Peptidhormoner: receptorer, signalering och biologiska funktioner

Peptidhormoner är kemiska budbärare som är uppbyggda av aminosyrakedjor. Specialiserade celler producerar dem, bearbetar dem ofta från större prekursormolekyler, frigör dem som svar på specifika fysiologiska signaler och använder dem sedan för att koordinera aktiviteten hos andra celler och vävnader.

Deras handling beror dock inte på själva det faktum att de är peptider. Det biologiska svaret beror främst på om cellen i fråga har lämplig receptor och en intracellulär signalmekanism som gör det möjligt att tolka den mottagna signalen.

Insulin, glukagon, glukagonliknande peptid-1 (GLP-1), vasopressin, paratyroidhormon (PTH), gonadotropinfrisättande hormon (GnRH) och atriell natriuretisk peptid (ANP) tillhör denna breda grupp. De deltar dock i mycket olika fysiologiska system.

Termen „peptidhormon” beskriver därför en kemisk kategori och en biologisk kommunikationsmetod, snarare än en gemensam effekt.

Till exempel rörde GLP-1-studier på människor kommunikationen mellan matsmältningskanalen och insulinsekretionen, medan studier av vattenkanaler som reagerar på vasopressin fokuserade på njurarnas reglering av vattenbalansen. Dessa är skilda fysiologiska system som använder andra receptorer, målvävnader och svarsmekanismer. [1] [2]

Verkan av ett peptidhormon kan enklast förstås genom att följa hela processen från början till slut:

syntes av prekursor → bearbetning av molekyl → lagring → frisättning → receptorigenkänning → intracellulär signalering → cellrespons → återkoppling och signalavstängning.

Var och en av dessa faser kan påverka det slutliga biologiska svaret.

Det här tillvägagångssättet gör det också möjligt att undvika ett viktigt missförstånd. Att upptäcka en peptid, observera dess bindning till en receptor, mäta en sekundär budbärare och påvisa en fysiologisk respons hos hela organismen är olika nivåer av bevis. En fullständig tolkning kräver att man fastställer vilket av dessa steg som faktiskt har undersökts.

Vad är peptidhormoner?

Aminosyrakedja som överför en biologisk signal

Hormonpeptider består av aminosyrarester sammankopplade peptidbindningar.

Vissa är relativt korta kedjor, medan andra är betydligt större molekyler och kan även kallas för proteohormoner.

Inom endokrinologins biologi överlappar dessa kategorier delvis. Terminologin för peptidhormoner omfattar signalmolekyler uppbyggda av aminosyror och kräver inte förekomsten av en enda universell kedjelängdsgräns som skiljer alla peptider från alla proteiner.

Ordet „hormon” beskriver i första hand molekylens signalroll, inte enbart dess kemiska struktur.

I det klassiska endokrina systemet frisätter en cell eller vävnad ett hormon i blodomloppet så att det kan påverka mottagliga celler i andra delar av kroppen.

Den biologiska kommunikationen begränsar sig dock inte enbart till denna mekanism. Besläktade molekyler kan även delta i lokal kommunikation mellan närliggande celler samt i andra former av cellbesked.

Enbart den kemiska strukturen räcker därför inte för att betrakta en viss peptid som ett hormon.

Många peptider är bland annat:

• sekundära metaboliter;
• fragment av större proteiner;
• strukturella komponenter;
• intracellulära reglerande molekyler;
• proteinnedbrytningsprodukter;
• molekyler som fyller andra funktioner som inte är relaterade till det endokrina systemet.

För att bekräfta en hormonell roll behöver forskare vanligtvis bevis som kopplar samman en viss molekyl med dess produktion, reglerade frisättning, målceller och fysiologiska verkan.

Tidig humanforskning om GLP-1 illustrerar detta tillvägagångssätt väl.

Forskare upptäckte GLP-1-relaterat material i tarmen och observerade en ökning av dess koncentration i blodet efter oral tillförsel av glukos eller efter en måltid. I ett litet infusionsförsök påverkade en specifik form av GLP-1 insulin- och glukossvaret. [1]

Sammantaget stödde dessa observationer konceptet om en fysiologisk signaleringsroll för denna molekyl.

Denna studie bör dock inte betraktas som ett bevis som bekräftar varje mekanism, klinisk tillämpning eller senare påstående om GLP-1:s biologi.

Målceller bestäms av sin svarsförmåga

Ett hormon kan passera förbi många celler utan att framkalla samma svar i var och en av dem.

För att en cell ska kunna reagera måste den vanligtvis ha en lämplig receptor och intracellulära molekylära mekanismer som gör det möjligt att bearbeta den signal som uppstår efter dess aktivering.

Receptorerna känner igen specifika egenskaper hos molekyler.

Igenkänningen kan bland annat bero på:

• aminosyren sekvensen;
• rumsliga strukturer;
• lastplacering;
• kemiska modifieringar;
• receptorokonformationens;
• tillgången till lämpliga bindningsytor.

Bara det fakt att en viss molekyl är en peptid betyder därför inte att den kan aktivera en annan peptidhormonreceptor.

Antalet receptorer spelar också roll.

En cell med ett stort antal funktionella receptorer kan reagera annorlunda än en cell som har färre. Svaret kan också påverkas av receptorernas placering, deras modifieringar, proteiner som interagerar med dem och tidigare stimulering.

Till och med två vävnader som har samma receptor kan reagera olika eftersom de skiljer sig åt i sitt intracellulära signalsystem.

Aktivering av receptorn kan bland annat påverka:

• enzymaktivitet;
• jontransport;
• membrankanaler;
• förflyttning av blåsor;
• sekretion;
• ämnesomsättning;
• fosforylering av proteiner;
• gentranskription;
• kombination av flera av dessa processer.

Bindningen till receptorn är alltså en första steg mot att förklara verkningsmekanismen, men inte ett fullständigt svar på frågan om den biologiska effekten.

Hormonpeptider deltar i en mängd olika system

Dessa exempel illustrerar skilda fysiologiska funktioner snarare än gemensamma fördelar som härrör från tillhörigheten till en peptidgrupp.

Studier om insulinreceptorkinasaktivitet, GLP-1-fysiologi, urin-akvaporin-2, kalcium-PTH-svar, GnRH-pulsrhythm och ANP-receptorer analyserar olika element i skilda hormonsystem. [1] [2] [3] [4] [5] [6]

Av denna anledning bör resultaten för ett visst peptidhormon inte automatiskt överföras till ett annat bara för att båda molekylerna tillhör samma breda kemiska kategori.

Hur bildas och utsöndras peptidhormoner?

Många hormoner börjar som större prekursormolekyler

Många peptidhormon syntetiseras initialt som större molekyler som kallas preprohormoner.

Prefixet „pre-” avser vanligtvis en signalssekvens som hjälper till att styra den nybildade molekylen in i cellens utsöndringsväg.

Efter att denna sekvens har avlägsnats kallas den återstående prekursorn vanligtvis för ett prohormon.

Ytterligare bearbetning kan leda till bildandet av det mogna hormonet och i vissa fall till flera biologiskt viktiga produkter.

I den klassiska reglerade utsöndringsvägen transporteras den bildade prekursorn till det endoplasmatiska nätverket, passerar därefter genom Golgiapparaten och leds vidare till lämpliga utsöndringskompartiment.

Beroende på molekylen kan de efterföljande stegen omfatta:

• veckning;
• bildande av disulfidbryggor;
• enzymatisk nedbrytning;
• modifieringar av kedjans ändar;
• andra kemiska modifieringar;
• sortering;
• förpackning efter utsöndringsgrad.

