Neurosterydy: Synteza i mechanizmy dzialania

1
NEUROSTERYDY synteza, mechanizmy dzialania.
Rola w rozwoju mózgu i zróznicowaniu
plciowym Wyklad 1
Maria Dorota Majewska Katedra Marii Curie Komisji
Europejskiej Instytut Psychiatrii i
Neurologii Katedra Marie Curie, KE
2
(No Transcript)
3
Cholesterol (Chol)
C27

• U kregowców cholesterol jest prekursorem
  wszystkich zwiazków sterydowych hormonów,
  neurosterydów, witaminy D i kwasów zólciowych
• Integralny, niezbedny element blon komórkowych.
• Regulator procesów blonowych
• Syntetyzowany we wszystkich komórkach ssaków.
• Cale fizjologiczne zapotrzebowanie na cholesterol
  z syntezy de novo.
• Ok. 200 enzymów uczestniczy w metabolizmie
  steroli w tkankach ssaków.

4
Synteza cholesterolu

• Zdrowy czlowiek syntetyzuje ok. 1g Chol/dzien i
  spozywa ok. 0.3-0.5 g/dzien.
• We krwi w miare staly poziom Chol u czlowieka -
  150-200 mg/dL.
• Synteza watroba 10, jelita 15 ilosci
  produkowanej dziennie.
• Synteza Chol zachodzi w cytoplazmie oraz w
  mikrosomach z acetylo-CoA.

5
Cholesterol w blonach

• Ustawiony prostopadle do powierzchni blony
• Polarna grupa -OH na powierzchni blony, reaguje z
  polarnymi glowami fosfolipidów
• Sztywny rdzen pierscieni oraz ogona usztywnia
  blony, zmniejsza ruchliwosc kwasów tluszczowych
  fosfolipidów
• Ch. w polaczeniu ze sfingolipidami tworzy tratwy
  sluzace do lateralnego transportu bialek oraz
  wspomagajace przewodnictwo sygnalów.

cholesterol
6
Cholesterol jako skladnik blon komórkowych

• Blony plazmatyczne neuronów Chol stanowi 35-45
  lipidów
• Ludzka mielina 19
• Blony lizosomalne hepat. - 17
• Blona jadrowa 10
• Golgi, gladkie reticulum endolasm. 9
• Mitochondria blona zewnetrzna 5.
• Mitochondria blona wewnetrzna 2

7
Transport cholesterolu z krwiobiegu do komórek
steroidogennych
LDL
receptor
Ester Chol
krople cholesterolu
8
I etap syntezy sterydów cholesterol
HMG-CoA reductaza
(reakcja limitujaca) Retikulum endoplazmatyczne
Statyny
X
ß-Hydroxy-ß methyl-glutaryl-CoA (C6H9O4-CoA)
(HMG-CoA-syntaza)
3 acetyl-CoA
Mewalonian (C6H12O4)
2 NADPH
Kondensacja Cytosol
3 ATP
CO2
Hormony sterydowe Neurosterydy
pirofosforan izopentenylu/ Izopren (C5)
kondensacja
Hem Dolichol Ubichinon
Kwasy zólciowe
pirofosforan geranylu (C10)
Polimeryzacja
pirofosforan farnezylu (C15)
cyklizacja
Skwalen (C30)
Lanosterol (C30)
Cholesterol (C27)
Retikulum endopl. Oksydacyjna demetylacja
Monoxygenase/cyclase
9
Sterole reguluja synteze Cholestrolu SREBP
sterol regulatory element-binding protein SCAP -
SREBP cleavage-activating protein
Sterol
Jadro
Sterol
SCAP
SREBP
SREBP
Aktywacja transkrypcji docelowych
genów zwiekszajacych synteze Chol (HMG-CoA R)
10
Regulacja syntezy cholesterolu dieta, hormony
Acetyl-CoA
STATYNY Kompetytywne inhibitory
ßHydroxy-ß-metyl-glutaryl-CoA
(promuje defosforylacje/ aktywacje)
X
insulina
Reduktaza HMG-CoA (reakcja limitujaca ER)
glukagon (P) promuje fosforylacje /inaktywacje
Mewalonian
X
Metabolity Chol promuja proteolize HMG-CoA
Cholesterol wewnatrz-komórkowy
X
X
LDL-cholesterol zewnatrzkomórkowy
X
Inhibicja transkrypcji LDL
11
Glówne zródla hormonów sterydowych u ssaków

