e de colecistocinina e na proliferação do epitélio da mucosa do estômago60, estando possivelmente envolvido na patogênese da úlcera péptica, colite ulcerosa61 e doença de Crohn61. A apelina estimula a proliferação dos osteoblastos62,63 e inibe a sua apoptose62,63, podendo vir a ser no futuro usada como auxílio terapêutico em algumas doenças ósseas. Por último, o receptor APJ é um co-receptor para a entrada do VIH nas células do hospedeiro18,64, verificando-se que a apelina inibe a infecção de células CD4+ e APJ+, sendo essa eficácia maior para isoformas mais pesadas65-67.
Os novos papéis do sistema apelinérgico na fisiologia e patologia humanas estão em constante expansão. Com efeito, a apelina está envolvida na regulação da homeostasia de importantes sistemas do nosso organismo, bem como na patogênese de inúmeras doenças, muitas das quais com um peso enorme na morbilidade e mortalidade mundiais. Porém, nem tudo está feito. São necessários novos estudos para que todos os segredos da apelina e do receptor APJ possam ser desvendados, aumentando, assim, o nosso conhecimento sobre as funções do sistema apelinérgico na fisiologia e patologia humanas, sendo possível, então, equacionar o potencial que esse sistema nos oferece como futuro alvo terapêutico.
Declaro não haver conflito de interesses pertinentes.
O presente estudo não teve fontes de financiamento externas.
Não há vinculação deste estudo a programas de pós-graduação.
Correspondência: Adelino F. Leite-Moreira Alameda Prof. Hernâni Monteiro 4200-319 Porto - Portugal E-mail:
Artigo recebido em 03/08/07; revisado recebido em 17/11/07; aceito em 04/12/07.
Apelin is a recently discovered peptide, identified as an endogenous ligand of receptor APJ. Apelin and receptor APJ are expressed in a wide variety of tissues including heart, brain, kidneys and lungs. Their interaction may have relevant pathophysiologic effects in those tissues. In fact, the last decade has been rich in illustrating the possible roles played by apelin in human physiology, namely as a regulating peptide of cardiovascular, hypothalamus-hypophysis, gastrointestinal, and immune systems. The possible involvement of apelin in the pathogenesis of high prevalence conditions and comorbidities - such as hypertension, heart failure, and Diabetes Mellitus Type 2 (T2DM) - rank it as a likely therapeutic target to be investigated in the future. The present paper is an overview of apelin physiologic effects and presents the possible role played by this peptide in the pathogenesis of a number of conditions as well as the therapeutic implications that might, therefore, be investigated.
Department of Physiology, Faculty of Medicine, University of Porto, Porto - Portugal
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Apelin is a recently discovered peptide, identified as an endogenous ligand of receptor APJ. Apelin and receptor APJ are expressed in a wide variety of tissues including heart, brain, kidneys and lungs. Their interaction may have relevant pathophysiologic effects in those tissues. In fact, the last decade has been rich in illustrating the possible roles played by apelin in human physiology, namely as a regulating peptide of cardiovascular, hypothalamus-hypophysis, gastrointestinal, and immune systems. The possible involvement of apelin in the pathogenesis of high prevalence conditions and comorbidities – such as hypertension, heart failure, and Diabetes Mellitus Type 2 (T2DM) – rank it as a likely therapeutic target to be investigated in the future. The present paper is an overview of apelin physiologic effects and presents the possible role played by this peptide in the pathogenesis of a number of conditions as well as the therapeutic implications that might, therefore, be investigated.
In 1993, O'Dowd et al1 identified a gene with closest identity to the angiotensin II type 1 receptor (AT-1). This receptor – APJ – was kept "orphan" until 1998, when Tatemoto et al2 identified a selective endogenous ligand, named apelin. The first studies have demonstrated that apelin and its receptor are expressed practically ubiquitously, thus acquiring special status at organs such as heart, brain, kidneys, and lungs3-6.
