Peptidihormonit: reseptorit, signalointi ja biologiset toiminnot

Peptidihormonit ovat aminohappoketjuista koostuvia välittäjäaineita. Erikoistuneet solut tuottavat niitä, muuntavat ne usein suuremmista esiasteista, vapauttavat niitä vasteena tiettyihin fysiologisiin signaaleihin ja käyttävät niitä sitten muiden solujen ja kudosten toiminnan koordinointiin.

Niiden toiminta ei kuitenkaan johdu pelkästään siitä, että ne ovat peptideillä. Biologinen vaste riippuu ennen kaikkea siitä, onko kyseisellä solulla sopiva reseptori sekä solunsisäinen signalointimekanismi, jonka avulla vastaanotettu signaali voidaan tulkita.

Insuliini, glukagoni, glukagonin kaltainen peptidi-1 (GLP-1), vasopressiini, parathormoni (PTH), gonadotropiinia vapauttava hormoni (GnRH) sekä atriaalinen natriureettinen peptidi (ANP) kuuluvat tähän laajaan ryhmään. Ne osallistuvat kuitenkin hyvin erilaisiin fysiologisiin järjestelmiin.

Termi „peptidihormoni” kuvaa siis kemiallista luokkaa ja biologisen viestinnän tapaa, ei yhtä yhteistä vaikutusta.

Esimerkiksi ihmisillä tehdyt GLP-1-tutkimukset koskivat ruoansulatuskanavan ja insuliinin erityksen välistä vuorovaikutusta, kun taas vasopressiiniin reagoivien vesikanavien tutkimukset keskittyivät munuaisten suorittamaan nestetasapainon säätelyyn. Nämä ovat erillisiä fysiologisia järjestelmiä, jotka käyttävät erilaisia reseptoreita, kohdekudoksia ja vastemekanismeja. [1] [2]

Peptidihormonin vaikutus on helpointa ymmärtää seuraamalla koko prosessia alusta loppuun:

esiasteen synteesi → molekyylin muuntuminen → varastointi → vapautuminen → reseptorin tunnistaminen → solunsisäinen signalointi → solun vaste → takaisinkytkentä ja signaalin päättyminen.

Jokainen näistä vaiheista voi vaikuttaa lopulliseen biologiseen vasteeseen.

Tällainen lähestymistapa auttaa myös välttämään merkittävän väärinkäsityksen. Peptidin havaitseminen, sen sitoutumisen havaitseminen reseptoriin, välittäjäaineen mittaaminen ja koko elimistön fysiologisen vasteen osoittaminen ovat eri todistusasteita. Täydellinen tulkinta edellyttää sen selvittämistä, mikä näistä vaiheista on tosiasiallisesti tutkittu.

Mitä ovat peptidihormonit?

Biologista signaalia välittävä aminohappoketju

Peptidihormonit koostuvat toisiinsa liittyneistä aminohappojäämistä peptidisidoksilla.

Jotkut ovat suhteellisen lyhyitä ketjuja, kun taas toiset ovat huomattavasti suurempia molekyylejä, joita voidaan kutsua myös proteiinihormoneiksi.

Hormonaalisen järjestelmän biologiassa nämä luokitukset ovat osittain päällekkäisiä. Peptidihormoneja koskeva terminologia kattaa aminohapoista koostuvat signaalimolekyylit, eikä se edellytä yhden yleistä ketjun pituuden raja-arvoa, joka erottaisi kaikki peptidit kaikista proteiineista.

Sana „hormoni” kuvaa ennen kaikkea molekyylin signaalinvälittäjänä toimivaa roolia, eikä pelkästään sen kemiallista rakennetta.

Perinteisessä endokriinisessä järjestelmässä solu tai kudos vapauttaa hormonin verenkiertoon, minkä ansiosta se voi vaikuttaa siihen reagoiviin soluihin, jotka sijaitsevat kehon muissa osissa.

Biologinen viestintä ei kuitenkaan rajoitu pelkästään tähän mekanismiin. Näihin liittyvät molekyylit voivat osallistua myös vierekkäisten solujen väliseen paikalliseen viestintään sekä muihin solujen välisen viestinnän muotoihin.

Pelkkä kemiallinen rakenne ei siis riitä siihen, että tiettyä peptidiä pidetään hormonina.

Peptidejä on muun muassa seuraavia:

• välimetaboliitit;
• suurempien proteiinien palasia;
• rakenteelliset komponentit;
• solunsisäiset säätelevät molekyylit;
• proteiinien hajoamistuotteet;
• molekyylit, joilla on muita, hormonaaliseen järjestelmään liittymättömiä tehtäviä.

Hormonaalisen roolin vahvistamiseksi tutkijat tarvitsevat yleensä näyttöä, joka yhdistää kyseisen molekyylin sen tuotantoon, säänneltyyn vapautumiseen, kohdesoluihin ja fysiologiseen vaikutukseen.

GLP-1:tä koskevat varhaiset tutkimukset ihmisillä kuvaavat hyvin tätä lähestymistapaa.

Tutkijat havaitsivat GLP-1:een liittyvää ainetta suolistossa ja havaitsivat sen pitoisuuden nousun veressä glukoosin suun kautta annon tai aterian jälkeen. Pienessä infuusiokokeessa tietty GLP-1-muoto vaikutti insuliini- ja glukoosivasteeseen. [1]

Kaiken kaikkiaan nämä havainnot tukivat käsitystä tämän molekyylin fysiologisesta signaalin välittäjän roolista.

Tätä tutkimusta ei kuitenkaan tulisi pitää todisteena, joka vahvistaa jokaisen GLP-1:n biologiaan liittyvän mekanismin, kliinisen sovelluksen tai myöhemmän väitteen.

Kohdesolut määritellään niiden vastekyvyn perusteella

Hormoni voi kulkea monien solujen ohi aiheuttamatta jokaisessa niistä samanlaista reaktiota.

Jotta solu voisi reagoida, sillä on yleensä oltava sopiva reseptori sekä solunsisäiset molekyylimekanismit, joiden avulla sen aktivoitumisen jälkeen syntynyt signaali voidaan käsitellä.

Reseptorit tunnistavat molekyylien tiettyjä ominaisuuksia.

Tunnistaminen voi riippua muun muassa seuraavista tekijöistä:

• aminohapposekvenssi;
• tilallinen rakenne;
• kuorman sijoittelu;
• kemialliset muutokset;
• reseptorin konformaatio;
• sopivien sitoutumispintojen saatavuus.

Se, että tietty molekyyli on peptidi, ei siis tarkoita, että se voisi aktivoida toisen peptidihormonin reseptoria.

Myös reseptorien lukumäärällä on merkitystä.

Solu, jossa on suuri määrä toiminnallisia reseptoreita, voi reagoida eri tavalla kuin solu, jossa niitä on vähemmän. Vasteeseen voivat vaikuttaa myös reseptorien sijainti, niiden modifikaatiot, niiden kanssa vuorovaikutuksessa olevat proteiinit sekä aiempi stimulaatio.

Jopa kaksi kudosta, joilla on sama reseptori, voivat reagoida eri tavalla, koska niiden solunsisäiset signalointimekanismit eroavat toisistaan.

Reseptorin aktivoituminen voi vaikuttaa muun muassa seuraaviin seikkoihin:

• entsyymien aktiivisuus;
• ionien kuljetus;
• kalvokanavat;
• rakkuloiden liikkuminen;
• erittyminen;
• aineenvaihdunta;
• proteiinien fosforylaatio;
• geenien transkriptio;
• useiden näiden prosessien yhdistelmä.

Sidonta reseptoriin on siis vasta alku vaikutusmekanismin selvittämiselle, eikä se anna täydellistä vastausta kysymykseen biologisesta vaikutuksesta.

Peptidihormonit vaikuttavat moniin eri elinjärjestelmiin

Nämä esimerkit kuvaavat erilaisia fysiologisia toimintoja, eivätkä ne osoita peptidiryhmään kuulumisesta johtuvia yhteisiä etuja.

Tutkimukset, jotka koskevat insuliinireseptorikinaasin aktiivisuutta, GLP-1:n fysiologiaa, virtsan akvaporin-2:ta, kalsium–PTH-vastetta, GnRH-impulssien rytmiä ja ANP-reseptoreita, analysoivat erillisten hormonaalisten järjestelmien eri osatekijöitä. [1] [2] [3] [4] [5] [6]

Tästä syystä yhden peptidihormonin tuloksia ei pidä automaattisesti yleistää toiseen pelkästään sen vuoksi, että molemmat molekyylit kuuluvat samaan laajaan kemialliseen luokkaan.

Miten peptidihormonit syntyvät ja vapautuvat?

Monet hormonit alkavat suurempina esiasteina

Monet peptidihormonit syntetisoidaan aluksi suurempina molekyyleinä, joita kutsutaan preprohormoneiksi.

Etuliite „pre-” viittaa yleensä signaalijaksoon, joka auttaa ohjaamaan muodostumassa olevan molekyylin solun eritysreittiin.

