Molekulaarista endokrinologiaa

Transkriptio

1 Molekulaarista endokrinologiaa Hormonaalisten signaalien välittyminen solun sisään ja solun toimintaan solukalvoreseptorit: adapteriproteiinit, toisiolähetit; proteiinikinaasit tumareseptorit

2 Endokriininen järjestelmä, hormonit ja reseptorit Endokriininen järjestelmä Hormonien eritystavat Hormonien perusrakenteet Hormonivaikutuksen välittyminen solun toimintaan molekyylitasolla; hormonireseptorit Solukalvoreseptorit; toisiolähetit ja signaalinvälitystapahtumat Tumareseptorit; geenien transkription (= luennan) säätely

3 Ihmisen säätelyjärjestelmät Hermosto Immuunijärjestelmä Endokriininen järjestelmä Biokemialliset välittäjäaineet eli hormonit, joille spesifiset reseptorit Kiinteässä yhteistoiminnassa muiden järjestelmien kanssa hypotalamus-aivolisäke -järjestelmä neuroendokrinologia

4 Hormonien säätelemiä tapahtumia Kasvun ja kehityksen säätely yleisesti peptidit, katekoliamiinit, steroidit, kilpirauhashormonit sekä kasvun käynnistäminen että rajoittaminen Lisääntyminen sukupuoliominaisuudet sukusolujen syntyminen ja kypsyminen vain kvantitatiivisia eroja sukupuolihormoneissa Kehon fysiologisten toimintojen tasapaino verenpaine ja sydämen syke kehon lämpötila nestetilavuudet, elektrolyyttitasapaino Energia-aineenvaihdunta

5 Endokriinisen järjestelmän muodostavat umpirauhaset ja niiden erittämät hormonit Endokriiniset rauhaset, mm. hypotalamus aivolisäke sukupuolirauhaset kilpirauhanen lisäkilpirauhaset lisämunuaiset haima käpylisäke istukka (mahalaukku & suolisto) (rasva & luu) (sydän)

6 Hormonien eritys- ja vaikutustavat Endokriininen: hormoni verenkiertoon; vaikutus muualla Neuroendokriininen: neuronin erittämä säätelijähormoni käynnistää umpirauhasen hormonituotannon esim. hypotalamus aivolisäkkeen takalohko Parakriininen: eritetty hormoni/kasvutekijä säätelee naapurisolujen toimintaa Autokriininen: eritetyn hormonin/kasvutekijän vaikutus kohdistuu samaan soluun, jossa se on tuotettu Intrakriininen: solun tuottama hormoni säätelee saman solun tumareseptoreita

7 Hormonien pitoisuudet ja kuljetus verenkierrossa Tyypillisesti matala pitoisuus: 10-9 mol/l, vaihtelevat hormoneittain mol/l; vrt. reseptorin K D -arvo Yleensä rytmisiä piirteitä erityksessä ja pitoisuuksissa Pulssi minuuteista tunteihin (esim. LH, TSH) Vuorokausirytmi (esim. kortisoli, melatoniini) Kuukautiskierto (naissukupuolisteroidit) Vuodenaika (D-vitamiini) Vesiliukoiset (peptidit) pääosin vapaina verenkierrossa Lyhyt puoliaika plasmassa (min) Steroidihormonit ja niiden sukulaiset sitoutuneina seerumin kuljettajaproteiineihin Albumiini (epäspesifinen) ja spesifiset kuljetusproteiinit (TBG, CBG, SHBG raskaus ja estrogeenihoito nostaa) Vain pieni osa hormonista vapaana ja biologisesti aktiivisena Kuljetusproteiinit hormonivarastona ja puskurijärjestelmänä Pitkä puoliaika (tunteja päiviä)

