Post on 05-Apr-2015
Signaltransduktion der Gewichtskontrolle
- Zusammenspiel eines Signaltransduktionsnetzwerkes-
ÜBERGEWICHT- gesellschaflicht relevantes Gesundheitsproblem -
- ca. 30 % der erwachsenen Amerikaner sind übergewichtig !(mehr als 20% über dem Idealgewicht)
Folgen des Übergewichtes:- Bluthochdruck- Typ II Diabetes- Erkrankung der Herzkranzgefäße und Herzinfarkt- Schlaganfall- geringere Lebenserwartung
LEPTIN
- Schlüsselregulator der Gewichtskontrolle -
Mausmodelle für menschliche Fettsucht
Ob/Ob-Mäuse(obese-Mäuse)
Db/Db-Mäuse(diabetes-Mäuse)
Unterschiedlicher Genotyp - Identischer Phänotyp
- 3-fache des normalen Körpergewichtes- 5-fache des Körperfettanteils- abnormales Fressverhalten- lethales Übergewicht- Infertilität
- Rezessive Mutationen in den Maus-Genen obese (Chromosom 6)und diabetes (Chromosom 4)
Leptin – Genprodukt des Obese-Gens (ob/ob)
- Parabiosis-Experimente (Verbindung der Zirkulation von normalen und obese-Mäusen) zeigten: Gewichtskontrolle erfolgt durch löslichen im Serum zirkulierenden Faktor
- Klonierung des Obese-Gens in 1994 durch Positionsklonierung (Zhang et al.)
- Ob-Gen: 650 kb , 3 Exons, 2 Introns
- 4.5 kb mRNA
- mRNA hauptsächlich in Adipozyten des weissen Fettgewebes nachweisbar
- Regulation der Transkription in Adipozyten durch spezifische Promotorelemente
unbekannt
- Mutationen im humanen obese-Gen sind äusserst selten!!
- kodiert für ein 167 Aminosäuren grosses, sekretiertes Hormon Leptin (griechisch Leptos: Dünn)
- 16 kDa Protein (auch 19kDa Form)
- keine posttranslationalen Modifikationen
- Strukturähnlichkeiten mit Cytokinen
- hoch konserviert (Maus/Mensch: 84% Identität)
- von Adipozyten exprimiert
- keine Speicherung in Adipozyten Regulation auf transkriptioneller Ebene
- zirkuliert im Plasma
- in obese-Mäusen keine Expression von funktionsfähigem Leptin
Insertion eines Transposons in ein Intron mit defektem Spleisen der RNA
oder nonsens-Mutation trunkiertes Protein
Eigenschaften von Leptin:
Regulation der Leptin-Expression
- Plasma-Leptin Konzentration korreliert mit der Fettmasse
- abhängig von der Adipozytengrösse und dem Triglyceridgehalt
- Anstieg der Plama-Leptinkonzentration führt zur spezifischen Reduktion der
Fettgewebsmasse, nicht des Gesamtkörpergewichtes!!
- Injektion von rekombinantem Leptin führt zur Reduktion des Fettanteils in obese-
aber nicht in diabetes-Mäusen
- Klonierung des Leptin-Rezeptors durch Expressionsklonierung (Tartaglia, 1995)
- Klasse der Cytokin Typ 1 Rezeptoren (wie z.B. IL-6 Rezeptor)
- mindestens 5 verschiedene, durch alteratives Spleisen gebildete Isoformen (Ob-Ra-Re)
- nur die lange Ob-Rb Form vermittelt Signaltransduktion über die C-terminale Domäne
- Kd Leptin-Bindung ca. 1 nM (Plasma-Leptinkonzentration),
- 2 potentielle Leptin-Bindungsstellen
- Leptinbindung führt zur Homodimerisierung des Rezeptors
Der Leptin –Rezeptor - Genprodukt des Diabetes-Gens (db/db) -
Molekulare Defekte des Leptin-Rezeptors bei diabetes (db/db)-Mäusen
= Ob-Ra Isoform
Mutationen im db/db-Gen resultieren in Leptin-Rezeptoren ohne Signaltransduktionseigenschaften Transmembrandomänen korrekte Plamamembranexpression
Leptin-Rezeptorexpression (Ob-Rb)
- Expression der verschiedenen Isoformen in allen Geweben
- Expression der Ob-Rb Form in T-Zellen und vasculären Endothelzellenund vor allem in Neuronen des Hypothalamus
Ob-Rb Expression im ZNS in neuronalen Nuklei des Hypothalamus: Arcuat-Nukleus dorsometrialer Nukleus paraventrikularer Nukleus ventromedialer Nukleus
alle diese neuronalen Zentren stehen im Zusammenhang mit Gewichtskontrolle Verlust oder Defekt dieser Gehirnbereiche führen u.a. zu erhöhterNahrungsaufnahme
JA K
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IL6
-R
IL6
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30
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Tyrosinkinase assoziierte Rezeptoren, IL6-R
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Signalwege der Cytokinrezeptoren der IL-6 Rezeptor Familie- Tyrosinkinase assoziierte Rezeptoren -
STAT-Signalweg
MAPK-Signalweg
Model der Leptin-Rezeptor Signalkette
Genaktivierung
Regulation der Fettgewebsmasse durch Leptin
Sekretion von Leptin durch das Fettgewebe nach Zunahme der Fettmasse
Plasmaleptin
spezifischer Transporter?