Kun tämä sekvenssi on poistettu, jäljelle jäänyt esiaste kutsutaan yleensä prohormooniksi.

Jatkokäsittely voi johtaa kypsän hormonin muodostumiseen ja joissakin tapauksissa useiden biologisesti merkittävien tuotteiden syntymiseen.

Klassisessa säännellyssä eritysreitissä muodostuva esiaste kulkeutuu endoplasmakalvoston verkostoon, kulkee sen jälkeen Golgin laitteiston läpi ja ohjataan asianmukaisiin eritysosastoihin.

Molekyylistä riippuen seuraavat vaiheet voivat sisältää:

• taittaminen;
• disulfidisiltojen muodostuminen;
• entsymaattinen pilkkominen;
• ketjun päiden muokkaukset;
• muut kemialliset muutokset;
• lajittelu;
• pakkaus erittymisasteen mukaan.

Nämä prosessit eivät etene täsmälleen samalla tavalla jokaisen peptidihormonin kohdalla.

Yksi esiaste voi sisältää useita mahdollisia peptidituotteita, ja eri solutyypit voivat prosessoida samaa esiasteetta eri tavoin.

Geenin koodaama aminohapposekvenssi ei siis välttämättä vastaa suoraan yhtä verenkierrossa esiintyvää kypsää hormonia.

Esiasteen muuntuminen vaikuttaa siihen, mikä hormoni muodostuu

Proglukagoni on erityisen hyvä esimerkki, koska haiman ja suoliston kudos voivat tuottaa samasta esiasteesta erilaisia molekyylituotteita.

Ihmiskudosten tutkimuksessa käytettiin immunokemiallisia ja kromatografisia menetelmiä glukagoniin liittyvien erilaisten molekyylikuvioiden tunnistamiseksi haimassa ja ohutsuolessa. [7]

Myöhemmissä solukokeissa tutkittiin PC2:ta ja PC3:a pilkkovien entsyymien osuutta, ja PC3:a kutsutaan usein myös nimellä PC1/3.

Tulokset osoittivat, että entsymaattinen ympäristö vaikutti voimakkaasti siihen, muistuttiko prosessi haiman vai suoliston tyypillistä mallia. Tutkimukset paljastivat myös rajoituksia kaikkien pilkkomisvaiheiden jäljittelyssä eristetyn entsymaattisen järjestelmän avulla. [8]

Yleinen periaate on tärkeä:

Esiasteen sekvenssi määrittää mahdolliset tuotteet, kun taas kyseisessä solussa esiintyvät prosessimekanismit auttavat määrittämään, mitkä molekyylimuodot todella muodostuvat.

Tällä on merkitystä myös laboratoriomittausten kannalta.

Testi, joka tunnistaa useita samaan esiasteeseen liittyviä muotoja, voi antaa erilaisia tuloksia kuin menetelmä, joka on suunniteltu nimenomaan yhden kypsän hormonin havaitsemiseen.

Ilmoitettua pitoisuutta on siis tulkittava yhdessä sen tiedon kanssa, mitä tarkalleen ottaen molekyylimuotoja käytetty analyysimenetelmä havaitsee.

Ekskretoriset rakeet mahdollistavat hallitun vapautumisen

Monet endokriiniset solut varastoivat muunnettuja peptidihormoneja erityskärjissä.

Kun sopiva ärsyke ilmenee, säätelevät solumekanismit johtavat rakeiden kiinnittymiseen solukalvoon.

Niiden sisältö vapautuu tämän jälkeen solun ulkopuolelle eksosytoosin kautta.

Varastointi mahdollistaa erittymisen nopean lisäämisen ilman, että jokaisen vapautuvan molekyylin synteesiä tarvitsee aloittaa alusta juuri silloin, kun ärsyke ilmenee.

Tämä ei kuitenkaan tarkoita, että kaikki hiukkaset olisivat yhtä helposti käytettävissä välittömään vapautumiseen.

Solut voivat sisältää toiminnallisesti erilaisia rakeisuuspoolia, ja pitkäkestoinen erittyminen edellyttää tuotannon jatkamista, jalostusta ja varastojen täydentämistä.

Hormonin vapautuminen on siis aktiivisesti säädelty soluprosessi, eikä passiivista koko solun sisällön vuotamista.

Ihmisen haimasaarekkeiden ja beetasolujen tutkimukset ovat osoittaneet, että eksosytoottisen Munc18c-proteiinin määrän väheneminen häiritsi insuliinin eritystä ja muutti sen vapautumista eri kokoluokista. [9]

Nämä tulokset tukevat suoraan erikoistuneiden kalvofuusiomekanismien roolia.

Ne eivät kuitenkaan anna kattavaa selitystä kaikista insuliinin eritystä säätelevistä molekyyliprosesseista.

Eri hormonaaliset järjestelmät reagoivat erilaisiin ärsykkeisiin

Yksittäiset endokriiniset solut reagoivat erilaisiin fysiologisiin signaaleihin.

Niihin voivat kuulua:

• ravintoaineiden pitoisuudet;
• sähköinen aktiivisuus;
• neurotransmitterit;
• muut hormonit;
• solun ulkopuolella olevat ionit;
• osmoottiset olosuhteet;
• mekaaniset muutokset;
• erilaisten sääntelytoimenpiteiden yhdistelmät.

Solunsisäinen kalsium osallistuu usein eritysrakkuloiden fuusioon, mutta kalsiumsignaalin syntyyn johtavat prosessit vaihtelevat solutyypeittäin.

Esimerkiksi haiman beetasoluissa glukoosin aineenvaihdunta liittyy läheisesti sähköiseen aktiivisuuteen, kalsiumin virtaukseen ja insuliinia sisältävien rakeiden vapautumiseen.

Tahdostuskeskustan neuroendokriiniset solut puolestaan toimivat monimutkaisissa hermo-, hormoni- ja fysiologisten signaalien verkostoissa.

Siksi ei olisi oikein esittää yhtä yksityiskohtaista erittymisreittiä kaikkien peptidihormonien yleispätevänä mekanismina.

Kokeellisesta näkökulmasta on myös tärkeää tehdä ero hormonin synteesin ja sen erityksen välillä.

Kortikotropiinin vapauttavaa hormonia tuottavien rottien hermosolujen tutkimuksessa havaittiin, että geenin aktivaatiolla ja eritykseen liittyvillä vasteilla oli erilaiset reaktiokynnykset pitkäkestoisen stressin aikana. [10]

Hormonin lisääntynyt vapautuminen ei siis välttämättä tarkoita, että sen esiasteen koodaavan geenin transkriptio muuttuisi samassa määrin ja täsmälleen samaan aikaan.

Erityksen ajankohta ja rytmi voivat välittää tietoa

Hormonille altistumista ei kuvata pelkästään sen keskimääräisellä pitoisuudella.

Aikamalli voi sisältää seuraavia asioita:

• erilliset impulssit;
• pulssitaajuuden muutokset;
• impulssien amplitudin muutokset;
• pitoisuuden jatkuva nousu;
• vuorokausirytmi;
• ruokailuun, uneen, stressiin tai muihin fysiologisiin tapahtumiin liittyvät reaktiot.

Erilaiset aikamallit voivat johtaa erilaisiin soluvasteisiin.

GnRH-puutteisilla urosrotilla tehdyt kokeet osoittivat, että erilaiset GnRH-impulssien taajuudet aiheuttivat erilaisia gonadotropiinien alayksiköiden transkriptiomalleja. Vaste sisälsi sekä GnRH:n suoraa signalointia että muutoksia aivolisäkkeen paikallisissa säätelymekanismeissa. [5]

Nämä tutkimukset auttavat selittämään, miksi hormonaalisen signaalin kesto ja rytmi voivat välittää biologista tietoa.

Tällaisten eläinkokeiden tuloksia ei kuitenkaan pidä yleistää ihmisille annostelukäytäntöihin.

Verestä mitattu hormonipitoisuus on siis vain kuva dynaamisesti muuttuvasta järjestelmästä tietyllä hetkellä.

Tulkinta voi riippua seuraavista tekijöistä:

• näytteenottohetki;
• erittymisen pulsoiva luonne;
• mitatun molekyylipainon;
• viimeaikaisista fysiologisista tapahtumista;
• eliminaationopeus;
• käytetyn testin ominaispiirteet.

Reseptorit ja solujen signalointi

Mitä tapahtuu, kun peptidihormoni saavuttaa kohdesolun?

Suurin osa peptidihormoneista aloittaa vaikutuksensa sitoutumalla solun pinnalla oleviin tai suoraan soluun kiinnittyneisiin reseptoreihin.

Hormonin sitoutuminen reseptoriin muuttaa sen aktiivisuutta tai konformaatiota, mikä mahdollistaa tiedon välittymisen solun sisälle.

Signaali kulkee siis solukalvon läpi reseptorijärjestelmän avulla.

Peptidihormonin ei yleensä tarvitse itsenäisesti läpäistä solun lipidikalvoa ja päästä vapaasti sytoplasmaan aloittaakseen signaalin välittämisen.