The apelinergic system distribution over such variety of tissues has suggested it might play relevant roles in human physiology. Indeed, apelin is involved in the regulation of cardiovascular, gastrointestinal, and immune functions, as well as in bone physiology, fluid homeostasis and cardiovascular system embryonal development7-9. Recently, the apelinergic system has been demonstrated to be involved in the pathogenesis of a number of high prevalence conditions – such as hypertension, heart failure (HF), obesity, glucose intolerance and diabetes mellitus type 2 (T2DM), as well as HIV infections, diabetes insipidus, gastric ulcer and osteoporosis7-9. Therefore, it is a growing consensus that the modulation of the apelin/APJ binomial may be a therapeutic target to be investigated in the future10,11.
With that in mind, the purpose of the present paper is to review the apelinergic system and provide an overview of its physiologic and pathologic involvement, so that a better understanding of the apelin/APJ binomial may lead to new investigations as well as to possible future clinical applications.
In 1993, O'Dowd et al1 characterized a 700 base pair fragment by using polymerase chain reaction (PCR). A detailed analysis revealed a number of similarities with transmembrane domains gene sequences of GPCRs (G protein-coupled membrane receptors). The codified protein had 380 aminoacids and was named APJ.
High homology between APJ receptor and AT-1 receptor was soon identified: 115 aminoacids (AA) (30%) of the total sequence and 86 AA (54%) in transmembrane regions1, as well as high similarity in the tissue expression of both receptors3. However, apelin, an endogenous ligand of the APJ receptor, does not bind to AT-1 receptor12, nor does angiotensin II (AngII) binds to APJ1,2.
Although predominantly located in the membrane, APJ Receptor was also found in the nucleus of cerebellum and human hypothalamus cells – a nuclear localization signal was identified in the third intracellular loop13. These data suggest that this receptor may play a role in gene transcription regulation, as previously shown for AngII10 – an aspect that should be a topic for investigation in the future.
After studying APJ receptor distribution in rats, mice, and humans, the conclusion was that it is abundantly expressed in the central nervous system (CNS), as well as in a number of peripheral tissues, especially in lung and heart1,3-5,14. A number of studies have shown that in the cardiovascular system the APJ receptor is found in the endothelial cells of small intramyocardial, renal, pulmonary and adrenal vessels, in coronary arteries, in endocardial endothelium cells, and in vascular smooth muscle cells5. Interestingly enough, APJ immunoreactivity follows a transversally estriated pattern in cardiomyocytes, thus indicating the co-localization of receptor with T-tubules5.
APJ receptor was kept orphan until 1998, when Tatemoto et al2 isolated a 36-AA peptide from bovine stomach extracts, which they named apelin. The peptide induced extracellular acidification and inhibited cAMP formation in a cell line of Chinese hamster ovaries that expressed the APJ receptor. The localization of the pre-proapelin codifying gene - a 77 AA pre-peptide – in humans is Xq25-26.1, with 1,726 base pairs that include 3 exons. Curiously enough, high homology was shown between the different species in pre-proapelin protein sequence, namely in the 23 AA in terminal C12. Indeed, 65-77 C-terminal fragment of apelinergic peptides is key to bind to APJ receptor and to its biological activity, whereas N-terminal plays a key role in modulating ligand-receptor interaction15.
The first studies on apelin identified different isoforms which are thought to exist
The early studies that characterized apelin tissue distribution were conducted in rats' tissues, and evidenced the presence of its pre-propeptide in a wide variety of tissues3,4,6,12,17. In humans, pre-proapelin RNAm is abundant in the CNS and in the placenta, as well as in more moderate volume in kidneys, heart, lungs and mammary gland. It should be pointed out that apelin is biologically active in the myocardium, in cardiac endothelium, and in the endothelium of large vessels and small veins and arteries7. In endothelial cells, apelin is not found in Weibel-Palade bodies, vesicles resulting from induced endothelial peptide secretion, thus suggesting apelin consitutive release5.
