PowerPoint-Pr

1
Signaltransduktion der Gewichtskontrolle -
Zusammenspiel eines Signaltransduktionsnetzwerkes
-
2
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

3
LEPTIN - Schlüsselregulator der
Gewichtskontrolle -
4
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)

5
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)

6
Eigenschaften von Leptin

• - 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

7
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

8
Der Leptin Rezeptor - Genprodukt des
Diabetes-Gens (db/db) -

• - 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-Leptinkonzentr
  ation),
• 2 potentielle Leptin-Bindungsstellen
• Leptinbindung führt zur Homodimerisierung des
  Rezeptors

9
Molekulare Defekte des Leptin-Rezeptors bei
diabetes (db/db)-Mäusen
Ob-Ra Isoform
Mutationen im db/db-Gen resultieren in
Leptin-Rezeptoren ohne ? Signaltransduktionseigens
chaften ? Transmembrandomänen ? korrekte
Plamamembranexpression
10
Leptin-Rezeptorexpression (Ob-Rb)
- Expression der verschiedenen Isoformen in allen
Geweben - Expression der Ob-Rb Form in T-Zellen
und vasculären Endothelzellen und 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 erhöhter
• Nahrungsaufnahme

11
Signalwege der Cytokinrezeptoren der IL-6
Rezeptor Familie - Tyrosinkinase assoziierte
Rezeptoren -
MAPK-Signalweg
STAT-Signalweg
12
Model der Leptin-Rezeptor Signalkette
Genaktivierung
13
Regulation der Fettgewebsmasse durch Leptin
spezifischer Transporter?
Sekretion von Leptin durch das Fettgewebe nach
Zunahme der Fettmasse
Plasmaleptin ?
14
Regulation der Fettgewebsmasse durch Leptin
Arcuat-Nukleus
15
Regulation der Fettgewebsmasse durch Leptin -
negative Rückkopplungsschleife -
Energieverbrauch/Nahrungsaufnahme ?
Körper(Fett-)gewicht ? (spezifisch für Fettgewebe)
16
Biologische Reaktionen auf niedrige und hohe
Leptin-Konzentrationen
Fasten
Nahrungsaufnahme
17
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

18
Biologische Reaktionen auf niedrige und hohe
Leptin-Konzentrationen

• Melanocortin (a-MSH)
• und Antagonisten (ART und AgoutiY)
• Neuropeptide, von auch von Ob-Rb exprimierenden
  Neuronen sezerniert (Arcuatus)
• a-MSH
• - aus Proopiomelanocortin (POMC) freigesetzt
• - Bindung an G-Protein gekoppelten MC-4 Rezeptor
• cerebrale Injektion von a-MSH hemmt die
• Nahrungsaufnahme
• POMC-RNA Gehalt durch Leptin erhöht
• ART und AgoutiY
• - Neuropeptide (AgoutiY auch in der Haut)
• Antagonisten von a-MSH im Gehirn
• Bindung auch an den MC-4 Rezeptor
• durch Leptin reprimiert, in ob/ob-Mäusen
  induziert

19
Biologische Reaktionen auf niedrige und hohe
Leptin-Konzentrationen
20
Pathobiologie des Übergewichtes

• bei den meisten Fällen von Übergewicht zu
  beobachten
• ?? Downregulation?
• ? Genetische Faktoren?

- geringe bis keine Gewichtreduktion bei externer
Gabe von Leptin!!
21
AMPK - Sensor und Schalter des zellulären
Energiestatus -
22
AMPK Struktur, Regulation und Funktion
- heterotrimers Protein aus a, b und g-UE -
351 AS - Ser/Thr Kinase - ubiquitär
exprimiert - Isoformen auch Gewebsspezifisch
23
AMPK Struktur, Regulation und Funktion
- AMPK wird aktiviert durch AMP-Bindung und
Phosphorylierung
24
AMPK Struktur, Regulation und Funktion
- Masterschalter der zellulären Energiehomöostase
- inhibiert Energie-verbrauchende Prozesse, wie
Cholesterolsynthese, Lipogenese (Inhibition von
ACC) und Proteinsynthese (Inhibition von mTOR) -
stimuliert Energie-produzierende Prozesse, wie
Fettsäureoxidation Ketogenese und
Glucoseaufnahme - stimuliert die Nahrungsaufnahme
25
AMPK Inhibition der Proteinsynthese
durch Interaktion mit mTOR
mTOR - wichtiger Kontrollmechanismus der
Translation - Komplex mit Raptor und PRAS40 ?
mTORC - durch Rapamycin gehemmt -
Ser/Thr-Kinase, phosphoryliert 4EBP1
(Inaktivierung) und p70S6K (Aktivierung) und
stimuliert so die Proteinsynthese - wird durch
Insulin über Akt stimuliert und durch die AMPK
gehemmt