Tämän avulla voidaan ymmärtää, miten vesiliuoksessa suhteellisen hyvin liukeneva solunulkoinen molekyyli voi vaikuttaa solun sisällä tapahtuviin prosesseihin.

Jatkokehitys riippuu reseptorin tyypistä.

Peptidihormonien reseptorit kuuluvat useisiin mekanismiltaan erilaisiin luokkiin.

Jotkut välittävät signaalia seuraavien kautta:

• heterotrimeriset G-proteiinit;
• reseptoriin sitoutuvat entsyymit;
• oman kinaasiaktiivisuutensa;
• guanylaattisyklaasin aktiivisuus;
• muita signaaliproteiineja.

Yleiskaavio:

hormoni → reseptori → solunsisäinen signaali → solun vaste

on erittäin hyödyllinen.

Ei kuitenkaan ole olemassa yhtä yhteistä solunsisäistä reittiä, joka olisi ominaista kaikille peptidihormoneille.

G-proteiiniin kytkeytyvät reseptorit ja toissijaiset välittäjäaineet

Monet peptidihormonit välittävät signaaleja G-proteiiniin kytkeytyvien reseptorien, eli GPCR:ien, välityksellä.

Nämä ovat kalvoproteiineja, jotka ovat vuorovaikutuksessa solunsisäisten G-proteiinien kanssa ja jotka voivat vaikuttaa entsyymeihin, ionikanaviin ja välittäjäaineiden järjestelmiin.

Yksi tärkeistä sekundaarisista välittäjäaineista on syklinen AMP (cAMP).

Tyypillisessä cAMP-reaktioreitissä reseptorin aktivaatio vaikuttaa adenylaattisyklaasiin, eli entsyymiin, joka vastaa cAMP:n tuotannosta.

cAMP-pitoisuuden muutokset voivat puolestaan vaikuttaa muiden signaaliproteiinien aktiivisuuteen.

Muut GPCR-reseptorit voivat toimia eri mekanismeilla.

On tärkeää huomata, että kaikki GPCR-reseptorit eivät nosta cAMP:n pitoisuutta.

Jotkin reseptorien ja G-proteiinien yhdistelmät voivat vähentää sen tuotantoa, kun taas toiset säätelevät pääasiassa kalsiumiin liittyviä reittejä tai muita solunsisäisiä prosesseja.

Väite, että hormoni „käyttää välittäjäainetta”, kuvaa siis yleistä signalointistrategiaa, ei yhtä ainoaa yleispätevää molekyylimekanismia.

Varhaisessa tutkimuksessa, joka tehtiin rotan haimasaarekesolulinjalla, havaittiin, että GLP-1:n prosessoitu muoto lisäsi cAMP:n pitoisuutta, insuliiniin liittyvän mRNA:n määrää sekä insuliinin vapautumista. [11]

Tässä kokeessa solunulkoinen peptidisignaali yhdistettiin solun sisäisiin biokemiallisiin muutoksiin ja geenien ilmentymiseen.

Johtopäätökset koskevat kuitenkin vain käytettyä mallia ja kokeellisia olosuhteita.

Kalsiumsignalointi ja signaalin vahvistaminen

Toinen yleinen GPCR-reitti liittyy fosfolipaasi C:hen.

Sen aktivoituminen voi johtaa solunsisäisten välittäjäaineiden, kuten inositolitrifosfaatin (IP3) ja diasyyliglyserolin (DAG), muodostumiseen.

IP3 voi edistää kalsiumin vapautumista solunsisäisistä varastoista, kun taas DAG voi osallistua proteiinikinaasi C:n aktivointiin.

Nämä prosessit auttavat muuttamaan reseptorin aktivoitumisen solun aktiivisuuden muutokseksi.

Tätä reittiä eivät kuitenkaan käytä kaikki peptidihormonin reseptorit.

Signaalikaskadit voivat myös vahvistaa signaalia.

Yksi aktivoitunut reseptori voi vaikuttaa moniin molekyyleihin, jotka sijaitsevat reitin myöhemmässä vaiheessa, ja yksi aktivoitunut entsyymi voi tuottaa monia välittäjäaineen molekyylejä.

Tämä selittää, miksi suhteellisen heikko solunulkoinen signaali voi toisinaan aiheuttaa merkittävän soluvasteen.

Signaalin vahvistus ei kuitenkaan ole rajatonta.

Sen voimakkuuteen ja kestoon vaikuttavat muun muassa:

• reseptorien lukumäärä;
• entsyymien saatavuus;
• substraattien saatavuus;
• takaisinkytkentämekanismit;
• fosfataasit;
• toissijaisten releiden vikaantuminen;
• reseptorien desensitisaatio;
• kohdesolun toiminnalliset ominaisuudet.

Toissijainen välittäjäaine on siis reitin välivaihe, ei fysiologinen lopputulos.

Merkitystä on sen tyypillä, pitoisuudella, sijainnilla ja vaikutusajalla sekä solun kyvyllä muuntaa tämä signaali konkreettiseksi vasteeksi.

Insuliinireseptori toimii eri tavalla

Insuliinireseptori on tyrosiinikinaasi.

Sen alkuperäinen signalointimekanismi eroaa siis olennaisesti klassisesta GPCR-mekanismista.

Insuliinin sitoutuminen johtaa reseptorin solunsisäisen kinaasiosan aktivoitumiseen.

Aktivoitunut reseptori fosforyloi tiettyjä kohtia proteiineissa ja käynnistää seuraavat signaalireitit.

Puhdistettuja insuliinireseptoreita hyödyntävissä biokemiallisissa tutkimuksissa tyrosiinin autofosforylaatio on yhdistetty kinaasiaktiivisuuden lisääntymiseen. [3]

Näiden kokeiden avulla voitiin selvittää reseptorin tärkeitä ominaisuuksia.

Puhdistettu reseptori ei kuitenkaan jäljittele kaikkia prosesseja, jotka tapahtuvat kokonaisissa lihas-, maksa-, rasvakudos- tai muissa insuliinille reagoivissa soluissa.

Tärkein johtopäätös on yksinkertainen:

Peptidihormonit voivat aktivoida erilaisia reseptoriluokkia.

Insuliini on tärkeä esimerkki siitä, miksi peptidihormonien signalointia ei pidä tiivistää seuraavalla toteamuksella:

„Peptidihormoni sitoutuu GPCR:ään ja nostaa cAMP-pitoisuutta.”.

Tämä mekanismi koskee tiettyjä järjestelmiä, mutta ei koko ryhmää.

Natriureettisten peptidien reseptorit voivat tuottaa cGMP:tä

ANP on esimerkki vielä yhdestä reseptorimekanismista.

Sen guanylaattisyklaasi A -reseptori liittyy syklisen GMP:n (cGMP) muodostumiseen.

cGMP ja cAMP ovat syklisiä nukleotideja, mutta ne eivät ole sama molekyyli, ja ne muodostuvat eri entsyymijärjestelmien välityksellä.

Natriureettisten peptidien reseptoreita koskevat mutaatiokokeet osoittivat, että kinaasia muistuttava säätelyalue oli tärkeässä roolissa reseptorin aktiivisuuden säätelyssä. Muutokset tässä alueella saattoivat johtaa normaalin säätelyn menetykseen tai aktiivisuuteen, joka ilmeni ilman tyypillistä hormonaalista stimulaatiota. [6]

Tässä tapauksessa tarkka terminologia on tärkeää.

Kinasia muistuttavan domeenin läsnäolo ei tarkoita, että reseptori toimisi saman tyrosiinikinaasimekanismin avulla kuin insuliinireseptori.

On otettava huomioon reseptorin rakenne, sen katalyyttinen aktiivisuus sekä mitattavan biokemiallisen tuotteen tyyppi.

Sitoutuminen pintaan ei tarkoita, että reseptori pysyy aina siellä

Aktivoituneet reseptorit voivat joutua endosytoosin kohteeksi, eli siirtyä solukalvosta kalvon ympäröimiin sisäosiin.

Tämä prosessi eroaa peptidihormonin vapaasta kulkeutumisesta lipidikalvon läpi sytoplasmaan.

Muunnelluissa munuaisperäisissä ihmisen soluissa tutkijat seurasivat ANP-reseptorien siirtymistä solunsisäisiin tiloihin samalla, kun cGMP:n tuotanto jatkui. [12]

Nämä havainnot osoittavat, että reseptorin kuljetus ja signalointi voivat tapahtua samanaikaisesti.

Ne eivät kuitenkaan osoita, että jokainen reseptori lähettäisi signaalia täsmälleen samalla tavalla internalisoitumisen jälkeen, eikä sitä, että kaikki mitattu cGMP olisi syntynyt yhdessä tietyssä solun osassa.

Väite, että peptidihormonit käynnistävät signalointiprosessin yleensä pintareseptorien kautta, on siis hyödyllinen yleistys.

Sen sijaan olisi liian kategorista väittää, että peptidihormonit ja niiden reseptorit eivät voisi koskaan esiintyä solunsisäisissä tiloissa.