Regulation der Fettgewebsmasse durch Leptin
Arcuat-Nukleus
Regulation der Fettgewebsmasse durch Leptin- negative Rückkopplungsschleife -
Energieverbrauch/Nahrungsaufnahme
Körper(Fett-)gewicht (spezifisch für Fettgewebe)
Biologische Reaktionen auf niedrige und hohe Leptin-Konzentrationen
Nahrungsaufnahme Fasten
Biologische Reaktionen auf niedrige und hohe Leptin-Konzentrationen
Neuropeptid Y- Neuropeptid, von Ob-Rb exprimierenden Neuronen sezerniert (medialer Arcuatus)
- Bindung an G-Protein gekoppelten NPY-5 R Signal?
- cerebrale Injektion von NPY stimuliert die Nahrungsaufnahme
- NPY-Spiegel in ob/ob-Mäusen erhöht
- Transkription der NPY-RNA durch Leptin- Injektion in Mäusen reprimiert
Biologische Reaktionen auf niedrige und hohe Leptin-Konzentrationen
Melanocortin (-MSH) und Antagonisten (ART und AgoutiY)
- Neuropeptide, von auch von Ob-Rb exprimierenden Neuronen sezerniert (Arcuatus)
-MSH:- aus Proopiomelanocortin (POMC) freigesetzt- Bindung an G-Protein gekoppelten MC-4 Rezeptor - cerebrale Injektion von -MSH hemmt die Nahrungsaufnahme- POMC-RNA Gehalt durch Leptin erhöht
ART und AgoutiY:- Neuropeptide (AgoutiY auch in der Haut)- Antagonisten von -MSH im Gehirn- Bindung auch an den MC-4 Rezeptor- durch Leptin reprimiert, in ob/ob-Mäusen induziert
Biologische Reaktionen auf niedrige und hohe Leptin-Konzentrationen
Pathobiologie des Übergewichtes
- bei den meisten Fällen von Übergewicht zu beobachten Downregulation? Genetische Faktoren?
- geringe bis keine Gewichtreduktionbei externer Gabe von Leptin!!
AMPK
- Sensor und Schalter des zellulären Energiestatus -
AMPK: Struktur, Regulation und Funktion
- heterotrimers Protein aus , und -UE
- 351 AS
- Ser/Thr Kinase
- ubiquitär exprimiert
- Isoformen auch Gewebsspezifisch
AMPK: Struktur, Regulation und Funktion
- AMPK wird aktiviert durch AMP-Bindung und Phosphorylierung
- Masterschalter der zellulärenEnergiehomöostase
- inhibiert Energie-verbrauchendeProzesse, wie Cholesterolsynthese,Lipogenese (Inhibition von ACC)und Proteinsynthese (Inhibition vonmTOR)
- stimuliert Energie-produzierendeProzesse, wie Fettsäureoxidation Ketogenese und Glucoseaufnahme
- stimuliert die Nahrungsaufnahme
AMPK: Struktur, Regulation und Funktion
AMPK: Inhibition der Proteinsynthese durchInteraktion mit mTOR
mTOR:- wichtiger Kontrollmechanismusder Translation
- Komplex mit Raptor und PRAS40→ mTORC
- durch Rapamycin gehemmt
- Ser/Thr-Kinase, phosphoryliert4EBP1 (Inaktivierung) und p70S6K (Aktivierung) und stimuliert so die Proteinsynthese
- wird durch Insulin über Akt stimuliert und durch die AMPK gehemmt