Gonady
Watroba
Kora Nadnerczy
Mózg Neurosterydy
Lozysko
Skóra
12
Strefy kory nadnerczy
ANGIO II VIP NPY
Strefa klebkowata (Z. glomerulosa)
5 g
ALDO
Strefa pasmowata (Z. fasciculata)
ACTH
DOC
THDOC
CORT
Strefa siatkowata (Z. reticularis)
DOC
Prog THP
M
DHEA(S)
ACTH
Strefa plodowa
Adrenalina
13
Synteza neurosterydów w komórceneuronalnej lub
glejowej
THDOC
THP/ allopregnanolon
(3a-OH)
3a-HSD
5a-Dihydro- progesteron
Cholesterol
5a-reductase
Progesteron
3ß-HSD
Pregnenolon Pregnenolon(S)
Pregnenolon
(3ß-OH)
StAR steroidogenic acute regulatory protein
14
Skali metabolizmu neurosterydów
Androsteron
CHOLESTEROL
DHEA (S)
PREGNENOLON(S)
PROGESTERON
THP
15
Genowe dzialanie hormonów sterydowych
HRE
Hormone response element
16
Receptor GABA(A)
Agonistic Steroids THP, THDOC androsterone
Benzodianepina Diazepam Clonazepam Flunitrazepam
GABA
Antagonistic Steroids PS DHEAS
17
(No Transcript)
18
Siarczan pregnenolonu (PS) blokuje GABA(A)R -
stymulant
19
DHEAS allosteryczny antagonista GABA(A)R
20
Neurosterydy GABA-agonistyczne efekty
uspokajajace
Test konfliktu szczur
Zachowanie eksploracyjne mysz
21
(No Transcript)
22
Interakcje neurosterydów z GABA(A)R
G A B A
Cl-
Cl-
Cl-
Cl-
Cl-
3aOH
3aOH
Cl-
S
S
Cl-
Cl-
Cl-
Cl-
Cl-
O
O
Cl-
Cl-
Cl-
Cl-
Cl-
S
H20
GABA
THP THDOC
PS DHEAS
23
Miejsca interakcji neurosterydów z GABA(A)R
ß
M4
M1
a
M3
GABA
M3
M4
M2
M2
M1
M1
a
Cl-
M3
Cl-
GABA
M2
M3
M2
M4
M2
M4
M1
M3
BZD
M4
ß
M1
?
GABA agonistyczny neurosteroid (THP)
24
Neurosterydy i neurotransmisja
perisynaptyczne
postynaptyczne
25
Stymulujace
Hamujace
26
Efekty behawioralneneurosterydów

• GABA agonistyczne THP, THDOC, androsteron
  dzialaja uspokajajaco, nasennie, anestetycznie,
  przeciwdrgawkowo, zaleznie od stezenia lub
  miejsca dzialania.
• GABA antagonistyczne PS, DHEAS skracaja czas
  snu barbituranowego, zwiekszaja pobudzenie, stany
  niepokoju.

27
Neurosterydy maja regionalnie zróznicowane efekty

• Dzieki regionalnym
• róznicom w kompozycji podjednostek receptorów
• róznicom w metabolizmie sterydów
• róznicom w poziomie fosforylacji receptorów, co
  zmienia ich funkcje (fosforylowany receptor mniej
  aktywny)

28
(No Transcript)
29
Neurosterydy w sygnalizacji proteinowej kinazy B
(PI3-K/Akt)
DHEA(S)
Przezywanie komórki/ rak
30
Zróznicowanie plciowe organizacyjna rola
hormonów sterydowych w rozwoju(glównie genowe)
31
Zróznicowanie plciowe ciala i mózgu

• Zróznicowanie plciowe zdeterminowane genetycznie
• U ssaków, samica XX, samiec XY.
• W maskulinizacji - krytyczny gen Sry
  (sex-determining region Y), który koduje
  czynnik determinujacy jadra.
• Plodowe jadra produkuja dwa krytyczne hormony
• Testosteron (T) maskulinizuje organy plciowe i
  mózg
• Mullerian Inhibiting Substance (MIS
  Anti-Mullerian Hormone) powoduje resorpcje
  tkanek, które rozwinelyby sie w zenskie organy
  plciowe.
• Brak tych hormonów powoduje, ze genetycznie meski
  plód rozwinie sie jako zenski.

32
Hormony sterydowe w zróznicowaniu plciowym mózgu

• Gen Sry jest ekspresowany w mózgu meskich
  embrionów maskulinizacja OUN jest czesciowo
  niezalezna od T.
• Perinatalne plody sa eksponowane na zróznicowane
  dzialanie hormonów plciowych.
• Samce sa poddane dzialaniu T, który jest
  metabolizowany w mózgu przez aromataze (P450) do
  estrogenów.
• Estrogeny dokonuja maskulinizacji mózgu plodu.
• Matczyne estrogeny nie dzialaja za mózg plodu,
  poniewaz sa zwiazane z a-feto-proteina i nie
  przedostaja sie przez bariere krew-mózg.
• Przy okoloporodowym niedoborze T, mózg plodu
  pozostaje sfeminizowany.
• W okresie dojrzewania, rzut hormonów plciowych
  aktywuje plciowo zróznicowane funkcje i
  zachowanie.