Soluvaste voi olla nopea, viivästynyt tai käsittää molemmat vaiheet

Reseptorisignalointi voi muuttaa solussa jo läsnä olevien proteiinien aktiivisuutta.

Tällaiset mekanismit voivat johtaa suhteellisen nopeisiin reaktioihin.

Signaalireitit voivat myös vaikuttaa transkriptioon ja proteiinien synteesiin, mikä johtaa pitkällä aikavälillä ilmeneviin vaikutuksiin.

Molemmat mekanismit voivat esiintyä samanaikaisesti.

Sama signalointijärjestelmä voi aiheuttaa nopeita biokemiallisia muutoksia ja niiden seurauksena transkriptiotason muutoksia.

GLP-1-tutkimuksessa mitattiin soluissa sekä signalointiin liittyviä muutoksia että insuliinigeenin ilmentymistä, mikä osoittaa, miksi solun pinnalla alkavaa signalointia ei pidä katsoa kyvyttömäksi vaikuttamaan ytimessä tapahtuviin prosesseihin. [11]

Toissijaisen välittäjäaineen pitoisuuden nousu edustaa kuitenkin vain yhtä todistusaineiston tasoa.

Fysiologisen vaikutuksen täydellisen osoittaminen edellyttää, tutkimuskysymyksestä riippuen, seuraavien tasojen yhdistämistä:

reseptorin aktivoituminen → solunsisäinen signalointi → solun käyttäytyminen → kudoksen vaste → koko elimistön fysiologia.

Peptidihormonit ja steroidihormonit

Muut kemialliset perusteet

Peptidihormonit koostuvat aminohappoketjuista.

Steroidihormonit muodostuvat kolesterolista, ja niillä on tyypillinen steroidirenkaiden rakenne.

Kemialliset erot vaikuttavat siihen, miten nämä kaksi hormoniryhmää syntetisoidaan, varastoidaan, kuljetetaan, tunnistetaan ja välittävät signaalia.

Peptidihormonit toimivat yleensä hyvin vesiympäristössä, mutta eivät yleensä läpäise solukalvon hydrofobista sisäosaa yksinkertaisen diffuusion avulla.

Steroidihormonit sopivat paremmin lipidiseen ympäristöön ja pääsevät solunsisäisiin reseptorijärjestelmiin.

Monet steroidihormonit kiertävät verenkierrossa osittain sitoutuneina kuljetusproteiineihin.

Peptidihormonien kulkeutumisominaisuudet vaihtelevat molekyylikohtaisesti.

Nämä ovat yleisiä fysiologisia malleja, eivätkä ne ole ehdottomia sääntöjä, jotka koskisivat jokaista näiden kahden ryhmän edustajaa.

Molekyylimuutokset, sitoutuvat proteiinit, reseptorin tyyppi ja kudoskonteksti voivat vaikuttaa yksityiskohtiin.

Klassinen reseptorien vertailu

Klassinen vertailu on hyödyllinen hormonibiologian opiskelussa.

Näitä kahta luokkaa ei kuitenkaan pidä esittää täysin erillisinä liikennevalomaailmoina.

Peptidi- ja steroidisignalointia käsittelevässä julkaisussa kuvataan todisteita steroidien nopeasta vaikutuksesta, joka ei vaadi uusien proteiinien synteesiä. [13]

Tämä lähde on katsaus, joka perustuu muun muassa tieteellisiin keskusteluihin, eikä se ole yksittäinen koe, joka vahvistaisi yhden yleispätevän mekanismin kaikille steroidihormoneille.

Miksi väite „peptidit vaikuttavat nopeasti, kun taas steroidit hitaasti” on liian yksinkertaistettu?

Jotkut vasteet peptidihormoneille ilmenevät nopeasti, koska signalointireitit muokkaavat proteiineja, jotka ovat jo solussa.

Peptidisignalointi voi kuitenkin vaikuttaa myös transkriptioon ja uusien proteiinien synteesiin, mikä aiheuttaa hitaammin kehittyviä vasteita.

Toisaalta steroidihormonit eivät rajoitu pelkästään hitaisiin, transkriptioon liittyviin vaikutuksiin.

Tieteellisesti hyödyllisemmät kysymykset ovat seuraavat:

• Mitä hormonia tutkitaan?
• Mikä reseptori aktivoituu?
• Mikä solunsisäinen reitti käynnistyy seuraavaksi?
• Mitä biologista vaikutusta mitataan?
• Kuinka kauan stimulaation jälkeen mittaus suoritettiin?

Toissijaisen välittäjäaineen varhaisen vasteen vertaaminen myöhempään transkriptiiviseen vasteeseen ilman mitatun vaikutuksen määrittämistä voi johtaa harhaanjohtavaan jakoon „nopeisiin” ja „hitaisiin” hormoneihin. [11] [13]

Molemmat hormoniluokat voivat säätää toisiaan

Peptidi- ja steroidihormonit osallistuvat usein samoihin endokriinisiin verkostoihin.

Hyvä esimerkki on stressin vasteakseli.

Hypotalamuksesta ja aivolisäkkeestä tulevat peptidisignaalit osallistuvat lisämunuaisten steroidituotannon säätelyyn, kun taas glukokortikosteroidit osallistuvat tämän järjestelmän aikaisempiin osiin vaikuttavaan takaisinkytkentään.

Takaisinkytkentää ei kuitenkaan pidä ajatella välittömänä „päälle–pois”-kytkimenä.

Rotilla suoritettu CRH-neuronien tutkimus osoitti, että eritys, geenien aktivaatio sekä glukokortikosteroidien aiheuttama takaisinkytkentä riippuivat ärsykkeen tyypistä ja mittausajankohdasta. [10]

Tämä tukee yksityiskohtaisempaa hormonaalisen säätelyn mallia, jossa järjestelmän yksittäiset osat voivat reagoida eri aikaskaaloilla.

Takaisinkytkentä ja signaalin pääte

Negatiivinen takaisinkytkentä auttaa vakauttamaan fysiologisia parametreja

Negatiivinen takaisinkytkentä tapahtuu silloin, kun fysiologisen reaktion seuraukset heikentävät ärsykettä, joka johtaa signaalin välittymiseen eteenpäin.

Säädettävä parametri voi sisältää muun muassa seuraavat:

• ravintoaineiden saatavuus;
• ionipitoisuus;
• vesitalous;
• veren tilavuus;
• endokriinisen elimen toiminta;
• muu fysiologinen parametri.

Hyvä esimerkki on kalsium–PTH-järjestelmä.

Alhaisempi solunulkoisen kalsiumin pitoisuus edistää yleensä PTH:n erittymistä, kun taas sen nousu voi estää tätä erittymistä.

Terveillä nuorilla miehillä tehdyssä tutkimuksessa havaittiin PTH-pitoisuuden lasku veressä kalsiumstimulointia seuranneen. [4]

Tämä osoittaa tämän tutkimuksen olosuhteissa esiintyvän fysiologisen riippuvuussuhteen.

Se ei kuitenkaan anna perusteita ravintolisien käytön suosittelemiselle eikä sen avulla voida ennustaa kaikkia sairaudessa ilmeneviä reaktioita.

Palautekytkentä voi toimia monella tasolla, muun muassa seuraavien keinojen avulla:

• hormonin eritys;
• esiasteen tuotanto;
• geenien transkriptio;
• reseptorien herkkyys;
• liikennevalojen seuraavat vaiheet;
• endokriinisten kudosten väliset vuorovaikutukset.

Se voi myös toimia hieman viiveellä.

Siksi lyhytaikaista reaktiota ja pitkäaikaista sopeutumista ei pidä automaattisesti pitää samana prosessina.

Hormonien hajoaminen lyhentää altistumisaikaa

Peptidihormonit voivat hajoa entsyymien vaikutuksesta, mikä muuttaa niiden molekyylirakennetta ja biologista aktiivisuutta.

Riippuen kyseisestä molekyylistä, sen poistumiseen voivat osallistua myös kudosten, munuaisten ja maksan kautta tapahtuva imeytyminen sekä muut eliminaatioprosessit.

GLP-1-tutkimukset osoittivat, että ihmisen seerumissa muodostui N-päästä lyhentynyt metaboliitti, ja ne viittasivat dipeptidylopeptidaasi IV:n (DPP-IV) osallisuuteen tässä reaktiossa. Tutkijat pystyivät myös erottamaan ehjän peptidin sen metaboliiteista ihmisiltä otetuissa näytteissä. [14]

Tämä ero on tärkeä, koska ehjän hormonin pitoisuuden lasku ja siihen liittyvien peptidifragmenttien esiintyminen eivät ole sama asia.

Samoin erillisessä plasmakokeessa mitattua peptidin stabiilisuutta ei pidä automaattisesti rinnastaa sen kokonaisvaikutusaikaan elävässä organismissa.

Havaittu aikakäyrä voi riippua lääkeaineen erittymisestä, jakautumisesta, verenkierrosta, kudosten sitoutumisesta, entsymaattisesta hajoamisesta ja poistumisesta.

Matkapuhelin myös katkaisee oman vastauksensa

Signaalin päättyminen ei riipu pelkästään hormonin poistumisesta verenkierrosta.