An immunoenzyme assay estimated the concentration of circulating apelin in humans to be between 3 and 4 ng/mL18. This is a low concentration if compared to that of other circulating hormones. However, it is comparable to endothelium-derived vasoactive mediators, which suggests endothelial release of apelin.
It is currently thought that carboxypeptidase ACE2 (Angiotensin Converting Enzyme 2) plays the role of apelin degradation through highly efficacious cleavage of the terminal C phenylalanine from the apelinergic peptides19. Such correlation therefore suggests the high relevance of apelin in cardiovascular regulation since ACE2 is involved in the renin-angiotensin-aldosterone system8. Indeed, ACE2 is also involved in the degradation of Ang II to angiotensin 1-7, which, opposedly to Ang II, seems to play relevant functions in cardiac and renal protection20. Therefore, the induction of that enzyme may, in the future, be a therapeutic target in major cardiovascular pathologies.
One of the major transduction pathways for apelin signal depends on the interaction with a Gi-protein coupled to the APJ receptor, independently of Ras protein; although dependent on Protein Kinase C (PKC)7. Indeed, if PKC, phospholipase C (PLC), the Na+-H+ (NHE) exchanger and the Na+-Ca2+(NCX) exchanger are inhibited, apelin effects will be significantly reduced, namely in regard to its positive inotropic effect21. It should be pointed out that PKC activation results in NHE phosphorylation, which promotes inner cell alkalinization and sensitization of myofilaments to Ca2+, as well as NCX activation, whose action is then reversed to promote Ca2+ entry into the cell (
In addition to adenyl cyclase inhibition pathway, apelin activates ERKs (extracellular regulated kinases) pathways through a PTX (pertussis toxin) sensitive G protein, in a PKC-dependent process23. PI3K-p70S6K endothelial cells proliferation control is also activated by apelin through two mechanisms: one is ERK-dependent and the other is PI3K-dependent24. It is important to point out that PI3K/Akt seems to be responsible for the phosphorilation and resulting activation of endothelial nitric oxide (eNOS) synthase, which is indispensable for most of apelin vasoactive effects25.
Apelin and its receptor are expressed in embryonal and adult tissues. As a result, they perform a wide action spectrum, starting at very early stages of cardiovascular development which goes on to adult life. Their contribution is increasingly evident in a number of pathophysiologic processes.
The high expression of APJ receptor in the endothelium of embryonal vessels and in the tunica intima of retinal vessels has already been demonstrated14, as well as increased and reduced expression of that receptor in the formation and stabilization of retinal vessels, respectively26.
Those data give stronger support to the idea that apelin plays a major role in endothelial cell proliferation – whether at embryonal development and physiologic states, or at pathological states (for instance, malignant neoplasms and diabetic retinopathy). Therefore, possible therapeutic applications may be envisaged for the future, such as the use of agonists to promote therapeutic angiogenesis (for instance, for ischemic conditions), as well as angiogenic antagonists, as a strategy to control tumoral growth and diabetic retinopathy.
Early studies on apelin and APJ receptor tissue distribution pointed towards high expression of their RNAm in the heart and in blood vessels of rats and humans4,6,14,17,18. APJ expression was especially high in rat's heart15, while apelin was abundantly expressed in human endothelial cells of large conduction vessels3. More recently, APJ receptor RNAm was detected in the tunica media of large vessels27, as well as immunoreactivity to apelin in endothelial cells of small resistance vessels28.
In 2000, Lee et al12 demonstrated for the first time that after IV infusion of apelin-13 in anesthetized rats, systolic and diastolic pressures reported temporary decrease (approximately 10mmHg). In the follow-up, another group of investigators demonstrated that the hypotensive effect was inversely correlated to apelin isoform molecular weight. That effect was absent after the administration of an NO synthase inhibitor (NOS)25, which suggests that apelin vasoactive effects occur through an NO-dependent mechanism. Indeed, apelin causes endothelium-dependent vasodilation through the Akt activation that phosphorylates eNOS and promotes NO release as well as increased GMPc levels25. However, it may trigger a vasoconstrictive response if encountering a dysfunctional endothelium, in which case it will act on the vascular smooth muscle cells, which also express APJ receptor27 (
In reference to cardiac effects, Szokodi et al21 have demonstrated that in intact rat heart preparations, apelin-16 had a positive inotropic effect, increasing contractility with an approximately 30 pM EC50, and maximum effect of approximately 70% response to isoprenalin (b-adrenergic agonist).