Dessa processer förlöper inte på exakt samma sätt för alla peptidhormoner.

En prekursor kan innehålla flera potentiella peptidprodukter, och olika celltyper kan omvandla samma prekursor på olika sätt.

Den aminosyrasekvens som kodas av genen behöver alltså inte direkt motsvara ett enda moget hormon som finns i blodomloppet.

Bearbetningen av prekursorer påverkar vilket hormon som bildas

Proglukagon är ett särskilt bra exempel eftersom bukspottkörtelns och tarmens vävnader kan producera olika molekylära produkter från samma prekursor.

Vid undersökning av human vävnad användes immunokemiska och kromatografiska metoder för att identifiera olika mönster av glukagonbesläktade molekyler i bukspottkörteln och tunntarmen. [7]

I senare cellsexperiment analyserades medverkan av enzymer som bearbetar PC2 och PC3, varvid PC3 också ofta kallas PC1/3.

Resultaten visade att den enzymatiska miljön starkt påverkade huruvida bearbetningen liknade det mönster som är karakteristiskt för bukspottkörteln eller tarmen. Studien avslöjade också begränsningar med att reproducera alla steg av klyvningen med ett isolerat enzymatiskt system. [8]

Den allmänna principen är viktig:

Prekursorssekvensen bestämmer de möjliga produkterna, medan de bearbetningsmekanismer som finns i en given cell hjälper till att avgöra vilka molekylära former som faktiskt kommer att bildas.

Detta har också betydelse för laboratoriemätningar.

Ett test som känner igen flera former som är kopplade till en enda prekursor kan ge andra resultat än en metod som är särskilt utformad för att detektera ett enda mörkt hormon.

Den angivna koncentrationen bör därför tolkas tillsammans med information om exakt vilka molekylära former som den använda analytiska metoden detekterar.

Sekretoriska granula möjliggör kontrollerad frisättning

Många endokrina celler lagrar bearbetade peptidhormoner i sekretoriska vesiklar.

Vid uppkomsten av ett lämpligt stimuli leder reglerade cellulära mekanismer till att granula fusionerar med cellmembranet.

Deras innehåll friges sedan utanför cellen genom exocytos.

Lagring möjliggör en snabb ökning av frisättningen utan att det är nödvändigt att påbörja syntesen av varje frisatt molekyl från början exakt när ett stimuli uppstår.

Detta betyder dock inte att alla kornstorlekar är lika lätt tillgängliga för omedelbar frisättning.

Celler kan innehålla funktionellt olika pooler av granuler, och långvarig utsöndring kräver fortsatt produktion, bearbetning och återfyllning av förråden.

Frisättningen av hormon är således en aktivt kontrollerad cellulär process snarare än ett passivt läckage av cellens hela innehåll.

Studier av humana Langerhanska öar och betaceller visade att en minskning av det exocytotiska proteinet Munc18c försämrade insulinfrisättningen och förändrade dess frisättning från olika granulatpuler. [9]

Dessa resultat stöder direkt rollen för specialiserade mekanismer för membransammansmältning.

De utgör dock inte en fullständig förklaring av alla molekylära processer som reglerar insulinsekretionen.

Olika hormonesystem reagerar på olika stimuli

Enskilda endokrina celler svarar på olika fysiologiska signaler.

Dessa kan inkludera:

• näringskoncentrationer;
• elektrisk aktivitet;
• neurotransmittorer;
• inre hormoner;
• jony obecne poza komórką;
• osmotiska förhållanden;
• mekaniska ändringar;
• kombinationer av olika regleringsincitament.

Intracellulärt kalcium deltar ofta i fusionen av sekretoriska vesiklar, men processerna som leder till uppkomsten av kalciumsignalen skiljer sig åt mellan celltyper.

I bukspottskörtelns betaceller är till exempel glukosmetabolismen nära kopplad till elektrisk aktivitet, kalciuminflux och frisättning av insulinrekommenderade granuler.

De hypotalamiska neuroendokrina cellerna fungerar å sin sida i komplexa nätverk av neurala, hormonella och fysiologiska signaler.

Det skulle därför inte vara korrekt att framställa en enda detaljerad utsöndringsväg som en universell mekanism för alla peptidhormoner.

Ur ett experimentellt perspektiv är det också viktigt att skilja hormonsyntes från dess utsöndring.

Undersökning av neuroner hos råttor som producerar corticotropin-frisättande hormon visade att genaktivering och sekretionsrelaterade svar hade olika reaktionströsklar vid ihållande stress. [10]

Ökad frisättning av hormonet behöver därför inte innebära att transkriptionen av genen som kodar för dess prekursor förändras i samma utsträckning och exakt samtidigt.

Tiden och utsöndringsrytmen kan överföra information

Exponeringen för ett hormon beskrivs inte enbart av dess genomsnittliga koncentration.

Tidsmönstret kan omfatta:

• separata impulser;
• ändringar av impulsfrekvensen;
• amplitudmodulering av impulser;
• vedvarande förhöjning av koncentrationen;
• dygnssrytm;
• svar relaterade till måltider, sömn, stress eller andra fysiologiska händelser.

Olika tidsmönster kan leda till skilda cellulära svar.

Experiment utförda på hanråttor med GnRH-brist visade att olika frekvenser av GnRH-impulser orsakade olika transkriptionsmönster av gonadotropinsubenheter. Svaret innefattade både direkt GnRH-signalering och förändringar i lokala regulatoriska mekanismer i hypofysen. [5]

Dessa studier hjälper till att förklara varför tiden och rytmen i en hormonesignal kan överföra biologisk information.

Man bör dock inte överföra resultaten av sådana djurförsök till doseringsscheman för människor.

Hormonkoncentrationen som uppmätts i blodet är därför bara en ögonblicksbild av ett dynamiskt föränderligt system vid en viss tidpunkt.

Tolkningen kan bero på:

• provtagningstid;
• pulsaturlig utseende av sekretion;
• uppmätt molekylform;
• nyliga fysiologiska händelser;
• eliminationshastigheter;
• det använda testets särdrag.

Receptorer och celldimensionering

Vad händer när ett peptidhormon når sin målcell?

De flesta peptidhormonerna utövar sin verkan genom att binda till receptorer som finns på cellens yta eller som är direkt bundna till den.

När hormonet binder till receptorn förändras dess aktivitet eller konformation, vilket gör det möjligt att överföra information in i cellen.

Signalsystemet passerar därmed cellmembranet via ett receptorsystem.

Ett peptidhormon behöver vanligtvis inte på egen hand tränga igenom cellens lipidmembran och fritt ta sig in i cytoplasman för att påbörja signalöverföringen.

Detta gör det möjligt att förstå hur en relativt vattenlöslig extracellulär molekyl kan påverka processer som sker inne i cellen.

Hur det fortsätter beror på vilken typ av receptor det rör sig om.

Receptorerna för peptidhormoner tillhör flera mekanistiskt olika klasser.

Vissa överför signalen via:

• heterotrimeriska G-proteiner;
• receptoranknutna enzymer;
• sin egen kinasaktivitet;
• guanilatcyklasens aktivitet;
• andra signalproteiner.

Översiktsschema:

hormon → receptor → intracellulär signal → cellulär respons

är mycket användbart.

Det finns dock ingen gemensam intracellulär väg som är karakteristisk för alla peptidhormoner.

G-proteinkopplade receptorer och sekundära signalförmedlare

Många peptidhormoner överför signaler via G-proteinkopplade receptorer, så kallade GPCR.

