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Signaltransduktion der Gewichtskontrolle - Zusammenspiel eines Signaltransduktionsnetzwerkes-

Signaltransduktion der Gewichtskontrolle - Zusammenspiel eines Signaltransduktionsnetzwerkes-

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Page 1: Signaltransduktion der Gewichtskontrolle - Zusammenspiel eines Signaltransduktionsnetzwerkes-

Signaltransduktion der Gewichtskontrolle

- Zusammenspiel eines Signaltransduktionsnetzwerkes-

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ÜBERGEWICHT- gesellschaflicht relevantes Gesundheitsproblem -

- ca. 30 % der erwachsenen Amerikaner sind übergewichtig !(mehr als 20% über dem Idealgewicht)

Folgen des Übergewichtes:- Bluthochdruck- Typ II Diabetes- Erkrankung der Herzkranzgefäße und Herzinfarkt- Schlaganfall- geringere Lebenserwartung

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LEPTIN

- Schlüsselregulator der Gewichtskontrolle -

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Mausmodelle für menschliche Fettsucht

Ob/Ob-Mäuse(obese-Mäuse)

Db/Db-Mäuse(diabetes-Mäuse)

Unterschiedlicher Genotyp - Identischer Phänotyp

- 3-fache des normalen Körpergewichtes- 5-fache des Körperfettanteils- abnormales Fressverhalten- lethales Übergewicht- Infertilität

- Rezessive Mutationen in den Maus-Genen obese (Chromosom 6)und diabetes (Chromosom 4)

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Leptin – Genprodukt des Obese-Gens (ob/ob)

- Parabiosis-Experimente (Verbindung der Zirkulation von normalen und obese-Mäusen) zeigten: Gewichtskontrolle erfolgt durch löslichen im Serum zirkulierenden Faktor

- Klonierung des Obese-Gens in 1994 durch Positionsklonierung (Zhang et al.)

- Ob-Gen: 650 kb , 3 Exons, 2 Introns

- 4.5 kb mRNA

- mRNA hauptsächlich in Adipozyten des weissen Fettgewebes nachweisbar

- Regulation der Transkription in Adipozyten durch spezifische Promotorelemente

unbekannt

- Mutationen im humanen obese-Gen sind äusserst selten!!

- kodiert für ein 167 Aminosäuren grosses, sekretiertes Hormon Leptin (griechisch Leptos: Dünn)

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- 16 kDa Protein (auch 19kDa Form)

- keine posttranslationalen Modifikationen

- Strukturähnlichkeiten mit Cytokinen

- hoch konserviert (Maus/Mensch: 84% Identität)

- von Adipozyten exprimiert

- keine Speicherung in Adipozyten Regulation auf transkriptioneller Ebene

- zirkuliert im Plasma

- in obese-Mäusen keine Expression von funktionsfähigem Leptin

Insertion eines Transposons in ein Intron mit defektem Spleisen der RNA

oder nonsens-Mutation trunkiertes Protein

Eigenschaften von Leptin:

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Regulation der Leptin-Expression

- Plasma-Leptin Konzentration korreliert mit der Fettmasse

- abhängig von der Adipozytengrösse und dem Triglyceridgehalt

- Anstieg der Plama-Leptinkonzentration führt zur spezifischen Reduktion der

Fettgewebsmasse, nicht des Gesamtkörpergewichtes!!

- Injektion von rekombinantem Leptin führt zur Reduktion des Fettanteils in obese-

aber nicht in diabetes-Mäusen

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- Klonierung des Leptin-Rezeptors durch Expressionsklonierung (Tartaglia, 1995)

- Klasse der Cytokin Typ 1 Rezeptoren (wie z.B. IL-6 Rezeptor)

- mindestens 5 verschiedene, durch alteratives Spleisen gebildete Isoformen (Ob-Ra-Re)

- nur die lange Ob-Rb Form vermittelt Signaltransduktion über die C-terminale Domäne

- Kd Leptin-Bindung ca. 1 nM (Plasma-Leptinkonzentration),

- 2 potentielle Leptin-Bindungsstellen

- Leptinbindung führt zur Homodimerisierung des Rezeptors

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

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Molekulare Defekte des Leptin-Rezeptors bei diabetes (db/db)-Mäusen

= Ob-Ra Isoform

Mutationen im db/db-Gen resultieren in Leptin-Rezeptoren ohne Signaltransduktionseigenschaften Transmembrandomänen korrekte Plamamembranexpression