In addition to confirming the
The apelin/APJ pair is intrinsically related to the AngII/AT-1 pair in regulating the pathophysiology of cardiovascular function.
The demonstration that physical exercise promotes increased apelin and APJ receptor expression in the myocardium of hypertensive rats, as well as the change from a pathologic, ethiologically hypertensive hypertrophy into a physiologic hypertrophy from exercising33 leads to the thought that physical exercise beneficial effect in reducing blood pressure levels in hypertensive individuals may be partially due to increased apelin/APJ expression at cardiovascular level.
In addition to its physiologic effects, apelin was also involved in the pathogenesis of HF. In the early studies, apelin circulating levels showed to be increased in recent onset HF patients, with progressive reduction accompanying worsening HF34. A wide-reaching populational study demonstrated that apelin serum concentration was reduced in patients presenting systolic HF due to left ventricular dysfunction35. Such decrease may result from the endothelial dysfunction associated to HF (thus affecting apelin production)34 or from the exhaustion of a possible compensatory mechanism for proper cardiac output maintenance carried out by apelinergic system in HF patients. In 2006, Dai et al36 demonstrated that apelin has a significant positive inotropic action on failing myocardium as a result of a transient increase of Ca2+.
Recent studies have demonstrated that: 1) apelin therapy in rats with isoprenalin-induced lesions promotes the restoration of cardiac function, and is also cardioprotective, against lipidic peroxidation, for instance37; 2) apelin levels are reduced in coronary disease patients submitted to hemodialysis; it is speculated that apelin may be involved in the physiopathology of cardiovascular disease secondary to chronic renal failure, and that it may be utilized in the future as a treatment approach for uremic cardiomyopathy38; 3) ventricular resinchronization therapy promotes a long-term increase of apelin plasma levels39, which may be associated to cardiac function improvement; 4) although it has been considered a possible marker for cardiac hypoxy (acute and chronic)40, 41 apelin circulating levels do not seem to be of help for the clinical evaluation and prognosis of acute or chronic HF patients35,42,43; 5) apelin may be utilized as a marker to assess the development of isolated atrial fibrillation44 as well as a diagnostic marker to distinguish the dyspnea from pulmonary causes from that of cardiovascular cause45.
In regard to the last aspect, Ellinor et al44 have demonstrated that apelin levels are reduced in patients with isolated atrial fibrillation, which suggests serum concentration of that peptide may be utilized as a risk index for the onset of that kind of arrhythmia in individuals with no manifestation. Interestingly, apelin-36 plasma levels are shown to be decreased in patients with pulmonary parenchyma chronic disease and preserved cardiac function. The determination of apelin-36 and proBNP (type B natriuretic peptide precursor) levels may, therefore, act as a new diagnostic method to distinguish dyspnea from pulmonary causes from that from cardiovascular cause45.
As described earlier, APJ receptor and apelin are expressed in different areas at the CNS, particularly intensely in hypothalamic supra-optical (SON) and paraventricular (PVN) nuclei46,47. Given the expression pattern, it was soon suggested that the apelinergic system could be involved in the modulation of the hypothalamus-hypophysis axis activity as well as in fluid homeostasis.
Indeed, as demonstrated earlier, apelin administration increases ACTH (adrenocorticotrophic hormone) and cortisone serum levels while decreasing prolactin, FSH (follicle stimulating hormone), and LH (luteinizing hormone) levels within 30 minutes after infusion. A recent study48 has demonstrated that apelin is typically localized in corticotropic cells, promoting autocrine/paracrine ACTH release, which points towards the presence of an apelinergic system in adult rats' hypophysis.