33
Plciowe zróznicowanie mózgu

• U szczura krytyczny okres plciowego zróznicowania
  mózgu od dnia E18 do P7-P10.
• Manipulacje hormonalne w tym okresie zmiany
  zachowan plciowych.
• Samce wykastrowane przed P5 jako dorosle
  zachowuja sie jak samice, ale wykastrowane po P10
  jak samce.
• Samice eksponowane na T miedzy E18 i P7-10 nie
  wykazuja typowych zenskich zachowan, a te
  eksponowane po P10 tak.

34
Plciowo zróznicowane struktury mózgu

• Glównie - zwiazane z rozrodczoscia
• Róznice w narzadzie vomeronasalnym (VNO) i
  strukturach otrzymujacych sygnaly z VNO, które
  kontroluja zachowania seksualne.
• W podwzgórzu
• Plciowo zróznicowane jadro (sexually dimorphic
  nucleus (SDN) w jadrze przedwzrokowym - 5-7 x
  wieksze u samców.
• Okoloporodowa kastracja samców zmniejsza ten
  region do rozmiarów zenskich, a podanie samicom T
  zwieksza je do rozmiarów meskich.
• Przednio-brzuszne jadro przykomorowe
  (Anteroventral periventricular nucleus wieksze
  u samic.
• Róznice w jadrze brzuszno-przysrodkowym
  (Ventromedial nucleus) i w ciele suteczkowatym
  (Mammilliary body).
• Cialo migdalowate (Amygdala) o 20 wieksze u
  samców.
• Cialo modzelowate (Corpus callosum) rózny
  ksztalt u kobiet i mezczyzn.

35
Plciowo zróznicowane jadro (SDN) w jadrze
przedwzrokowym szczura
Male
Female

• Jadro SDN-POA wieksze u doroslych samców niz u
  samic.
• Perinatalne podanie samicom testosteronu lub
  estrogenu zwieksza rozmiar tego jadra do
  wielkosci tegoz u samców.

Fem perinatal T
Fem perinatal Estro
36
Plciowe zróznicowanie mózguczlowieka
37
Plciowe zróznicowanie mózguczlowieka

• Mezczyzni maja wieksze komory i wiecej plynu CSF
• Kobiety maja procentowo wiecej szarej istoty, a
  mezczyzni wiecej bialej.
• Mózgi kobiet gesciej upakowane.
• Miedzy 6-17 rokiem zycia chlopcy traca wiecej
  szarej istoty niz dziewczeta.
• Mózgi meskie szybciej sie starzeja i sa bardziej
  narazone na wiekszosc chorób neurologicznych i
  psychiatrycznych, poza depresja.

38
Plciowe róznice w procesowaniu jezyka

• fMRI
• Dymorfizm plciowy w procesowaniu jezyka (w
  kategorii rozpoznawania liter, rymowania i
  semantyki).
• Aktywacja ponad kontrole, usredniona z 19
  praworecznych mezczyzn i 19 kobiet) (Shaywitz et.
  al. R636).

K
M
39
Funkcjonalne plciowe zróznicowanie mózgu ludzi

• Kobiety lepsze
• pamiec
• sprawniejsze jezykowo
• szybsze w znajdywaniu i dopasowywania, slów,
  przedmiotów, ksztaltów
• szybsze w znajdywaniu rozwiazan
• operacjach manualnych
• obliczeniach matematycznych
• rozwazniejsze
• ostrozniejsze
• lagodniejsze

• Mezczyzni lepsi
• mózgi bardziej wyspecjalizowane
• operacjach i wyobrazni przestrzennej
• trafianiu do celu na odleglosc
• rozumowaniu matematycznym
• nawigacji
• czesciej dzialaja spontanicznie bez namyslu
• czesciej dokonuja niewlasciwych wyborów
• bardziej agresywni