Dessa är membranproteiner som kommunicerar med intracellulära G-proteiner, vilka kan påverka enzymer, jonkanaler och sekundära budbärarsystem.

En av de viktiga sekundära signalmolekylerna är cykliskt AMP (cAMP).

I den typiska cAMP-signalvägen påverkar receptoraktiveringen adenylatcyklasen, det vill säga det enzym som ansvarar för produktionen av cAMP.

Förändringar i cAMP-koncentrationen kan i sin tur påverka aktiviteten hos ytterligare signalproteiner.

Andra GPCR-receptorer kan använda andra mekanismer.

Det är viktigt att notera att inte alla GPCR-receptorer ökar cAMP-koncentrationen.

Vissa kombinationer av receptorer och G-proteiner kan minska dess produktion, medan andra främst reglerar signalvägar kopplade till kalcium eller andra intracellulära processer.

Påståendet att ett hormon „använder en sekundär signalförmedlare” beskriver alltså en övergripande signalstrategi, inte en enda universell molekylär mekanism.

I en tidig studie som genomfördes på en cellinje från bukspottkörtelns öceller hos råttor konstaterades att den omvandlade formen av GLP-1 ökade cAMP, nivån av insulinrelaterat mRNA samt insulinfrisättningen. [11]

I detta experiment kopplades en extracellulär peptidsignal samman med biokemiska förändringar och genuttryck inuti cellen.

Slutsatserna gäller dock endast den använda modellen och de experimentella förhållandena.

Kalciumsignalering och signalförstärkning

En annan vanlig GPCR-signalväg involverar fosfolipas C.

När den aktiveras kan det leda till bildandet av intracellulära signalmolekyler, såsom inositoltrifosfat (IP3) och diacylglycerol (DAG).

IP3 kan främja frisättningen av kalcium från intracellulära lager, medan DAG kan bidra till aktiveringen av proteinkinas C.

Dessa processer bidrar till att omvandla receptoraktiveringen till en förändring i cellens aktivitet.

Det är dock inte en signalväg som används av alla peptidhormonreceptorer.

Signaltransduktionskaskader kan också förstärka signalen.

En aktiverad receptor kan påverka flera molekyler längre fram i signalkedjan, och ett aktiverat enzym kan producera flera molekyler av en sekundär signalförmedlare.

Pozwala to wyjaśnić, dlaczego stosunkowo niewielki sygnał zewnątrzkomórkowy może czasami wywoływać znaczną odpowiedź komórkową.

Wzmocnienie sygnału nie jest jednak nieograniczone.

Na jego siłę i czas trwania wpływają między innymi:

• liczba receptorów;
• dostępność enzymów;
• dostępność substratów;
• mechanizmy sprzężenia zwrotnego;
• fosfatazy;
• degradacja wtórnych przekaźników;
• desensytyzacja receptorów;
• możliwości funkcjonalne komórki docelowej.

Wtórny przekaźnik jest zatem elementem pośrednim szlaku, a nie końcowym efektem fizjologicznym.

Znaczenie mają jego rodzaj, stężenie, lokalizacja i czas działania, a także zdolność komórki do przełożenia tego sygnału na konkretną odpowiedź.

Receptor insulinowy działa inaczej

Receptor insulinowy jest receptorową kinazą tyrozynową.

Jego początkowy mechanizm sygnalizacyjny różni się więc zasadniczo od klasycznego mechanizmu GPCR.

Związanie insuliny prowadzi do aktywacji wewnątrzkomórkowej części kinazowej receptora.

Aktywowany receptor fosforyluje określone miejsca w białkach i uruchamia kolejne sieci sygnałowe.

Badania biochemiczne wykorzystujące oczyszczone receptory insulinowe powiązały autofosforylację tyrozynową ze zwiększeniem aktywności kinazowej. [3]

Eksperymenty te pozwoliły określić ważne właściwości receptora.

Oczyszczony receptor nie odtwarza jednak wszystkich procesów zachodzących w całych komórkach mięśni, wątroby, tkanki tłuszczowej czy innych tkankach reagujących na insulinę.

Najważniejszy wniosek jest prosty:

hormony peptydowe mogą aktywować różne klasy receptorów.

Insulina jest ważnym przykładem pokazującym, dlaczego sygnalizacji hormonów peptydowych nie należy podsumowywać stwierdzeniem:

„hormon peptydowy wiąże się z GPCR i zwiększa cAMP”.

Mechanizm ten dotyczy niektórych układów, ale nie całej grupy.

Receptory peptydów natriuretycznych mogą wytwarzać cGMP

ANP stanowi przykład jeszcze innego mechanizmu receptorowego.

Jego receptor cyklazy guanylanowej A jest związany z powstawaniem cyklicznego GMP (cGMP).

cGMP i cAMP są cyklicznymi nukleotydami, ale nie są tą samą cząsteczką i powstają z udziałem innych układów enzymatycznych.

Eksperymenty mutacyjne dotyczące receptorów peptydów natriuretycznych wykazały, że region regulatorowy przypominający kinazę odgrywał istotną rolę w kontrolowaniu aktywności receptora. Zmiany w tym regionie mogły prowadzić do utraty prawidłowej regulacji lub aktywności występującej bez typowej stymulacji hormonalnej. [6]

W tym przypadku ważna jest precyzyjna terminologia.

Obecność domeny przypominającej kinazę nie oznacza, że receptor działa za pomocą tego samego mechanizmu kinazy tyrozynowej co receptor insulinowy.

Należy uwzględnić architekturę receptora, jego aktywność katalityczną oraz rodzaj mierzonego produktu biochemicznego.

Wiązanie na powierzchni nie oznacza, że receptor zawsze tam pozostaje

Aktywowane receptory mogą ulegać endocytozie, czyli przemieszczać się z błony komórkowej do wewnętrznych przedziałów otoczonych błoną.

Proces ten różni się od swobodnego przenikania hormonu peptydowego przez lipidową błonę do cytoplazmy.

W zmodyfikowanych ludzkich komórkach pochodzenia nerkowego badacze śledzili przemieszczanie receptorów ANP do przedziałów wewnątrzkomórkowych przy jednoczesnym utrzymywaniu się produkcji cGMP. [12]

Obserwacje te pokazują, że transport receptora i sygnalizacja mogą zachodzić jednocześnie.

Nie dowodzą jednak, że każdy receptor po internalizacji sygnalizuje w identyczny sposób ani że cały zmierzony cGMP powstał w jednym określonym przedziale komórki.

Stwierdzenie, że hormony peptydowe zazwyczaj rozpoczynają sygnalizację poprzez receptory powierzchniowe, jest więc użytecznym uogólnieniem.

Stwierdzenie, że hormony peptydowe i ich receptory nigdy nie mogą znaleźć się w przedziałach wewnątrzkomórkowych, byłoby natomiast zbyt kategoryczne.

Odpowiedź komórkowa może być szybka, opóźniona albo obejmować oba etapy

Sygnalizacja receptorowa może zmieniać aktywność białek już obecnych w komórce.

Takie mechanizmy mogą prowadzić do stosunkowo szybkich odpowiedzi.

Szlaki sygnałowe mogą również wpływać na transkrypcję i syntezę białek, prowadząc do efektów rozwijających się w dłuższym czasie.

Oba mechanizmy mogą występować równocześnie.

Ten sam układ sygnalizacyjny może powodować szybkie zmiany biochemiczne oraz późniejsze zmiany transkrypcyjne.