Although APJ receptor and apelin high expression in vasopressinergic neurons has suggested a relevant role played in fluid homeostasis, great discrepancy has been shown in corresponding results since the administration of apelin to rats was associated to both water consumption reduction46, and increase12,49. The absence of dipsic behavior effect in rats has also been described50.
The unmasking of the association between apelin and body hydric homeostasis may allow the application of new therapeutic proposals associated to the apelin/APJ binomial for pathologies such as hypertension and diabetes insipidus.
In 2005, Boucher et al51 demonstrated that apelin was a new endocrine adipokine produced at mature adipocytes of mice and humans. Additionally, relevant correlations with insulin and obesity have been established. Plasma and adipocyte apelin levels increase was evident in obese mice with hyperinsulinemia, as well as reduced apelin secretion by the adipocytes of insulin-dependent rats reporting low insulin levels and when fasting. That secretion was quickly replaced after food intake, thus leading to the conclusion that insulin increases apelin expression. This relevant correlation with insulin became more interesting when APJ receptor was shown to have expression in pancreatic islets, and when apelin was shown to inhibit glucose-dependent insulin secretion through direct action on mice b- cells52.
Interestingly, a positive correlation could be observed between apelin serum levels and body mass index (BMI)53. It was also observed that apelin serum levels are increased in diabetic or glucose intolerance54 patients, and that tumor necrosis factor-a (TNF-a) increases apelin levels in human adipocytes55.
A most recent study on the pathophysiologic role played by apelin showed that its intraperitoneal administration in normal and obese mice for 14 days reduced body adiposity without affecting food intake, reduced insulin, leptin and triglycerides level, increased adiponectin levels, increased the expression of uncoupling proteins (UCP), and reduced respiratory quocient56.
Apelin may also play a relevant role in regulating cardiovascular function in diabetes condition: diabetic mice treated with apelin reported increased vasodilating response to acetylcholine through PI3K/Akt/eNOS pathway57.
All results seem to lead to the belief that apelin is a key regulator in a normal glucolipidic metabolism, also playing a possible role at pathologic scenarios such as obesity, insulin resistance and T2DM. Therefore, the use of apelin may be investigated as a potential therapeutic target for these pathologies.
As shown for fluid homeostasis, the role played by apelin in eating behavior is not yet well established, since data available are still scarce and contradictory56,58,59. Further studies are, therefore, required so that new conclusions on the role played by apelin in food intake can be reached.
The apelinergic system actions described previously were the ones to draw closest attention on the part of medical community. However, there is an ongoing strong investigation task with the purpose of demonstrating new pathophysiologic implications of this newly found system.
Indeed, in regard to gastrointestinal function, the apelin/APJ binomial seems to perform relevant functions in gastric acid and cholecystokinin secretion, as well as epithelial cell proliferation in stomach mucosa60, with possible involvement in the pathogenesis of peptic ulcer, ulcerous colitis61 and Crohn's disease61. Apelin stimulates the proliferation of osteoblasts62,63 and inhibits apoptosis62,63. In the future, it may be used as therapeutic support for some bone diseases. Finally, the APJ receptor is a co-receptor for the entry of HIV in host's cells18,64. Apelin was shown to inhibit the infection of CD4+ and APJ+ cells, with efficacy being higher in heavier isoforms65-67.
The new roles played by the apelinergic system in human physiology and pathology are under continuing expansion. In fact, apelin is involved in the homeostasis regulation of major systems in our body, such as in the pathogenesis of a number of diseases, many of which accounting for extremely high levels of morbiditiy and mortality worldwide. There is a long way ahead, though. Further studies are required so that apelin and APJ receptor secrets can be revealed, thus expanding our knowledge on the functions performed by the apelinergic system in human physiology and pathology. Then, and only then, will the apelin/APJ system be properly considered as a future therapeutic target.
No potential conflict of interest relevant to this article was reported.
There were no external funding sources for this study.
This study is not associated with any graduation program.