8 Hormonivaikutuksen ilmentyminen Vastetta ei määrää pelkästään hormonin pitoisuus; hormonireseptorien ja post-reseptorimekanismien paikallinen ilmentyminen Tavallisesti EI kaikki-tai-ei-mitään -periaate; hormonireseptorien määrä vaihtelee liukuvasti kudoksittain Eri soluilla/kudoksilla voi olla erilaiset reseptorit samalle hormonille erilainen vaste esim. adrenaliinin β- ja α-adrenergiset reseptorit Hormonin erityksen dynamiikka voi määrätä merkittävimmän kohdekudoksen vasteen luonteen esim. aivolisäke ja vapauttajahormonit Kohde-elimessä paikallisesti syntyvä hormoni esim. eturauhanen; testosteroni 5α-dihydrotestosteroni

9 Endokriininen palautejärjestelmä Erityisesti hypotalamuksen ja aivolisäkkeen säätely kilpirauhasen, lisämunuaisten ja sukurauhasten toimintaan Myös muut umpirauhaset jonkilaisen palautejärjestelmän alaisina palauteen siirtäjänä myös Ca 2+, glukoosi, kehon nesteiden määrän ja koostumuksen muutos Yleensä negatiivinen, mutta aivolisäkkeen ja sukurauhasten kohdalla myös positiivista palautetta Erityisen tärkeää endokriinisen diagnostiikan kannalta (esim. TSH vs. tyroksiini, insuliini vs. glukoosi)

10 Endokriininen palautejärjestelmä

11 Hormonien perusrakenne Peptidihormonit ja aminohappojohdannaiset vesiliukoisia aminohappojen johdokset: melatoniini, adrenaliini, noradrenaliini, serotoniini pienehköt peptidit: mm. TRH (3 ah), GnRH (10 ah), somatostatiini (14 ah), CRH (41 ah) suuremmat polypeptidit: mm. kasvuhormoni (191 ah), prolaktiini (199 ah), insuliini (α- ja β-ketju) glykoproteiinihormonit: mm. LH ja FSH (α- ja β-ketjut, β: 115 ah; α-ketju yhteinen, myös TSH:n ja hcg:n kanssa) Steroidihormonit*, D-vitamiini, kilpirauhashormonit # ja retinoidit rasvaliukoisia esiasteena *kolesteroli, # tyrosiini, A-vitamiini # Rakenteen perusteella voinee päätellä hormonin signaalinvälitysmekanismin

12 Hormonien biosynteesi (1) Aminohappojohdannaiset Synteesin esiasteena aminohappo Varastojen t 1/2 vuorokausia Eritys verenkiertoon eksosytoosilla Ei kuljetusproteiineja verenkierrossa Yleensä solukalvoreseptori vaikutusaika: sekunteja - minuutteja Katabolia entsymaattinen

13 Hormonien biosynteesi (2) Peptidi- ja proteiinihormonit, kasvutekijät Geeni mrna peptidi Signaalijakso ohjaa syntyvän peptidihormonin ER:n lumeniin ja Golgin laitteeseen, josta eritys eksosytoosilla Varastojen t 1/2 tunteja - vrk Yleensä ei kuljetusproteiineja Solukalvoreseptori vaikutusaika: minuutteja - tunteja Katabolia proteolyysillä, aminohappojen kataboliaa

14 Peptidi- ja proteiinihormonien biosynteesi Yhdestä peptidistä voi syntyä useita; esim. POMC ACTH + MSH, LPH, CLIP, ENDO

15 (endopeptidaasit) (endopeptidaasit) (endopeptidaasit)

16 C-peptidin määritys joskus tärkeäkin

17 Hormonien biosynteesi (3) Steroidihormonit Synteesi kolesterolista synteesi välitöntä tarvetta varten kolesteroliestereitä varastoidaan Eritys diffuusiolla solukalvon läpi Verenkierrossa varastoproteiineja Solunsisäiset tumareseptorit geenien aktiivisuuden säätely vaikutusaika tunteja päiviä Katabolia lähinnä maksassa ja munuaisissa sulfaatti- ja glukuronidijohdannaisina eritykseen; vesiliukoisuuden lisäys