Soluilla on useita mekanismeja, jotka vähentävät solunsisäistä signalointia.

Esimerkiksi:

• G-proteiinit voivat palata inaktiiviseen tilaan;
• sykliset nukleotidit voivat hajoaa;
• proteiinifosfataasit voivat poistaa fosfaattiryhmiä;
• solunsisäisen kalsiumin pitoisuus ja jakautuminen voivat palata lepotilan arvoihin;
• signaaliproteiinien toiminta voi estyä;
• reseptorit voivat menettää herkkyytensä;
• reseptorit voivat siirtyä muihin solun osastoihin.

Nämä mekanismit tarjoavat lukuisia tarkastuspisteitä.

Hormoni voi edelleen olla läsnä, vaikka solu muuttuu vähemmän herkäksi sen vaikutukselle.

Toisaalta jotkut solunsisäiset vaikutukset voivat jatkua jonkin aikaa sen jälkeen, kun hormonin pitoisuus solun ulkopuolella on laskenut.

Yhden reitin osan mittaaminen ei siis riitä koko opasteverkoston kunnon määrittämiseen.

Desensitisaatio muuttaa reseptorin herkkyyttä

Desensitisaatio tarkoittaa elimistön reaktion heikkenemistä jatkuvan tai toistuvan ärsykkeen vaikutuksesta.

Reseptorin tyypistä riippuen mekanismit voivat sisältää seuraavia:

• reseptorin fosforylaatio;
• defosforylaatio;
• signaalikumppaneiden kytkennän muuttaminen;
• reseptorin internalisaatio;
• reseptorien lukumäärän muutos;
• signaloinnin myöhemmissä vaiheissa mukana olevien proteiinien muutokset.

ANP:n guanylaattisyklaasi A -reseptoria koskevassa tutkimuksessa kuvattiin monimutkainen fosforylaatio- ja defosforylaatiomalli, joka liittyy vasteen heikkenemiseen. [15]

Tulokset eivät tukeneet yksinkertaista mallia, jossa jokainen fosforylaatio aktivoi reseptorin ja jokainen defosforylaatio sammuttaa sen.

Myöskään reseptorin internalisaatiota ei pidä automaattisesti rinnastaa signaalin täydelliseen päättymiseen.

Seuraukset riippuvat reseptorin tyypistä, sen kohdepaikasta solun sisällä, uudelleenkäytettävyydestä, hajoamisesta sekä siitä, voidaanko signalointi jatkaa solunsisäisistä osastoista.

Mitä hormonimittaus paljastaa ja mitä se ei paljasta?

Mitattu hormonipitoisuus voi johtua useista samanaikaisesti tapahtuvista prosesseista:

tuotanto + jalostus + erottelu + jakelu − hajoaminen − talteenotto − poistaminen.

Analyyttisellä menetelmällä voidaan myös havaita:

• muuttumaton hormoni;
• esiasteiset molekyylit;
• metaboliitit;
• halkeamisen seurauksena syntyneet palaset;
• muutama toisiinsa liittyvä molekyylimuoto.

Se, mitkä muodot havaitaan, riippuu testin rakenteesta.

GLP-1:n hajoamista koskevassa tutkimuksessa tätä ongelmaa analysoitiin yhdistämällä kromatografinen erottelu immunologisiin testeihin ja metaboliitin rakenteelliseen tunnistamiseen. [14]

Tämä ero oli merkittävä, koska kokonaisimmunoreaktiivisuutta kuvaava tulos ei välttämättä vastannut pelkästään ehjän, biologisesti merkittävän peptidin mittaustulosta.

Hormonin pitoisuus, sitoutuminen reseptoriin, välittäjäaineen tuotanto, geenien ilmentyminen ja fysiologinen toiminta ovat siis erillisiä mittaustyyppejä.

Näiden tasojen yhdistämällä voidaan luoda huomattavasti vahvempi mekanistinen selitys kuin käsittelemällä yhtä tulosta koko hormonaalisen järjestelmän edustajana.

Usein kysytyt kysymykset

1. Tunkeutuvatko peptidihormonit soluihin?

Suurin osa peptidihormoneista käynnistää signalointiprosessin sitoutumalla solun pinnalla oleviin reseptoreihin sen sijaan, että ne tunkeutuisivat vapaasti solukalvon läpi sytoplasmaan. Myöhempi reseptoriin liittyvä internalisaatio voi kuitenkin johtaa hormoni-reseptori-kompleksien tai niihin liittyvien reseptorijärjestelmien siirtymiseen solukalvon ympäröimiin solunsisäisiin tiloihin. ANP-reseptoria koskevissa tutkimuksissa on havaittu reseptorin siirtyminen samalla, kun cGMP:n tuotanto on säilynyt tietyssä solumallissa. Tämä ei tarkoita hormonin vapaata kulkeutumista solukalvon läpi eikä osoita, että jokainen peptidihormoni käyttäisi samaa mekanismia. Alustava tunnistaminen solun pinnalla ja sitä seuraava reseptoriin liittyvä internalisaatio ovat erillisiä signaloinnin vaiheita. [12]

2. Ovatko kaikki peptidit hormoneja?

Ei. Peptidi määritellään ensisijaisesti sen aminohappopohjaisen molekyylirakenteen perusteella, kun taas hormoni määritellään sen roolin perusteella fysiologisessa viestinnässä. Hormonaalisen toiminnan vahvistaminen edellyttää tietoja tuotannosta, säännellystä vapautumisesta, reagoivista kudoksista, reseptoritoiminnasta sekä biologisesta vasteesta. Varhaiset GLP-1-tutkimukset ihmisillä osoittavat, kuinka erilaiset todisteet voivat yhdessä vahvistaa hormonaalisen roolin. Monet muut peptidit ovat proteiinifragmentteja, aineenvaihduntamolekyylejä, rakenteellisia komponentteja tai niillä on tehtäviä, jotka eivät liity hormonijärjestelmään. Pelkästään peptidisidosten läsnäolo ei siis riitä molekyylin luokittelemiseen hormoniksi. [1]

3. Mitä tapahtuu ensimmäiseksi, kun peptidihormoni saavuttaa kohdesolun?

Yleensä hormoni sitoutuu ensin vastaavaan reseptoriin, joka sijaitsee solun pinnalla tai on suoraan kiinnittynyt soluun. Sitoutuminen muuttaa reseptorin aktiivisuutta tai konformaatiota ja käynnistää solunsisäisen signalointiprosessin. Jatkokehitys riippuu reseptorin luokasta. Insuliinireseptorin osalta tutkimuksissa sen aktivaatio on yhdistetty tyrosiinifosforylaatioon ja kinaasiaktiivisuuteen. Nämä tulokset koskevat yhtä tiettyä reseptorijärjestelmää, eivätkä kaikkia peptidihormoneja. Oikean reseptorin tunnistaminen on siis yksi ensimmäisistä vaiheista, joita tarvitaan tietyn solun vasteen ymmärtämiseksi. [3]

4. Miten peptidihormonit vaikuttavat kohdesoluihin?

Peptidihormonit vaikuttavat soluihin reseptorien käynnistämien signalointireittien kautta. Ne voivat muuttaa entsyymien aktiivisuutta, kalvokuljetusta, ionitasapainoa, eritystä, aineenvaihduntaa, proteiinien fosforylaatiota ja geenien ilmentymistä. Rotan haimasaarekesolulinjassa GLP-1 vaikutti cAMP-pitoisuuteen, insuliiniin liittyvään mRNA:han sekä insuliinin vapautumiseen. Tämä koe osoittaa yhden peptidisignaalin vaikutuksen soluun useilla tasoilla, mutta se ei tarkoita, että jokainen kudos reagoisi samalla tavalla. Lopullinen vaikutus riippuu kyseisestä hormonista, reseptorista, solunsisäisistä mekanismeista, solun tilasta sekä kokeellisesta tai fysiologisesta kontekstista. [11]

5. Miksi jotkut solut reagoivat hormoniin, toiset taas eivät?

Solulla on yleensä oltava asianmukainen toimiva reseptori sekä signaalinvälitysmekanismit, joita tarvitaan vastaanotetun signaalin käsittelyyn. Pelkkä hormonin läsnäolo ei siis takaa vastetta. Merkitystä on reseptorien lukumäärällä, niiden rakenteella, sijainnilla, kytkentäproteiineilla sekä solun aikaisemmalla stimulaatiolla. Natriureettisten peptidien reseptoreiden mutaatiotutkimukset ovat osoittaneet, että muutokset säätelyalueella voivat häiritä hormonista riippuvaa normaalia aktivaatiota. Vaikka kyseessä olivat kokeelliset tutkimukset, ne osoittavat hyvin, miksi hormonin läsnäolon lisäksi myös reseptorin rakenne ja solukonteksti ovat tärkeitä. [6]