W badaniu GLP-1 w komórkach mierzono zarówno zmiany związane z sygnalizacją, jak i ekspresję genu insuliny, co pokazuje, dlaczego sygnalizacji rozpoczynającej się na powierzchni komórki nie należy traktować jako niezdolnej do wpływania na procesy zachodzące w jądrze. [11]

Wzrost stężenia wtórnego przekaźnika reprezentuje jednak tylko jeden poziom dowodów.

Wykazanie pełnego efektu fizjologicznego wymaga, w zależności od pytania badawczego, połączenia kolejnych poziomów:

aktywacja receptora → sygnalizacja wewnątrzkomórkowa → zachowanie komórki → odpowiedź tkanki → fizjologia całego organizmu.

Hormony peptydowe a hormony steroidowe

Inne podstawy chemiczne

Hormony peptydowe są zbudowane z łańcuchów aminokwasowych.

Hormony steroidowe powstają z cholesterolu i posiadają charakterystyczny układ pierścieni steroidowych.

Różnice chemiczne wpływają na sposób syntezy, magazynowania, transportu, rozpoznawania i przekazywania sygnału przez obie grupy hormonów.

Hormony peptydowe zazwyczaj dobrze funkcjonują w środowisku wodnym, ale na ogół nie przechodzą przez hydrofobowe wnętrze błony komórkowej poprzez prostą dyfuzję.

Hormony steroidowe są bardziej zgodne ze środowiskiem lipidowym i mogą docierać do wewnątrzkomórkowych układów receptorowych.

Wiele hormonów steroidowych krąży częściowo związanych z białkami transportowymi.

Właściwości transportowe hormonów peptydowych różnią się pomiędzy poszczególnymi cząsteczkami.

Są to ogólne wzorce fizjologiczne, a nie bezwzględne zasady dla każdego przedstawiciela obu kategorii.

Modyfikacje molekularne, białka wiążące, rodzaj receptora oraz kontekst tkankowy mogą zmieniać szczegóły.

Klasyczne porównanie receptorów

Klasyczne porównanie jest przydatne w nauce biologii hormonalnej.

Nie należy jednak przedstawiać obu kategorii jako całkowicie oddzielnych światów sygnalizacyjnych.

W publikacji omawiającej sygnalizację peptydową i steroidową opisano dowody na szybkie działanie steroidów, które nie wymaga nowej syntezy białek. [13]

Źródło to jest przeglądem opartym między innymi na dyskusjach naukowych, a nie pojedynczym eksperymentem potwierdzającym jeden uniwersalny mechanizm dla wszystkich hormonów steroidowych.

Dlaczego stwierdzenie „peptydy działają szybko, a steroidy wolno” jest zbyt proste?

Niektóre odpowiedzi na hormony peptydowe pojawiają się szybko, ponieważ szlaki sygnałowe modyfikują białka już obecne w komórce.

Sygnalizacja peptydowa może jednak również wpływać na transkrypcję i syntezę nowych białek, powodując odpowiedzi rozwijające się wolniej.

Z drugiej strony hormony steroidowe nie ograniczają się wyłącznie do powolnych efektów zależnych od transkrypcji.

Bardziej użyteczne naukowo pytania brzmią:

• Jaki hormon jest analizowany?
• Jaki receptor zostaje aktywowany?
• Jaki szlak wewnątrzkomórkowy jest następnie uruchamiany?
• Jaki efekt biologiczny jest mierzony?
• Po jakim czasie od stymulacji wykonano pomiar?

Porównywanie wczesnej odpowiedzi wtórnego przekaźnika z późniejszą odpowiedzią transkrypcyjną bez określenia mierzonego efektu może prowadzić do mylącego podziału na hormony „szybkie” i „wolne”. [11] [13]

Obie klasy hormonów mogą wzajemnie się regulować

Hormony peptydowe i steroidowe często uczestniczą w tych samych sieciach endokrynnych.

Dobrym przykładem jest oś odpowiedzi na stres.

Sygnały peptydowe z podwzgórza i przysadki uczestniczą w regulacji produkcji steroidów przez nadnercza, natomiast glikokortykosteroidy uczestniczą w sprzężeniu zwrotnym działającym na wcześniejsze elementy tego układu.

Sprzężenia zwrotnego nie należy jednak wyobrażać sobie jako natychmiastowego przełącznika „włącz–wyłącz”.

Badanie neuronów CRH u szczurów wykazało, że wydzielanie, aktywacja genów oraz sprzężenie zwrotne zależne od glikokortykosteroidów zależały od rodzaju bodźca i momentu wykonywania pomiaru. [10]

Wspiera to bardziej szczegółowy model regulacji hormonalnej, w którym poszczególne elementy układu mogą reagować w różnych skalach czasowych.

Sprzężenie zwrotne i zakończenie sygnału

Ujemne sprzężenie zwrotne pomaga stabilizować parametry fizjologiczne

Ujemne sprzężenie zwrotne występuje wtedy, gdy konsekwencje odpowiedzi fizjologicznej zmniejszają bodziec prowadzący do dalszej sygnalizacji.

Regulowany parametr może obejmować między innymi:

• dostępność składników odżywczych;
• stężenie jonów;
• gospodarkę wodną;
• objętość krwi;
• aktywność narządu endokrynnego;
• inny parametr fizjologiczny.

Dobrym przykładem jest układ wapń–PTH.

Niższe stężenie wapnia pozakomórkowego zazwyczaj sprzyja wydzielaniu PTH, natomiast jego wzrost może to wydzielanie hamować.

W badaniu przeprowadzonym z udziałem zdrowych młodych mężczyzn zaobserwowano zmniejszenie stężenia PTH we krwi po zastosowaniu bodźca wapniowego. [4]

Pokazuje to zależność fizjologiczną występującą w warunkach tego badania.

Nie stanowi jednak podstawy do zaleceń dotyczących suplementacji ani nie pozwala przewidzieć każdej odpowiedzi występującej w chorobie.

Sprzężenie zwrotne może działać na wielu poziomach, między innymi poprzez:

• wydzielanie hormonu;
• produkcję prekursora;
• gentranskription;
• wrażliwość receptorów;
• dalsze etapy sygnalizacji;
• oddziaływania pomiędzy tkankami endokrynnymi.

Może ono również działać z pewnym opóźnieniem.

Dlatego krótkotrwałej odpowiedzi i długotrwałej adaptacji nie należy automatycznie traktować jako tego samego procesu.

Degradacja hormonów ogranicza czas ekspozycji

Hormony peptydowe mogą być rozszczepiane przez enzymy, co zmienia ich strukturę molekularną i aktywność biologiczną.

W zależności od konkretnej cząsteczki w jej usuwaniu mogą uczestniczyć również wychwyt przez tkanki, nerki, wątroba i inne procesy eliminacyjne.

Badania GLP-1 wykazały, że w ludzkim osoczu powstawał metabolit skrócony na N-końcu i wskazały na udział dipeptydylopeptydazy IV (DPP-IV) w tej reakcji. Badacze rozróżniali również nienaruszony peptyd od jego metabolitów w próbkach pobranych od ludzi. [14]

Rozróżnienie to jest ważne, ponieważ zanikanie nienaruszonego hormonu i pojawianie się powiązanych fragmentów peptydowych nie są tym samym pomiarem.

Podobnie stabilności peptydu zmierzonej w izolowanym eksperymencie z osoczem nie należy automatycznie utożsamiać z jego pełnym czasem działania w żywym organizmie.

Na obserwowany przebieg czasowy mogą wpływać wydzielanie, dystrybucja, przepływ krwi, wychwyt przez tkanki, rozszczepianie enzymatyczne i eliminacja.