18 Kolesteroli Kolesterolin sivuketjun katkaisu Pregnenoloni 17α-OH-pregnenoloni Progesteroni 17α-OH-progesteroni Androgeenit Kortikosteroni Testosteroni Estadioli Sukurauhasten steroidit Kortisoli Lisämunuaisen steroidit Aldosteroni

19 Hormonireseptorin sijanti määräytyy hormonin (vesi)liukoisuuden perusteella

20 SOLUKALVORESEPTORIT 7 kertaa solukalvon läpäisevät reseptorit Sytokiinireseptorit H Sytoplasma Kerran solukalvon läpäisevät reseptorityrosiinikinaasit Guanylaattisyklaasireseptorit H TUMARESEPTORIT Tuma H H HRE Transkription aloitus Geenin säätelyalue

21 Peptidihormonien ja katekoliamiinien vaikutuksen välittyminen solukalvoreseptorien kautta #Hormonin sitoutuminen solukalvoreseptorin käynnistää signaalinvälitysketjun # signaali toisiolähettien (camp, cgmp, DAG, IP 3, Ca 2+ ) kautta tai reseptorin entsymaattisen aktiivisuuden kautta proteiinikinaasien aktivaatio solunsisäisten proteiinien muuttunut fosforylaatio signaalin vahvistuminen nopeat solun entsyymiaktiivisuuksien muutokset hitaammat muutokset geenien muuntuneen luennan (transkription) kautta

22 Hormonien indusoimia toisiolähettejä

23 Proteiinikinaasit fosforyloivat proteiinien proteiinien Ser-, Thr-, Tyrtähteiden OH-ryhmiä (kovalentti muokkaus on palautuva; reversiibeli) P = fosfaattiryhmä seriinin, treoniinin tai tyrosiinin OH-ryhmään Fosforylaatio on esimerkki proteiininen posttranslationaalisesta muokkauksesta

24 Solukalvoreseptorien pääluokat G-proteiineihin (guaniininukleotidia sitoviin säätelijäproteiineihin) kytkeytyvät reseptorit suurin luokka (lähes tuhat reseptoria) useita erilaisia G-proteiineja: koostuvat 3 alayksiköstä α, β ja γ: α-yksikkö sitoo GDP:n ja voi olla adenylaattisyklaasia stimuloiva (as) tai inhiboiva (ai) tai fosfolipaasi-c:ta aktivoiva (aq) [tai ionikanavia aktivoiva (ao)] GTPaaseja (GTP GDP + P i ) Tyrosiinikinaasireseptorit Ras-proteiinista (GTPaasi) riippuvaiset ja riippumattomat signaalit Reseptoriin kytkeytyvät, erilliset tyrosiinikinaasit Guanylaattisyklaasi (ANP, NO) Hermovälittäjäaineiden ionikanavareseptorit

25 G-proteiineihin kytkeytyvien reseptorien (GPCR) yleinen rakenne [ 7 TM reseptorit ] interaktoi G-proteiinin kanssa

26 G-proteiineihin kytkeytyvien reseptorien (GPCR) yleinen rakenne [ 7 TM reseptorit ]

27 G-proteiineihin kytkeytyvien reseptorien yleinen toimintaperiaate

28 G-proteiineihin kytkeytyvien reseptorien yleinen toimintaperiaate

29 G-proteiineihin kytkeytyvien reseptorien yleinen toimintaperiaate

30 camp:n aktivoima proteiinikinaasi, A-kinaasi

31 Adrenaliinin signalointi camp:n ja A-kinaasin kautta glykogeenin hajoaminen nopea vaikutus!

32 Signaalin voimistuminen kinaasikaskaadissa

33 camp:n vaikutus transkriptiotasolla Hitaampi kuin pelkkään proteiinien fosforylaatioon perustuva signaalinvälitys

34 camp:n nousu saa aikaan erilaisia vasteita eri solutyypeissä/kudoksissa Useita erilaisia PKA-tyyppejä, AKAP-säätelijöitä, paljon erilaisia PKA:n substraatteja