40
Neurosterydy tez maja dzialanie organizacyjne w
mózgu rózne w róznych okresach rozwojowych
41
GABA(A)R stymuluje niedojrzale neurony, a hamuje
dojrzale
Niedojrzaly neuron wysoki Cl (in)
Dojrzaly neuron niski Cl (in)
Ca
GABA depolaryzuje
GABA hiperpolaryzuje
42
Neurosterydy via GABA(A)R kontroluja plodowy i
ponatalny rozwój mózgu
Cl-
Ca
GABA
Neurosterydy
Cl-
Depolaryzacja
Cl-
Cl-
wewnatrzkomórkowe wtórne przekazniki
Ca
kierunkowanie stozka wzrostu aksonów
apoptoza
migracja neuronów
rozrost neurytów
synaptogeneza
43
Dynamika rozwojowa NKCC1 i KCC2 w neuronach kory
mózgowej
Cl out
Cl in
Szczur
NKCC1
KCC2
0
10
10
20
Adult
20

Adult
Dni ponatalne
Dni ponatalne
Narodziny
Czlowiek
Narodziny
KCC2
NKCC1
20
40
100
Adult
40
20
100
Adult
Tydzien pokoncepcyjny
44
W neuronach samców i samic rózna dynamika
dojrzewania GABA(A)R
Neurony substancji czarnej, PD (14-17)
Samiec
Samica
Muscimol
Hiperpolaryzacja
Depolaryzacja
Galanopoulu, 2003
45
GABA i neurosterydy w rozwoju mózgu

• GABA dzialajac na GABA(A)R depolaryzuje
  niedojrzale neurony, a hiperpolaryzuje dojrzale.
• Dojrzewanie OUN oraz systemu GABA wolniejsze u
  samców niz u samic.
• Leki GABA-agonistyczne nie hamuja drgawek u
  meskich noworodków.
• Bloker transportera NKCC1 (bumetadina) hamuje
  drgawki poprzez zmniejszenie stezenia Cl-
  wewnatrz neuronów.
• Wysoki poziom neurosterydu DHEAS we krwi ludzkich
  noworodków moze miec dzialanie przeciwdrgawkowe
  poprzez blokowanie depolaryzujacego dzialania
  GABA(A)R).

46
Perinatalne manipulacje GABA(A)R zmieniaja cechy
plciowe mózgu

• GABA odgrywa krytyczna role w rozwoju mózgu i
  jego plciowym zróznicowaniu.
• Perinatalne podanie GABA(A) agonistów feminizuje
  mózg samców i zmienia rozmiary plciowo
  róznicowanych struktur mózgu oraz behawior.
• U szczura perinatalny muscimol zmniejszyl rozmiar
  plciowo zróznicowanego jadra (SDN) podwzgórza o
  80, do wielkosci tegoz u samic.
• Diazepam zmienil dymorfizm plciowy opuszki
  wechowej, upodabniajac go do tegoz u samic.
• Diazepam podany szczurzym noworodkom indukowal
  zachowania macierzynskie u doroslych samców.

47
GABA(A)R w plciowym zróznicowaniu mózgu

• GABA antagonisci (pikrotoksyna) podane zenskim
  noworodkom czesciowo maskulinizuja mózg i hamuja
  instynkty macierzynskie u doroslych samic.
• Prenatalny stres (dzialajac czesciowo poprzez
  neurosterydy) wplywa na plciowe zróznicowanie
  mózgu plodów. Hamuje pózniejsze instynkty
  macierzynskie u samic i moze zmieniac orientacje
  seksualna samców i samic.

48
Dynamiczne zmiany rozwojowe stezenia THP in mózgu
szczura
Grobin, 2001
49
DHEA(S) w rozwoju czlowieka
50
Neurosterydy poprzez GABA(A)R modeluja rozwój
mózgu

• Poziom neurosterydów w mózgu zmienia sie w
  rozwoju
• THP nasilajac dzialanie GABA(A)R zwieksza
  depolaryzacje neuronów i wplywa na ich rozwój
  oraz migracje, polaczenia synaptyczne, apoptoze,
  etc.
• Wysoki poziom DHEAS we krwi noworodków, hamuje
  depolaryzujace dzialanie GABA(A)R i moze dzialac
  przeciwdrgawkowo.
• Neurosterydy poprzez GABA(A)R oraz inne receptory
  moga wplywac na zróznicowanie plciowe mózgu i
  modeluja procesy neurorozwojowe.

51
Podsumowanie Neurosterydy

• Syntetyzowane w mózgu
• Wplywaja bezposrednio na neurotransmisje
• Dzialaja na kanaly jonowe operowane przez ligandy
  (receptory GABA(A), GABA(C), Glic, NMDA, nAChR,
  5HT3.
• Neurosterydy hamujace (THP, THDOC, androsteron)
• Neurosterydy pobudzajace (PS, DHEAS)
• Wplywaja na procesy neurorozwojowe

52

• Dziekuje za uwage