6. Miten preprohormoni eroaa prohormonista?

Preprohormoni sisältää signaalisekvenssin, joka yleensä auttaa ohjaamaan vastasyntetisoidun molekyylin erittymisreittiin. Tämän sekvenssin poistaminen johtaa yleensä prohormonin muodostumiseen, joka voi sen jälkeen käydä läpi seuraavia pilkkoutumis- ja modifiointivaiheita, jotka johtavat yhden tai useamman kypsän tuotteen muodostumiseen. Proglukagonia koskevat tutkimukset osoittavat, että lopputuotteet voivat riippua voimakkaasti kudoksesta ja siinä läsnä olevista prosessoivista entsyymeistä. Preprohormoni, prohormoni, välivaihe ja kypsä hormoni tarkoittavat siis erilaisia molekyylitason vaiheita, eivätkä ne ole saman aineen keskenään vaihdettavia nimityksiä. [7] [8]

7. Voiko yksi esiaste johtaa erilaisten hormonien muodostumiseen?

Kyllä. Eri solut voivat muuntaa saman esiasteen erilaisiksi tuotteiksi, koska niillä on erilaiset entsymaattiset mekanismit. Ihmisen proglukagonia koskevissa tutkimuksissa havaittiin erilaisia tuotemalleja haimassa ja suolistossa, ja myöhemmissä kokeissa analysoitiin PC2:n ja PC3:n osuutta niiden muodostumisessa. Tulokset eivät tarkoita, että identtinen prosessointi tapahtuisi jokaisessa lajissa, kudoksessa tai fysiologisessa tilassa. Ne osoittavat kuitenkin yleisen periaatteen: sekä esiasteen sekvenssi että solun entsymaattinen ympäristö vaikuttavat siihen, mitkä kypsät peptidituotteet lopulta muodostuvat. [7] [8]

8. Miksi monet peptidihormonit varastoituvat granuloomiin?

Erityskappaleet muodostavat valmiin hormonivaraston, joka voidaan vapauttaa sopivan fysiologisen signaalin ilmaantuessa. Tämän ansiosta eritys voi kasvaa nopeasti ilman, että jokaista molekyyliä tarvitsee syntetisoida alusta alkaen juuri sillä hetkellä. Rakeita säädellään aktiivisesti, ja niiden eri varastot voivat erota toisistaan vapautumisvalmiuden suhteen. Ihmisen beetasoluilla tehdyt kokeet ovat osoittaneet, että Munc18c osallistuu insuliinin vapautumiseen eri rakeiden varastoista. Tämä mekanismi ei selitä kaikkien endokriinisten solujen toimintaa, mutta se osoittaa, kuinka erikoistunut eksosytoottinen koneisto yhdistää varastoinnin hallittuun eritykseen. [9]

9. Käyttävätkö kaikki peptidihormonit cAMP:tä?

Ei. cAMP on tärkeä sekundaarinen välittäjäaine tietyille peptidihormonireseptoreille, mutta koko ryhmä käyttää monia erilaisia reseptorijärjestelmiä. Insuliini vaikuttaa tyrosiinikinaasireseptorin kautta, kun taas ANP aktivoi cGMP:n tuotantoon liittyvän reseptorin. Muut peptidihormonit voivat käyttää erilaisia GPCR-signaalireittejä, mukaan lukien solunsisäiseen kalsiumiin vaikuttavat järjestelmät. Insuliini- ja ANP-reseptoreita koskevat tutkimukset osoittavat, miksi peptidihormonien signalointia ei voida rajoittaa yhteen ainoaan cAMP-reittiin. Ennen mekanismin kuvaamista on siis määriteltävä kyseinen hormoni ja sen reseptori. [3] [6]

10. Voivatko peptidihormonit muuttaa geenien ilmentymistä?

Kyllä. Solun pinnalla alkava signaali voi välittyä peräkkäisten solunsisäisten reittien kautta ja vaikuttaa lopulta transkriptioon. GLP-1:tä koskevissa tutkimuksissa rotan viljellyissä soluissa havaittiin muutoksia insuliinin mRNA:ssa, kun taas GnRH-impulssikokeissa rotilla havaittiin muutoksia gonadotropiinien alayksiköiden transkriptiossa. Nämä tulokset koskevat tiettyjä malleja eivätkä tarkoita, että jokainen vaste peptidihormoniin edellyttäisi uutta geenien ilmentymistä. Ne osoittavat kuitenkin, että solukalvoreseptorista alkava signalointi voi vaikuttaa sekä nopeisiin biokemiallisiin prosesseihin että pitkällä aikavälillä tapahtuvaan transkription säätelyyn. [5] [11]

11. Vaikuttavatko peptidihormonit aina nopeammin kuin steroidihormonit?

Ei. Vasteen nopeus riippuu reseptorista, signalointireitistä, tutkittavasta biologisesta vaikutuksesta ja mittauksen suorittamisajankohdasta. Peptidihormonit voivat muuttaa nopeasti olemassa olevien proteiinien aktiivisuutta, mutta ne voivat myös vaikuttaa geenien ilmentymiseen ja aiheuttaa myöhempiä vasteita. Endokrinologisessa kirjallisuudessa puolestaan kuvataan steroidien nopeita vaikutuksia, jotka eivät vaadi uutta proteiinisynteesiä. Tässä artikkelissa käytetty steroideja koskeva lähde on katsaus, ei yksittäinen ratkaiseva koe. Luotettavampi erottelu perustuu molekyylien kemiallisiin ominaisuuksiin ja reseptorimekanismeihin kuin yksinkertaiseen jaotteluun „nopeisiin peptideihin” ja „hitaisiin steroideihin”. [11] [13]

12. Miksi hormonipulssien taajuudella on merkitystä?

Solut voivat reagoida eri tavoin toistuviin impulsseihin, erilaisiin impulssitaajuuksiin ja jatkuvaan altistumiseen, vaikka kyseessä olisi joka kerta sama hormoni. GnRH-puutteisilla rotilla pulssitaajuuden muutos vaikutti gonadotropiinien alayksiköiden transkriptiomalleihin aivolisäkkeessä sekä paikallisiin säätelyvasteisiin. Nämä kokeet vahvistavat ajan merkityksen tässä biologisessa mallissa, mutta ne eivät määritä hormonin antotapaa ihmisille. Hormonaalinen informaatio voi siis olla koodattu paitsi molekyylipitoisuuden kautta myös sen aikakuvion kautta, jonka aikana kohdesolut altistuvat sen vaikutukselle. [5]

13. Mikä on negatiivinen takaisinkytkentä peptidihormonien säätelyssä?

Negatiivinen takaisinkytkentä tapahtuu silloin, kun tietyn reitin vaikutukset vähentävät ärsykettä, joka johtaa hormonin jatkotuotantoon tai hormonaalisen järjestelmän aikaisempien osien aktiivisuuteen. Esimerkkinä voidaan mainita kalsiumin säätely: terveillä miehillä tehdyssä kontrolloidussa tutkimuksessa kalsiumin saatavuuden lisääntyminen liittyi PTH-pitoisuuden laskuun. Tämä koe ei kuvaa kaikkia sairaustiloja eikä pitkäaikaista sopeutumista, mutta se osoittaa, kuinka säännelty parametri voi välittää palautetietoa endokriiniseen järjestelmään. Takaisinkytkentä voi koskea eritystä, geenien ilmentymistä, reseptorien herkkyyttä, muiden hormonien vaikutusta ja monia muita säätelytasoja. [4]

14. Miten peptidihormonin signaali sammutetaan?

Useat mekanismit voivat toimia samanaikaisesti. Solun ulkopuolella oleva hormoni voi hajoa entsymaattisesti, imeytyä kudoksiin tai poistua verenkierrosta. Reseptorit voivat tulla vähemmän herkiksi tai siirtyä solun eri osien välillä, kun taas välittäjäaineet voivat hajoaa ja proteiinien fosforylaatio kääntyä päinvastaiseksi. GLP-1-tutkimuksissa on tunnistettu entsymaattisesti muodostuva metaboliitti, kun taas ANP-reseptoria koskevissa tutkimuksissa desensitisaatio on yhdistetty sen fosforylaation muutoksiin. Mikään näistä mekanismeista ei ole yleispätevä kaikille hormoneille. Signaalin päättymistä onkin parasta ymmärtää sekä solunulkoisen välittäjäaineen että siihen reagoivan solun koordinoituna säätelynä. [14] [15]

15. Mitä reseptorin desensitisaatio tarkoittaa?

Desensitisaatio tarkoittaa, että reseptorijärjestelmä alkaa tuottaa heikompaa vastetta jatkuvan tai toistuvan stimulaation aikana. Reseptorista riippuen tämä voi johtua fosforylaatiomuutoksista, vuorovaikutuksesta signalointiproteiinien kanssa, reseptorin siirtymisestä, reseptorien lukumäärän muutoksesta tai signaalireitin muiden osien sopeutumisesta. ANP-reseptoria koskevissa kokeissa vasteen heikkeneminen on liitetty tiettyyn fosforylaatiomuutosten malliin. Tämä ei tarkoita, että jokainen reseptori desensitisoituu samalla tavalla tai että heikentynyt vaste merkitsisi reseptorin tuhoutumista. Desensitisaatio on toiminnallinen muutos, jonka mekanismi on määritettävä erikseen kunkin järjestelmän osalta. [15]