Komórka również wyłącza własną odpowiedź

Zakończenie sygnału nie zależy wyłącznie od usunięcia hormonu z krążenia.

Komórki posiadają wiele mechanizmów zmniejszających sygnalizację wewnątrzkomórkową.

Till exempel:

• białka G mogą powracać do stanu nieaktywnego;
• cykliczne nukleotydy mogą być degradowane;
• fosfatazy białkowe mogą usuwać grupy fosforanowe;
• stężenie i rozmieszczenie wapnia wewnątrzkomórkowego może wracać w kierunku wartości spoczynkowych;
• białka sygnałowe mogą być hamowane;
• receptory mogą ulegać desensytyzacji;
• receptory mogą być przemieszczane do innych przedziałów komórkowych.

Mechanizmy te zapewniają wiele punktów kontrolnych.

Hormon może nadal być obecny, podczas gdy komórka staje się mniej wrażliwa na jego działanie.

Z drugiej strony niektóre konsekwencje wewnątrzkomórkowe mogą utrzymywać się przez pewien czas po zmniejszeniu stężenia hormonu poza komórką.

Pomiar tylko jednego elementu szlaku nie pozwala więc określić stanu całej sieci sygnalizacyjnej.

Desensytyzacja zmienia wrażliwość receptora

Desensytyzacja oznacza zmniejszenie odpowiedzi układu podczas ciągłej lub powtarzającej się stymulacji.

W zależności od rodzaju receptora mechanizmy mogą obejmować:

• fosforylację receptora;
• defosforylację;
• zmianę sprzężenia z partnerami sygnalizacyjnymi;
• internalizację receptora;
• zmianę liczby receptorów;
• zmiany białek uczestniczących w dalszych etapach sygnalizacji.

W badaniu receptora cyklazy guanylanowej A dla ANP opisano złożony wzorzec fosforylacji i defosforylacji związany ze zmniejszeniem odpowiedzi. [15]

Wyniki nie potwierdzały prostego modelu, w którym każda fosforylacja aktywuje receptor, a każda defosforylacja go wyłącza.

Internalizacji receptora również nie należy automatycznie utożsamiać z całkowitym zakończeniem sygnału.

Konsekwencje zależą od rodzaju receptora, jego miejsca docelowego wewnątrz komórki, możliwości ponownego wykorzystania, degradacji oraz tego, czy sygnalizacja może być kontynuowana z przedziałów wewnątrzkomórkowych.

Co pokazuje pomiar hormonu, a czego nie pokazuje?

Zmierzona wartość stężenia hormonu może być wynikiem kilku procesów zachodzących jednocześnie:

produkcja + przetwarzanie + wydzielanie + dystrybucja − degradacja − wychwyt − eliminacja.

Metoda analityczna może również wykrywać:

• nienaruszony hormon;
• cząsteczki prekursorowe;
• metabolity;
• fragmenty powstałe w wyniku rozszczepienia;
• kilka powiązanych form molekularnych.

To, które formy zostaną wykryte, zależy od konstrukcji testu.

W badaniu degradacji GLP-1 problem ten analizowano poprzez połączenie rozdziału chromatograficznego z testami immunologicznymi i identyfikacją strukturalną metabolitu. [14]

Rozróżnienie było istotne, ponieważ wynik reprezentujący całkowitą immunoreaktywność nie musiał odpowiadać pomiarowi wyłącznie nienaruszonego, biologicznie istotnego peptydu.

Stężenie hormonu, wiązanie z receptorem, wytwarzanie wtórnego przekaźnika, ekspresja genów i funkcja fizjologiczna są więc oddzielnymi rodzajami pomiarów.

Połączenie tych poziomów pozwala stworzyć znacznie silniejsze wyjaśnienie mechanistyczne niż traktowanie jednego wyniku jako reprezentacji całego układu hormonalnego.

Vanliga frågor och svar

1. Czy hormony peptydowe wnikają do komórek?

Większość hormonów peptydowych rozpoczyna sygnalizację poprzez związanie z receptorami znajdującymi się na powierzchni komórki, zamiast swobodnie przenikać przez błonę komórkową do cytoplazmy. Późniejsza internalizacja związana z receptorem może jednak prowadzić do przeniesienia kompleksów hormon–receptor lub powiązanych układów receptorowych do otoczonych błoną przedziałów wewnątrzkomórkowych. W badaniach receptora ANP obserwowano przemieszczanie receptora przy jednoczesnym utrzymywaniu się produkcji cGMP w określonym modelu komórkowym. Nie oznacza to swobodnego przenikania hormonu przez błonę ani nie dowodzi, że każdy hormon peptydowy wykorzystuje ten sam mechanizm. Początkowe rozpoznanie na powierzchni komórki i późniejsza internalizacja związana z receptorem są odrębnymi etapami sygnalizacji. [12]

2. Czy wszystkie peptydy są hormonami?

Nie. Peptyd definiuje się przede wszystkim na podstawie jego budowy molekularnej opartej na aminokwasach, natomiast hormon określa się na podstawie jego roli w komunikacji fizjologicznej. Potwierdzenie funkcji hormonalnej wymaga danych dotyczących wytwarzania, regulowanego uwalniania, tkanek reagujących, działania receptorowego oraz odpowiedzi biologicznej. Wczesne badania GLP-1 u ludzi pokazują, jak różne rodzaje dowodów mogą wspólnie potwierdzać rolę hormonalną. Wiele innych peptydów jest fragmentami białek, cząsteczkami metabolicznymi, składnikami strukturalnymi lub pełni funkcje niezwiązane z układem hormonalnym. Sama obecność wiązań peptydowych nie wystarcza więc do uznania cząsteczki za hormon. [1]

3. Co dzieje się najpierw, gdy hormon peptydowy dociera do komórki docelowej?

Zazwyczaj hormon najpierw oddziałuje z odpowiednim receptorem znajdującym się na powierzchni komórki lub bezpośrednio z nią związanym. Wiązanie zmienia aktywność lub konformację receptora i uruchamia sygnalizację wewnątrzkomórkową. Dalszy przebieg zależy od klasy receptora. W przypadku receptora insulinowego badania powiązały jego aktywację z fosforylacją tyrozynową i aktywnością kinazową. Wyniki te dotyczą jednego konkretnego systemu receptorowego, a nie wszystkich hormonów peptydowych. Identyfikacja właściwego receptora jest więc jednym z pierwszych kroków potrzebnych do zrozumienia odpowiedzi danej komórki. [3]

4. Jak hormony peptydowe wpływają na komórki docelowe?

Hormony peptydowe wpływają na komórki poprzez szlaki sygnałowe uruchamiane przez receptory. Mogą one zmieniać aktywność enzymów, transport przez błony, gospodarkę jonową, wydzielanie, metabolizm, fosforylację białek i ekspresję genów. W szczurzej linii komórek wysp trzustkowych GLP-1 wpływał na stężenie cAMP, mRNA związane z insuliną oraz uwalnianie insuliny. Eksperyment ten pokazuje kilka poziomów oddziaływania jednego sygnału peptydowego na komórkę, ale nie oznacza, że każda tkanka reaguje w ten sam sposób. Końcowy efekt zależy od konkretnego hormonu, receptora, mechanizmów wewnątrzkomórkowych, stanu komórki oraz kontekstu eksperymentalnego lub fizjologicznego. [11]