35 Signaalin välittyminen inositolitrifosfaatin (IP 3 ) ja diasyyliglyserolin (DAG) kautta G-proteiini aq-alayksikkö aktivoi fosfolipaasi C:n (PLC), joka pilkkoo solukalvon fosfatidyyliinositoli-4,5-bi-fosfaattia (PIP 2 ) è IP 3 + DAG DAG aktivoi proteiinkinaasi C:n (PKC) IP3 vapauttaa Ca 2+ :a varastoista Ca 2+ /kalmoduliiniriippuvaisen proteiinkinaasin aktivaatio

36 β- ja α-adrenergiset reseptorit kytkeytyvät eri G-proteiineihin β 1 & β 2 : #G sa -proteiini (camp ) α 2 : # #G ia -proteiini (camp ) α 1 : # #G qa -proteiini (IP 3 & DAG )

37 cgmp toisiolähettinä ANP:n (= eteisten natriureettinen peptidin) reseptori on solukalvon guanylaattisyklaasi

38 cgmp toisiolähettinä NO aktivoi liukoisen guanylaattisyklaasin

39 Signaalin välittyminen tyrosiinikinaasiaktiivisuuden kautta Tyrosiinikinaasireseptorien rakenteissa yhtäläisyyksiä N-terminaalinen osa: solun ulkoinen ja sitoo hormonia solukalvon läpi kulkeva osa: α-heliksi C-terminaalisessa, solun sisäisessä osassa: tyrosiinkinaasiaktiivisuus osa reseptoreista monomeereja, osa dimeerejä (perusrakenne) Hormonin sitoutuminen dimeeriseen reseptoriin reseptorin autofosforylaatio fosforylaatioketjun eteneminen sytosolissa Hormonin sitoutuminen monomeeriseen reseptoriin reseptorin dimerisaatio dimeerisen reseptorin autofosforylaatio fosforylaatioketju... Reseptorit, joiden solun sisäiseen osaan liittyy (erillinen) liukoinen tyrosiinikinaasi

40 (A) Tyrosiinikinaasireseptorit Epidermaalinen kasvutekijä (EGF), fibroblastinen kasvutekijä (FGF), insuliini, insuliinin kaltainen kasvutekijä I (IGF-I)

41 (B) Tyrosiinikinaaseihin kytkeytyvät reseptorit Kasvuhormoni (GH), erytropoietiini (EPO), prolaktiini, leptiini, istukan laktogeeninen hormoni

42 Aktivoitunut tyrosiinikinaasi rekrytoi signalointiproteiineja/adaptereita, esim. IRS-1

43 Signaalin välittyminen Tyr-kinaasilta Ras-proteiinille...

44 Reseptorin tyrosiinikinaasin välityksellä vaikuttavien hormonien vaikutustapa Insuliinin välittämä signalointi - INS = insuliini IR = insuliinireseptori IRS = insulin receptor substrate Shc = src homology collagen-like protein Grb2 = growth factor receptor-bound protein 2 Sos = son of sevenless protein Ras = monomeerinen GTP-sit. proteiini MAPK = mitogen-activated PK PLA2 = fosfolipaasi A2 PI3 = fosfatidyyli-inositoli-3 Raf = proteiinikinaasi MEK = proteiinikinaasi MAPK = mitogen-activated proteiinikinaasi glykogeenisynteesin ja triasyyliglyserolin synteesin entsyymien geenien transkriptio

45 Glukoosi Insuliini α α β β P Glukoosin kuljetus IRS P P P Shc IRS P PI3- kinaasi p85 p110 PIP2 PIP3 Grb2 SOS Ras Raf PDK P MEK P a PKC P P Ser473 Thr308 Akt Solun kasvu ja erilaistuminen P MAPK P GLUT4 AS160 Proteiinisynteesi