16. Tarkoittaako hormonin korkeampi pitoisuus aina voimakkaampaa vaikutusta?

Ei. Hormonin pitoisuus on vain yksi biologiseen vasteeseen vaikuttavista tekijöistä. Merkitystä on myös reseptorien lukumäärällä, niiden sitoutumisasteella, solunsisäisen signalointijärjestelmän kapasiteetilla, takaisinkytkennällä, aiemmalla altistuksella, desensitisoitumisella sekä kohdesolun senhetkisellä fysiologisella tilalla. ANP-reseptorin desensitisaatioita koskevat kokeet osoittavat, että herkkyys voi heikentyä huolimatta jatkuvasta altistumisesta aktivoivalle hormonille. Tällaisten kokeellisten tietojen perusteella ei voida ennustaa yksilöllistä hormonaalista vastetta yhden pitoisuusmittauksen perusteella. Hormonipitoisuus ja biologinen vaste ovat yhteydessä toisiinsa, mutta ne eivät ole sama asia. [15]

17. Voiko hormonitesti havaita inaktiivisia tai muuttuneita osia?

Kyllä, riippuen siitä, minkä molekyylin osan käytetty menetelmä tunnistaa. GLP-1-tutkimukset ovat osoittaneet, miksi ehjän hormonin erottaminen N-päästä lyhentyneistä metaboliiteista on tärkeää immunologisten testitulosten tulkinnassa. Molempia muotoja tunnistava testi voi antaa vastauksen eri kysymykseen kuin menetelmä, joka on suunniteltu yksinomaan ehjän peptidin havaitsemiseen. Rajoitus riippuu siis käytetystä analyysimenetelmästä. Ennen tuloksen tulkintaa aktiivisen hormonin pitoisuutena on selvitettävä, mitkä molekyylimuodot todellisuudessa havaitaan. [14]

18. Ovatko peptidihormonit ja proteiinihormonit täysin eri luokkia?

Ei välttämättä. Terminologia on osittain päällekkäistä, koska molemmat ryhmät koostuvat aminohappoketjuista, eikä ole olemassa yleisesti hyväksyttyä pituusrajaa, joka erottaisi kaikki peptidihormonit kaikista proteiinihormoneista. Sana „hormoni” viittaa signaalin välittäjän rooliin, kun taas termit „peptidi” ja „proteiini” viittaavat molekyylirakenteeseen ja kokoon. Käytännössä suurempia, aminohapporakenteisia hormoneja kutsutaan useammin proteiinihormoneiksi ja lyhyempiä peptidihormoneiksi. Kategorian tarkka nimi on kuitenkin vähemmän informatiivinen kuin tietyn molekyylin, sen kypsän rakenteen, reseptorin ja kokeellisesti vahvistetun toiminnan tunnistaminen.

19. Voiko sama peptidihormoni toimia eri tavoin eri kudoksissa?

Kyllä. Hormonin vaikutus riippuu paitsi siitä, tunnistaako reseptori sen, myös kohdesolun sisällä käytettävissä olevista molekyylimekanismeista. Eri kudokset voivat erota toisistaan reseptorien lukumäärän, signaaliproteiinien, entsyymien, kuljettajaproteiinien, transkriptiotekijöiden ja säätelyproteiinien suhteen. Tämän seurauksena saman reseptorin aktivoituminen ei välttämättä johda identtiseen fysiologiseen vaikutukseen jokaisessa soluympäristössä. Siksi hormonaalista signalointia on parasta ymmärtää vuorovaikutuksena tietyn solunulkoisen signaalin ja tietyn, siihen reagoimiskykyisen solun välillä, eikä kiinteänä vaikutuksena, joka olisi koodattu yksinomaan itse hormonimolekyyliin.

20. Riittääkö toissijaisen välittäjäaineen mittaus fysiologisen vaikutuksen vahvistamiseen?

Ei. Muutos cAMP:n, cGMP:n, kalsiumin pitoisuudessa, fosforylaatioasteessa tai muussa solunsisäisessä signaalissa osoittaa, että tietty reitin osa on reagoinut, mutta se ei automaattisesti vahvista täydellistä vaikutusta kudos- tai koko elimistötasolla. GLP-1-tutkimuksessa solujen cAMP-muutokset liitettiin lisäpäätepisteisiin, kun taas insuliini- ja ANP-reseptoreita koskevissa tutkimuksissa analysoitiin muita tiettyjä biokemiallisia vaiheita. [3] [6] [11] Vankka mekanistinen selitys tulisi erottaa toisistaan reseptorin aktivaation, solunsisäisen signalointijärjestelmän, solun toiminnan, kudosvasteen ja koko elimistön fysiologian sen sijaan, että yksittäistä mittaustulosta pidettäisiin todisteena kaikista näistä tasoista.

Peptidihormoneja koskevien tutkimusten tulkinnan rajoitukset

Siirryttäessä hormonaalisen signalointijärjestelmän perusmekanismeista laajempiin biologisiin johtopäätöksiin on syytä muistaa muutamia rajoituksia.

Ensinnäkin peptidihormonit eivät muodosta yhtä toiminnallisesti yhtenäistä ryhmää. Insuliini, GLP-1, vasopressiini, PTH, GnRH ja ANP kuuluvat laajaan aminohappopohjaisten hormonien luokkaan, mutta ne vaikuttavat eri reseptoreiden kautta ja osallistuvat erilaisiin fysiologisiin järjestelmiin. [1] [2] [3] [4] [5] [6]

Toiseksi esiasteen havaitseminen ei välttämättä tarkoita kypsän hormonin havaitsemista. Kudoksesta riippuva aineenvaihdunta voi johtaa saman esiasteen muuttumiseen erilaisiksi tuotteiksi, mistä esimerkkinä ovat proglukagonia koskevat tutkimukset. [7] [8]

Kolmanneksi synteesi ja erittyminen ovat erillisiä prosesseja. Hormonin lisääntynyt vapautuminen ei välttämättä tarkoita, että sen esiasteen koodaavan geenin transkriptio lisääntyisi samassa määrin ja samanaikaisesti. [10]

Neljänneksi, reseptoriin sitoutuminen ei tarkoita välttämättä täydellistä fysiologista vastetta. Signaalinvälitys käsittää useita molekyylitasoja, ja eri solut voivat muuntaa saman reseptorin aktivoitumisen erilaisiksi vasteiksi.

Viidenneksi: soluviljelmillä ja puhdistetuilla reseptoreilla tehdyt tutkimukset eivät jäljittele koko elimistöä. Ne voivat tarjota tärkeää tietoa molekyylimekanismeista, mutta johtopäätökset tulisi rajoittaa käytettyyn kokeelliseen järjestelmään. [3] [6] [11] [12]

Kuudenneksi, ajalla on merkitystä. Ajoittainen ja jatkuva altistuminen hormonille voivat johtaa erilaisiin reaktioihin, eikä yksittäinen verimittaus välttämättä kuvaa erittymisen koko rytmiä. [5]

Seitsemänneksi hormonitestit eroavat toisistaan molekyylikohtaisen spesifisyyden suhteen. Jotkin menetelmät voivat havaita aineenvaihduntatuotteita, esiasteeseen sitoutuneita molekyylejä tai useita muotoja samanaikaisesti, ehjän hormonin lisäksi. [14]

Kahdeksanneksi, reseptorin internalisaatio ei välttämättä tarkoita signaloinnin välitöntä päättymistä, sillä reseptorin kuljetus ja signaalin välittyminen voivat tietyissä olosuhteissa tapahtua samanaikaisesti. [12]

Yhdeksänneksi, desensitisaatio on reseptorikohtaista. Yhdelle reseptorille tunnistettuja mekanismeja ei pidä automaattisesti yleistää koskemaan kaikkia peptidihormonien reseptoreita. [15]

Lopuksi on todettava, että kemiallinen luokittelu ei todista lääketieteellistä vaikutusta, hyötyjä tai terapeuttista käyttökelpoisuutta. Yhtä tiettyä hormonia ja yhtä kokeellista järjestelmää koskevia todisteita ei pidä yleistää muihin, niihin liittymättömiin peptideihin pelkästään sen vuoksi, että niilläkin on aminohapporakenne.

Yhteenveto

Peptidihormonit ovat aminohapoista koostuvia signaalimolekyylejä, jotka mahdollistavat solujen ja kudosten välisen viestinnän monissa fysiologisissa järjestelmissä.

Niiden biologia on huomattavasti monimutkaisempaa kuin pelkkä toteamus, että peptidi sitoutuu reseptoriin.