5. Dlaczego niektóre komórki reagują na hormon, a inne nie?

Komórka zazwyczaj musi posiadać odpowiedni funkcjonalny receptor oraz mechanizmy sygnalizacyjne potrzebne do przetworzenia otrzymanego sygnału. Sama obecność hormonu nie gwarantuje więc odpowiedzi. Znaczenie mają liczba receptorów, ich struktura, lokalizacja, białka sprzęgające oraz wcześniejsza stymulacja komórki. Badania mutacyjne receptorów peptydów natriuretycznych wykazały, że zmiany w regionie regulatorowym mogą zaburzać prawidłową aktywację zależną od hormonu. Choć były to badania eksperymentalne, dobrze pokazują, dlaczego oprócz obecności hormonu istotna jest również struktura receptora i kontekst komórkowy. [6]

6. Czym różni się preprohormon od prohormonu?

Preprohormon zawiera sekwencję sygnałową, która zazwyczaj pomaga skierować nowo syntetyzowaną cząsteczkę do szlaku wydzielniczego. Usunięcie tej sekwencji zwykle prowadzi do powstania prohormonu, który może następnie podlegać kolejnym etapom rozszczepiania i modyfikacji, prowadzącym do powstania jednego lub kilku dojrzałych produktów. Badania proglukagonu pokazują, że końcowe produkty mogą silnie zależeć od tkanki oraz obecnych w niej enzymów przetwarzających. Preprohormon, prohormon, forma pośrednia i dojrzały hormon oznaczają więc różne etapy molekularne, a nie wymienne nazwy tej samej substancji. [7] [8]

7. Czy jeden prekursor może prowadzić do powstania różnych hormonów?

Tak. Różne komórki mogą przetwarzać ten sam prekursor w odmienne produkty, ponieważ posiadają inne mechanizmy enzymatyczne. W badaniach ludzkiego proglukagonu stwierdzono odmienne wzorce produktów w trzustce i jelicie, a późniejsze eksperymenty analizowały udział PC2 i PC3 w ich powstawaniu. Wyniki nie oznaczają, że identyczne przetwarzanie zachodzi w każdym gatunku, tkance czy stanie fizjologicznym. Pokazują natomiast ogólną zasadę: zarówno sekwencja prekursora, jak i środowisko enzymatyczne komórki wpływają na to, jakie dojrzałe produkty peptydowe ostatecznie powstaną. [7] [8]

8. Dlaczego wiele hormonów peptydowych jest magazynowanych w ziarnistościach?

Ziarnistości wydzielnicze zapewniają przygotowany zapas hormonu, który może zostać uwolniony po pojawieniu się odpowiedniego sygnału fizjologicznego. Dzięki temu wydzielanie może szybko wzrosnąć bez konieczności syntetyzowania każdej cząsteczki od początku dokładnie w tym momencie. Ziarnistości są aktywnie regulowane, a różne ich pule mogą różnić się gotowością do uwolnienia. Eksperymenty na ludzkich komórkach beta wskazywały na udział Munc18c w uwalnianiu insuliny z różnych pul ziarnistości. Mechanizm ten nie wyjaśnia funkcjonowania wszystkich komórek endokrynnych, ale pokazuje, jak wyspecjalizowana maszyneria egzocytotyczna łączy magazynowanie z kontrolowanym wydzielaniem. [9]

9. Czy wszystkie hormony peptydowe wykorzystują cAMP?

Nie. cAMP jest ważnym wtórnym przekaźnikiem dla niektórych receptorów hormonów peptydowych, ale cała grupa wykorzystuje wiele różnych systemów receptorowych. Insulina działa poprzez receptorową kinazę tyrozynową, natomiast ANP aktywuje receptor związany z wytwarzaniem cGMP. Inne hormony peptydowe mogą korzystać z odmiennych szlaków GPCR, w tym układów wpływających na wapń wewnątrzkomórkowy. Badania receptorów insuliny i ANP pokazują, dlaczego sygnalizacji hormonów peptydowych nie można sprowadzić do jednego szlaku cAMP. Przed opisaniem mechanizmu należy więc określić konkretny hormon i jego receptor. [3] [6]

10. Czy hormony peptydowe mogą zmieniać ekspresję genów?

Tak. Sygnał rozpoczynający się na powierzchni komórki może być przekazywany przez kolejne szlaki wewnątrzkomórkowe i ostatecznie wpływać na transkrypcję. W badaniach GLP-1 w hodowanych komórkach szczura obserwowano zmiany mRNA insuliny, natomiast eksperymenty z impulsami GnRH u szczurów wykazały zmiany transkrypcji podjednostek gonadotropin. Wyniki te dotyczą konkretnych modeli i nie oznaczają, że każda odpowiedź na hormon peptydowy wymaga nowej ekspresji genów. Pokazują jednak, że sygnalizacja rozpoczynająca się od receptora błonowego może wpływać zarówno na szybkie procesy biochemiczne, jak i na regulację transkrypcji zachodzącą w dłuższym czasie. [5] [11]

11. Czy hormony peptydowe zawsze działają szybciej niż hormony steroidowe?

Nie. Szybkość odpowiedzi zależy od receptora, szlaku sygnałowego, badanego efektu biologicznego i czasu wykonania pomiaru. Hormony peptydowe mogą szybko zmieniać aktywność istniejących białek, ale mogą również wpływać na ekspresję genów i powodować późniejsze odpowiedzi. Z kolei literatura endokrynologiczna opisuje szybkie działania steroidów niewymagające nowej syntezy białek. Źródło dotyczące steroidów wykorzystane w tym artykule jest przeglądem, a nie pojedynczym rozstrzygającym eksperymentem. Bardziej wiarygodne rozróżnienie dotyczy chemii cząsteczek i mechanizmów receptorowych niż prostego podziału na „szybkie peptydy” i „wolne steroidy”. [11] [13]

12. Dlaczego częstotliwość impulsów hormonalnych ma znaczenie?

Komórki mogą inaczej reagować na powtarzające się impulsy, różne częstotliwości impulsów i ciągłą ekspozycję, nawet jeśli za każdym razem chodzi o ten sam hormon. U szczurów z niedoborem GnRH zmiana częstotliwości impulsów wpływała na wzorce transkrypcji podjednostek gonadotropin w przysadce oraz lokalne odpowiedzi regulacyjne. Eksperymenty te potwierdzają znaczenie czasu w tym modelu biologicznym, ale nie określają schematu podawania hormonu ludziom. Informacja hormonalna może być więc kodowana nie tylko przez stężenie cząsteczki, ale również przez czasowy wzorzec, w jakim komórki docelowe są wystawione na jej działanie. [5]

13. Czym jest ujemne sprzężenie zwrotne w regulacji hormonów peptydowych?

Ujemne sprzężenie zwrotne występuje wtedy, gdy konsekwencje działania danego szlaku zmniejszają bodziec prowadzący do dalszego wydzielania hormonu lub aktywności wcześniejszych elementów układu hormonalnego. Przykładem jest regulacja wapnia: w kontrolowanym badaniu z udziałem zdrowych mężczyzn wzrost dostępności wapnia był związany ze zmniejszeniem stężenia PTH. Eksperyment ten nie odzwierciedla każdego stanu chorobowego ani długotrwałej adaptacji, ale pokazuje, jak regulowany parametr może przekazywać informację zwrotną do układu endokrynnego. Sprzężenie zwrotne może obejmować wydzielanie, ekspresję genów, wrażliwość receptorów, oddziaływanie innych hormonów i wiele innych poziomów regulacji. [4]