46 Insuliini ja kasvuhormoni voivat aktivoida samoja signaalinvälitysketjuja (Endokrinologia, Duodecim)

47 Hormonivaikutuksen loppuminen (1) Ilman negatiivisia solunsisäisiä palautejärjestelmiä hormonivaikutusketju olisi hallitsematon G-proteiinien GTPaasiaktiivisuus inaktivoi G-proteiinin automaattisesti myös GTPaasia stimuloivia proteiineja Spesifisten fosfataasien aktivoituminen proteiinikinaasituotteiden defosforylointi Fosfodiesteraasit camp:n ja cgmp hajotus

48 Hormonivaikutuksen loppuminen (2) Reseptorien määrän pienentyminen ( down-regulation ) hormonistimulaation aikana reseptorivälitteinen endosytoosi (peptidihormonit) G-proteiineihin liittyvien reseptorien solunsisäisen osan fosforylaatio desensitisaatio Esim. β-adrenergiset reseptorit; camp & PKA heterologinen desensitaatio BARK (β-adrenergic receptor kinase) & β-arrestiini homologinen desensitaatio & internalisaatio & uusiokäyttö

49 Steroidihormonit TESTOSTERONI PROGESTERONI KORTISOLI ESTRADIOLI ALDOSTERONI Keskeisiä kasvun, erilaistumisen ja homeostaasin säätelijöitä Käytössä lääkkeinä jo kymmeniä vuosia Vaikuttavat tumareseptorien kautta

50 Tumareseptorit NH 2 Transkription aktivaatio DNA S Hormonin sidonta COOH [25 600] [66 68] [50 70] [ ] [ah] DNA:han sitoutuvia transkriptiotekijöitä (geenien säätelijäproteiineja) 48 geenin perhe ihmisen genomissa Steroidireseptorit (AR, androgeenit; GR, glukokortikoidit; MR, mineralokortikoidit; PR, progestiinit; ERα, ERβ, estrogeenit) Kilpirauhashormonireseptorit (TRα, β) Retinoidireseptorit (RARα, β, γ; RXRα, β, γ) D-vitamiinireseptori (VDR) Orvot reseptorit: aidot (ei ligandia?) vs. adoptoidut (löydetty #ligandi): # PPAR: eräät prostaglandiinit, tiatsolidiinidionit PPARγ # LXR: eräät kolesterolin johdokset ja aineenvaihduntatuotteet # SXR: pregnaanit # FXR: sappihapot

51 Tumareseptorit toiminnalliset alueet ja ligandit Aminopää Sinkkisormet Karboksyylipää H 2 N Transaktivaatio DNA Hormonisidonta HORMONI Sarana COOH Geenien aktivaatio Transkriptiotekijöiden tunnistus DNA:n tunnistus Tumaan siirtyminen Dimerisaatio Hormonin sidonta Geenien aktivaatio Tumaan siirtyminen Dimerisaatio Hsp90:n sitominen Endokriiniset reseptorit Adoptoidut orporeseptorit Orporeseptorit Ligandi: Hormonaalinen lipidi Ravinnon lipidi Tuntematon PR, AR, GR, MR ER α, β TR α, β VDR RAR α, β, γ PPAR α, β, γ RXR α, β, γ LXR α, β FXR, PXR/SXR CAR SF-1, LRH-1, DAX-1 NGFI-B α, β, γ ROR α, β, γ ERR α, β, γ RVR α, β, γ HNF-1, GCNF

52 Steroidihormonien vaikutusmekanismi: solun tumaan geenien säätely

53 Tumareseptorisairaudet Mutaatiot harvinaisia Yleinen kilpirauhashormoniresistenssi TRβ-reseptoria koodittavan geenin pistemutaatio; estää normaalin reseptorin toiminnan D-vitamiinresistenssistä johtuva riisitauti VDR:n mutaatiot Androgeeniresistenssi AR:n geeni X-kromosomissa; vaurioitunut reseptori manifestoituu aina miehillä (XY) osittainen tai täydellinen androgeeni-insensitiviteetti (PAIS tai CAIS) Sukupuolisteroideilla tärkeä rooli hormoniriippuvissa syövissä; antiandrogeenit (prostatasyöpä) ja antiestrogeenit (rintasyöpä) hoidossa