Monet peptidihormonit syntyvät aluksi suurempina esiasteina, käyvät sen jälkeen läpi kudoskohtaisia prosessointivaiheita, pakataan eritysrakeisiin ja vapautuvat vasteena säännellyille fysiologisille signaaleille. Proglukagonin prosessointia ja insuliinirakeiden eksosytoosia koskevat tutkimukset osoittavat, kuinka esiasteiden prosessointi- ja erittymismekanismit vaikuttavat siihen, mikä hormoni päätyy solunulkoiseen ympäristöön ja milloin se vapautuu. [7] [8] [9]

Vapautuessaan peptidihormonit aloittavat yleensä signalointiprosessin solujen pinnalla sijaitsevien reseptorien kautta, mutta nämä reseptorit kuuluvat useisiin eri molekyyliluokkiin.

Jotkut hormonit käyttävät GPCR-reseptoreita ja välittäjäaineita, kuten cAMP:ta tai kalsiumiin liittyviä reittejä.

Insuliini käyttää tyrosiinikinaasia, johon se sitoutuu.

ANP vaikuttaa cGMP:n tuotantoon liittyvän reseptorin kautta.

Nämä esimerkit osoittavat, ettei ole olemassa yhtä ainoaa, kaikille peptidihormoneille yhteistä solunsisäistä reittiä. [3] [6] [11]

Soluvaste voi myös kehittyä eri aikaskaaloilla.

Signalointi voi nopeasti muokata olemassa olevia proteiineja, vaikuttaa niiden eritykseen tai kuljetukseen ja johtaa tämän seurauksena muutoksiin geenien transkriptiossa. Aikakuvioinnit, kuten hormonien pulsoiva eritys, voivat sinänsä välittää biologisesti merkittävää tietoa. [5] [11]

Myös hormonien välittämää signaalinvälitystä rajoitetaan aktiivisesti.

Hormonin hajoaminen, kudosten kautta tapahtuva poistuminen, solunsisäisten signaalien kumoaminen, reseptorien siirtyminen, desensitisaatio ja negatiivinen takaisinkytkentä auttavat yhdessä säätelemään vasteen voimakkuutta ja kestoa. [4] [12] [14] [15]

Tärkeimmän periaatteen voi siis tiivistää seuraavasti:

Biologisen peptidihormonin vaikutusta ei voida ennustaa pelkästään sen perusteella, että se on peptidi. Sen toiminta johtuu koko signalointijärjestelmästä: siitä, millainen molekyylimuoto muodostuu, miten se prosessoidaan ja vapautetaan, mikä reseptori tunnistaa sen, miten kohdesolu tulkitsee reseptorisignaalin, miten altistuminen muuttuu ajan myötä ja miten järjestelmä rajoittaa ja lopulta lopettaa vasteen.

Vastuuvapauslauseke

Tämä artikkeli on luonteeltaan puhtaasti koulutuksellinen ja tieteellis-tiedottava. Siinä selitetään peptidihormonien biologiaa, esiasteiden prosessointia, eritystä, reseptorisignalointia, takaisinkytkentämekanismeja, hajoamista sekä esimerkkejä julkaistuista tutkimuksista. Se ei ole lääketieteellistä neuvontaa, diagnostista ohjeistusta, hoitosuositusta, annostelutietoa, antamisohjeita eikä suosituksia peptidihormonien tai niihin liittyvien aineiden käytöstä. Biokemiallisten, solutason, eläinkokeiden ja ihmiskokeiden tuloksia on tulkittava kunkin tutkimuksen kontekstin, olosuhteiden, tutkittavan populaation ja tutkimusten rajoitusten valossa.

Viitteet

1. Kreymann, B., Williams, G., Ghatei, M. A., & Bloom, S. R. (1987). Glukagonin kaltainen peptidi-1 7-36: fysiologinen inkretiini ihmisellä. The Lancet, 2(8571), 1300–1304. https://doi.org/10.1016/s0140-6736(87)91194-9
2. Elliot, S., Goldsmith, P., Knepper, M., Haughey, M., & Olson, B. (1996). Aquaporin-2:n erittyminen virtsaan ihmisillä: mahdollinen merkki keräyskanavien reagoivuudesta vasopressiiniin. Journal of the American Society of Nephrology, 7(3), 403–409. https://doi.org/10.1681/ASN.V73403
3. Kwok, Y. C., Nemenoff, R. A., Powers, A. C., & Avruch, J. (1986). Insuliinireseptorin tyrosiiniproteiinikinaasin kineettiset ominaisuudet: aktivaatio insuliinin stimuloiman tyrosiinispesifisen, molekyylinsisäisen autofosforylaation kautta. Archives of Biochemistry and Biophysics, 244(1), 102–113. https://doi.org/10.1016/0003-9861(86)90098-6
4. Ortolani, S., Scotti, A., & Cherubini, R. (2003). Luun resorption ja lisäkilpirauhashormonin erityksen nopea vaimentuminen terveillä aikuisilla miehillä akuutin suun kautta otetun kalsiumin annostelun seurauksena. Journal of Endocrinological Investigation, 26(4), 353–358. https://doi.org/10.1007/BF03345184
5. Burger, L. L., Dalkin, A. C., Aylor, K. W., Haisenleder, D. J., & Marshall, J. C. (2002). GnRH-pulssitaajuuden modulaatio gonadotropiinin alayksikköjen geenien transkriptiossa normaaleissa gonadotroopeissa – primaaritranskriptianalyysin avulla tehty arvio tukee GnRH:n ja follistatiinin roolia. Endocrinology, 143(9), 3243–3249. https://doi.org/10.1210/en.2002-220216
6. Koller, K. J., de Sauvage, F. J., Lowe, D. G., & Goeddel, D. V. (1992). Kinaasimaisen säätelyalueen säilyminen on välttämätöntä natriureettisen peptidireseptorin guanyylisyklaasien aktivoitumiselle. Molekyyli- ja solubiologia, 12(6), 2581–2590. https://doi.org/10.1128/mcb.12.6.2581-2590.1992
7. Orskov, C., Holst, J. J., Poulsen, S. S., & Kirkegaard, P. (1987). Proglukagonin prosessointi haimassa ja suolistossa ihmisellä. Diabetologia, 30(11), 874–881. https://doi.org/10.1007/BF00274797
8. Rouillé, Y., Martin, S., & Steiner, D. F. (1995). Proglukagonin erilainen prosessointi subtilisiinin kaltaisilla prohormonikonvertaaseilla PC2 ja PC3, jolloin syntyy joko glukagonia tai glukagonin kaltaista peptidiä. Journal of Biological Chemistry, 270(44), 26488–26496. https://doi.org/10.1074/jbc.270.44.26488
9. Zhu, D., Xie, L., Karimian, N., Liang, T., Kang, Y., Huang, Y. C., & Gaisano, H. Y. (2015). Munc18c välittää telakoituneiden ja vasta saapuneiden insuliinirakeiden eksosytoosia, mikä on perustana kaksivaiheiselle glukoosin stimuloimalle insuliinin eritykselle ihmisen haiman beetasoluissa. Molecular Metabolism, 4(5), 418–426. https://doi.org/10.1016/j.molmet.2015.02.004
10. Tanimura, S. M., Sanchez-Watts, G., & Watts, A. G. (1998). Peptidigeenien aktivaatio, eritys ja steroidien takaisinkytkentä rotan neuroendokriinisten kortikotropiinia vapauttavien hormonien neuronien stimulaation aikana. Endocrinology, 139(9), 3822–3829. https://doi.org/10.1210/endo.139.9.6191
11. Drucker, D. J., Philippe, J., Mojsov, S., Chick, W. L., & Habener, J. F. (1987). Glukagonin kaltainen peptidi I stimuloi insuliinigeenin ilmentymistä ja nostaa syklisen AMP:n pitoisuutta rotan saarekesolulinjassa. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 84(10), 3434–3438. https://doi.org/10.1073/pnas.84.10.3434
12. Mani, I., Garg, R., Tripathi, S., & Pandey, K. N. (2015). Guanyylisyklaasin/natriureettisen peptidireseptori-A:n solunsisäinen kuljetus ja samanaikainen solunsisäisen cGMP:n muodostuminen. Bioscience Reports, 35(5), artikla e00260. https://doi.org/10.1042/BSR20150136
13. Watson, C. S. (1999). Peptiidi- ja steroidihormonien yhteiset signalointiteemat plasmamembraanissa. Science-lehden STKE, 1999(12), PE1. https://doi.org/10.1126/stke.1999.12.pe1
14. Deacon, C. F., Johnsen, A. H., & Holst, J. J. (1995). Glukagonin kaltaisen peptidin-1 hajoaminen ihmisen plasmassa in vitro tuottaa N-terminaalista katkaistun peptidin, joka on tärkeä endogeeninen metaboliitti in vivo. The Journal of Clinical Endocrinology & Metabolism, 80(3), 952–957. https://doi.org/10.1210/jcem.80.3.7883856
15. Schröter, J., Zahedi, R. P., Hartmann, M., Gassner, B., Gazinski, A., Waschke, J., Sickmann, A., & Kuhn, M. (2010). Eteisnatriureettisen peptidin reseptorin, guanylyylisyklaasi A:n, homologinen desensitisaatio liittyy monimutkaiseen fosforylaatiomallin. The FEBS Journal, 277(11), 2440–2453. https://doi.org/10.1111/j.1742-4658.2010.07658.x