14. W jaki sposób wyłączany jest sygnał hormonu peptydowego?

Kilka mechanizmów może działać jednocześnie. Hormon znajdujący się poza komórką może zostać enzymatycznie rozszczepiony, wychwycony przez tkanki lub usunięty z krążenia. Receptory mogą stawać się mniej wrażliwe albo przemieszczać się pomiędzy różnymi przedziałami komórki, natomiast wtórne przekaźniki mogą być degradowane, a fosforylacja białek odwracana. W badaniach GLP-1 zidentyfikowano enzymatycznie powstający metabolit, natomiast badania receptora ANP powiązały desensytyzację ze zmianami jego fosforylacji. Żaden z tych mechanizmów nie jest uniwersalny dla wszystkich hormonów. Zakończenie sygnału najlepiej więc rozumieć jako skoordynowaną kontrolę zarówno zewnątrzkomórkowego przekaźnika, jak i odpowiadającej na niego komórki. [14] [15]

15. Co oznacza desensytyzacja receptora?

Desensytyzacja oznacza, że układ receptorowy podczas ciągłej lub powtarzającej się stymulacji zaczyna generować słabszą odpowiedź. W zależności od receptora może to wynikać ze zmian fosforylacji, sposobu współpracy z białkami sygnałowymi, przemieszczania receptora, zmiany jego liczby lub adaptacji dalszych elementów szlaku. W eksperymentach dotyczących receptora ANP zmniejszenie odpowiedzi powiązano z określonym wzorcem zmian fosforylacji. Nie oznacza to, że każdy receptor ulega desensytyzacji w ten sam sposób ani że zmniejszona odpowiedź świadczy o zniszczeniu receptora. Desensytyzacja jest zmianą funkcjonalną, której mechanizm należy określić osobno dla danego układu. [15]

16. Czy wyższe stężenie hormonu zawsze oznacza silniejsze działanie?

Nie. Stężenie hormonu jest tylko jednym z czynników wpływających na odpowiedź biologiczną. Znaczenie mają również liczba receptorów, stopień ich zajęcia, możliwości wewnątrzkomórkowego układu sygnałowego, sprzężenie zwrotne, wcześniejsza ekspozycja, desensytyzacja oraz aktualny stan fizjologiczny komórki docelowej. Eksperymenty dotyczące desensytyzacji receptora ANP pokazują, że wrażliwość może się zmniejszyć pomimo utrzymującej się ekspozycji na aktywujący hormon. Takie dane eksperymentalne nie pozwalają przewidzieć indywidualnej odpowiedzi hormonalnej na podstawie pojedynczego pomiaru stężenia. Stężenie hormonu i odpowiedź biologiczna są ze sobą powiązane, ale nie są tym samym parametrem. [15]

17. Czy test hormonalny może wykrywać nieaktywne lub zmienione fragmenty?

Tak, w zależności od tego, jaki fragment cząsteczki rozpoznaje zastosowana metoda. Badania GLP-1 pokazały, dlaczego rozróżnienie nienaruszonego hormonu od metabolitów skróconych na N-końcu jest istotne podczas interpretacji wyników testów immunologicznych. Test rozpoznający obie formy może odpowiadać na inne pytanie niż metoda zaprojektowana wyłącznie do wykrywania nienaruszonego peptydu. Ograniczenie zależy więc od konkretnej metody analitycznej. Przed interpretacją wyniku jako stężenia aktywnego hormonu należy ustalić, jakie formy molekularne są rzeczywiście wykrywane. [14]

18. Czy hormony peptydowe i hormony białkowe są całkowicie różnymi kategoriami?

Niekoniecznie. Terminologia częściowo się pokrywa, ponieważ obie grupy są zbudowane z łańcuchów aminokwasowych, a nie istnieje powszechnie zaakceptowany próg długości oddzielający wszystkie hormony peptydowe od wszystkich hormonów białkowych. Słowo „hormon” określa rolę sygnałową, natomiast określenia „peptyd” i „białko” odnoszą się do aspektów budowy molekularnej i wielkości. W praktyce większe hormony o budowie aminokwasowej częściej określa się jako białkowe, a krótsze jako peptydowe. Dokładna nazwa kategorii jest jednak mniej informacyjna niż identyfikacja konkretnej cząsteczki, jej dojrzałej struktury, receptora i eksperymentalnie potwierdzonej funkcji.

19. Czy ten sam hormon peptydowy może działać inaczej w różnych tkankach?

Tak. Działanie hormonu zależy nie tylko od rozpoznania przez receptor, ale również od mechanizmów molekularnych dostępnych wewnątrz komórki docelowej. Poszczególne tkanki mogą różnić się liczbą receptorów, białkami sygnałowymi, enzymami, transporterami, czynnikami transkrypcyjnymi i białkami regulatorowymi. W rezultacie aktywacja tego samego receptora nie musi prowadzić do identycznego efektu fizjologicznego w każdym środowisku komórkowym. Dlatego sygnalizację hormonalną najlepiej rozumieć jako interakcję pomiędzy określonym sygnałem zewnątrzkomórkowym a konkretną komórką zdolną do odpowiedzi, a nie jako stały efekt zakodowany wyłącznie w samej cząsteczce hormonu.

20. Czy pomiar wtórnego przekaźnika wystarcza do potwierdzenia efektu fizjologicznego?

Nie. Zmiana stężenia cAMP, cGMP, wapnia, stopnia fosforylacji lub innego sygnału wewnątrzkomórkowego stanowi dowód, że określony element szlaku zareagował, ale nie potwierdza automatycznie pełnego efektu na poziomie tkanki lub całego organizmu. W badaniu GLP-1 w komórkach zmiany cAMP powiązano z dodatkowymi punktami końcowymi, natomiast badania receptorów insuliny i ANP analizowały inne określone etapy biochemiczne. [3] [6] [11] Silne wyjaśnienie mechanistyczne powinno rozróżniać aktywację receptora, sygnalizację wewnątrzkomórkową, funkcję komórki, odpowiedź tkankową i fizjologię całego organizmu, zamiast traktować pojedynczy pomiar jako dowód wszystkich tych poziomów.

Ograniczenia interpretacji badań nad hormonami peptydowymi

Podczas przechodzenia od podstawowych mechanizmów sygnalizacji hormonalnej do szerszych wniosków biologicznych należy pamiętać o kilku ograniczeniach.

Po pierwsze, hormony peptydowe nie stanowią jednej funkcjonalnie jednolitej grupy. Insulina, GLP-1, wazopresyna, PTH, GnRH i ANP należą do szerokiej kategorii hormonów opartych na aminokwasach, ale działają poprzez różne receptory i uczestniczą w różnych układach fizjologicznych. [1] [2] [3] [4] [5] [6]

Po drugie, wykrycie prekursora nie musi być równoznaczne z wykryciem dojrzałego hormonu. Przetwarzanie zależne od tkanki może prowadzić do powstawania różnych produktów z tego samego prekursora, czego przykładem są badania proglukagonu. [7] [8]

Po trzecie, synteza i wydzielanie są odrębnymi procesami. Zwiększone uwalnianie hormonu nie musi oznaczać identycznego i jednoczesnego zwiększenia transkrypcji genu kodującego jego prekursor. [10]

Po czwarte, wiązanie z receptorem nie jest równoznaczne z pełną odpowiedzią fizjologiczną. Sygnalizacja obejmuje kilka poziomów molekularnych, a różne komórki mogą przekształcać aktywację tego samego receptora w odmienne odpowiedzi.

Po piąte, badania na hodowlach komórkowych i oczyszczonych receptorach nie odtwarzają całego organizmu. Mogą dostarczać ważnych informacji o mechanizmach molekularnych, ale wnioski powinny pozostawać związane z zastosowanym systemem eksperymentalnym. [3] [6] [11] [12]

Po szóste, czas ma znaczenie. Pulsacyjna i ciągła ekspozycja na hormon mogą prowadzić do odmiennych odpowiedzi, a pojedynczy pomiar we krwi może nie odzwierciedlać pełnego rytmu wydzielania. [5]

Po siódme, testy hormonalne różnią się swoistością molekularną. Niektóre metody mogą wykrywać metabolity, cząsteczki związane z prekursorem lub kilka form jednocześnie, oprócz nienaruszonego hormonu. [14]

Po ósme, internalizacja receptora nie musi oznaczać natychmiastowego zakończenia sygnalizacji, ponieważ transport receptora i przekazywanie sygnału mogą w określonych warunkach zachodzić równocześnie. [12]

Po dziewiąte, desensytyzacja jest zależna od konkretnego receptora. Mechanizmów zidentyfikowanych dla jednego receptora nie należy automatycznie przenosić na wszystkie receptory hormonów peptydowych. [15]

Wreszcie klasyfikacja chemiczna nie potwierdza działania medycznego, korzyści ani przydatności terapeutycznej. Dowodów dotyczących jednego określonego hormonu i jednego systemu eksperymentalnego nie należy uogólniać na inne, niepowiązane peptydy wyłącznie dlatego, że również mają budowę aminokwasową.

Sammanfattning

Hormony peptydowe są cząsteczkami sygnałowymi zbudowanymi z aminokwasów, które umożliwiają komunikację pomiędzy komórkami i tkankami w wielu układach fizjologicznych.

Ich biologia jest znacznie bardziej złożona niż proste stwierdzenie, że peptyd wiąże się z receptorem.

Wiele hormonów peptydowych powstaje początkowo jako większe cząsteczki prekursorowe, następnie przechodzi specyficzne dla danej tkanki etapy przetwarzania, jest pakowanych do ziarnistości wydzielniczych i uwalnianych w odpowiedzi na regulowane sygnały fizjologiczne. Badania przetwarzania proglukagonu i egzocytozy ziarnistości insulinowych pokazują, jak mechanizmy przetwarzania prekursorów i wydzielania wpływają na to, jaki hormon trafia do środowiska zewnątrzkomórkowego i kiedy zostaje uwolniony. [7] [8] [9]

Po uwolnieniu hormony peptydowe zazwyczaj rozpoczynają sygnalizację poprzez receptory znajdujące się na powierzchni komórek, ale receptory te należą do kilku różnych klas molekularnych.

Niektóre hormony wykorzystują GPCR i wtórne przekaźniki, takie jak cAMP lub szlaki związane z wapniem.

Insulina wykorzystuje receptorową kinazę tyrozynową.

ANP działa poprzez receptor związany z wytwarzaniem cGMP.

Przykłady te pokazują, że nie istnieje jeden uniwersalny szlak wewnątrzkomórkowy wspólny dla wszystkich hormonów peptydowych. [3] [6] [11]

Odpowiedź komórkowa może również rozwijać się w różnych skalach czasowych.

Sygnalizacja może szybko modyfikować istniejące białka, wpływać na wydzielanie lub transport, a następnie prowadzić do zmian w transkrypcji genów. Wzorce czasowe, takie jak pulsacyjne wydzielanie hormonów, mogą same w sobie przenosić biologicznie istotne informacje. [5] [11]

Sygnalizacja hormonalna jest również aktywnie ograniczana.

Degradacja hormonu, eliminacja przez tkanki, odwracanie sygnałów wewnątrzkomórkowych, przemieszczanie receptorów, desensytyzacja oraz ujemne sprzężenie zwrotne wspólnie pomagają kontrolować siłę i czas trwania odpowiedzi. [4] [12] [14] [15]

Najważniejszą zasadę można więc podsumować następująco:

działania biologicznego hormonu peptydowego nie można przewidzieć wyłącznie na podstawie tego, że jest on peptydem. Jego funkcja wynika z całego układu sygnalizacyjnego: z tego, jaka forma molekularna powstaje, jak jest przetwarzana i uwalniana, jaki receptor ją rozpoznaje, w jaki sposób komórka docelowa interpretuje sygnał receptorowy, jak ekspozycja zmienia się w czasie oraz jak układ ogranicza i ostatecznie kończy odpowiedź.

Varning

Artykuł ma wyłącznie charakter edukacyjny i naukowo-informacyjny. Wyjaśnia biologię hormonów peptydowych, przetwarzanie prekursorów, wydzielanie, sygnalizację receptorową, mechanizmy sprzężenia zwrotnego, degradację oraz przykłady pochodzące z opublikowanych badań. Nie stanowi porady medycznej, wskazówki diagnostycznej, zalecenia dotyczącego leczenia, informacji o dawkowaniu, instrukcji podawania ani rekomendacji dotyczącej stosowania hormonów peptydowych lub powiązanych substancji. Wyniki badań biochemicznych, komórkowych, badań na zwierzętach i badań z udziałem ludzi należy interpretować w kontekście projektu, warunków, badanej populacji oraz ograniczeń poszczególnych prac.

Referenser

1. Kreymann, B., Williams, G., Ghatei, M. A., & Bloom, S. R. (1987). Glucagon-like peptide-1 7-36: A physiological incretin in man. 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). Urinary excretion of aquaporin-2 in humans: A potential marker of collecting duct responsiveness to vasopressin. 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). Kinetic properties of the insulin receptor tyrosine protein kinase: Activation through an insulin-stimulated tyrosine-specific, intramolecular autophosphorylation. 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). Rapid suppression of bone resorption and parathyroid hormone secretion by acute oral administration of calcium in healthy adult men. 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 pulse frequency modulation of gonadotropin subunit gene transcription in normal gonadotropes-assessment by primary transcript assay provides evidence for roles of GnRH and follistatin. 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). Conservation of the kinaselike regulatory domain is essential for activation of the natriuretic peptide receptor guanylyl cyclases. Molecular and Cellular Biology, 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). Pancreatic and intestinal processing of proglucagon in man. Diabetologia, 30(11), 874–881. https://doi.org/10.1007/BF00274797
8. Rouillé, Y., Martin, S., & Steiner, D. F. (1995). Differential processing of proglucagon by the subtilisin-like prohormone convertases PC2 and PC3 to generate either glucagon or glucagon-like peptide. 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 mediates exocytosis of pre-docked and newcomer insulin granules underlying biphasic glucose stimulated insulin secretion in human pancreatic beta-cells. 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). Peptide gene activation, secretion, and steroid feedback during stimulation of rat neuroendocrine corticotropin-releasing hormone neurons. 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). Glucagon-like peptide I stimulates insulin gene expression and increases cyclic AMP levels in a rat islet cell line. 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). Subcellular trafficking of guanylyl cyclase/natriuretic peptide receptor-A with concurrent generation of intracellular cGMP. Bioscience Reports, 35(5), Article e00260. https://doi.org/10.1042/BSR20150136
13. Watson, C. S. (1999). Signaling themes shared between peptide and steroid hormones at the plasma membrane. Science’s STKE, 1999(12), PE1. https://doi.org/10.1126/stke.1999.12.pe1
14. Deacon, C. F., Johnsen, A. H., & Holst, J. J. (1995). Degradation of glucagon-like peptide-1 by human plasma in vitro yields an N-terminally truncated peptide that is a major endogenous metabolite 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). Homologous desensitization of guanylyl cyclase A, the receptor for atrial natriuretic peptide, is associated with a complex phosphorylation pattern. The FEBS Journal, 277(11), 2440–2453. https://doi.org/10.1111/j.1742-4658.2010.07658.x