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Leptin-Rezeptorexpression (Ob-Rb)

- Expression der verschiedenen Isoformen in allen Geweben

- Expression der Ob-Rb Form in T-Zellen und vasculären Endothelzellenund vor allem in Neuronen des Hypothalamus

Ob-Rb Expression im ZNS in neuronalen Nuklei des Hypothalamus: Arcuat-Nukleus dorsometrialer Nukleus paraventrikularer Nukleus ventromedialer Nukleus

alle diese neuronalen Zentren stehen im Zusammenhang mit Gewichtskontrolle Verlust oder Defekt dieser Gehirnbereiche führen u.a. zu erhöhterNahrungsaufnahme

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JA K

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Tyrosinkinase assoziierte Rezeptoren, IL6-R

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Signalwege der Cytokinrezeptoren der IL-6 Rezeptor Familie- Tyrosinkinase assoziierte Rezeptoren -

STAT-Signalweg

MAPK-Signalweg

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Model der Leptin-Rezeptor Signalkette

Genaktivierung

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Regulation der Fettgewebsmasse durch Leptin

Sekretion von Leptin durch das Fettgewebe nach Zunahme der Fettmasse

Plasmaleptin

spezifischer Transporter?

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Regulation der Fettgewebsmasse durch Leptin

Arcuat-Nukleus

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Regulation der Fettgewebsmasse durch Leptin- negative Rückkopplungsschleife -

Energieverbrauch/Nahrungsaufnahme

Körper(Fett-)gewicht (spezifisch für Fettgewebe)

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Biologische Reaktionen auf niedrige und hohe Leptin-Konzentrationen

Nahrungsaufnahme Fasten

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Biologische Reaktionen auf niedrige und hohe Leptin-Konzentrationen

Neuropeptid Y- Neuropeptid, von Ob-Rb exprimierenden Neuronen sezerniert (medialer Arcuatus)

- Bindung an G-Protein gekoppelten NPY-5 R Signal?

- cerebrale Injektion von NPY stimuliert die Nahrungsaufnahme

- NPY-Spiegel in ob/ob-Mäusen erhöht

- Transkription der NPY-RNA durch Leptin- Injektion in Mäusen reprimiert

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Biologische Reaktionen auf niedrige und hohe Leptin-Konzentrationen

Melanocortin (-MSH) und Antagonisten (ART und AgoutiY)

- Neuropeptide, von auch von Ob-Rb exprimierenden Neuronen sezerniert (Arcuatus)

-MSH:- aus Proopiomelanocortin (POMC) freigesetzt- Bindung an G-Protein gekoppelten MC-4 Rezeptor - cerebrale Injektion von -MSH hemmt die Nahrungsaufnahme- POMC-RNA Gehalt durch Leptin erhöht

ART und AgoutiY:- Neuropeptide (AgoutiY auch in der Haut)- Antagonisten von -MSH im Gehirn- Bindung auch an den MC-4 Rezeptor- durch Leptin reprimiert, in ob/ob-Mäusen induziert

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Biologische Reaktionen auf niedrige und hohe Leptin-Konzentrationen

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Pathobiologie des Übergewichtes

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

- geringe bis keine Gewichtreduktionbei externer Gabe von Leptin!!

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AMPK

- Sensor und Schalter des zellulären Energiestatus -

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AMPK: Struktur, Regulation und Funktion

- heterotrimers Protein aus , und -UE

- 351 AS

- Ser/Thr Kinase

- ubiquitär exprimiert

- Isoformen auch Gewebsspezifisch

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AMPK: Struktur, Regulation und Funktion

- AMPK wird aktiviert durch AMP-Bindung und Phosphorylierung

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- Masterschalter der zellulärenEnergiehomöostase

- inhibiert Energie-verbrauchendeProzesse, wie Cholesterolsynthese,Lipogenese (Inhibition von ACC)und Proteinsynthese (Inhibition vonmTOR)

- stimuliert Energie-produzierendeProzesse, wie Fettsäureoxidation Ketogenese und Glucoseaufnahme

- stimuliert die Nahrungsaufnahme

AMPK: Struktur, Regulation und Funktion

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AMPK: Inhibition der Proteinsynthese durchInteraktion mit mTOR

mTOR:- wichtiger Kontrollmechanismusder Translation

- Komplex mit Raptor und PRAS40→ mTORC

- durch Rapamycin gehemmt

- Ser/Thr-Kinase, phosphoryliert4EBP1 (Inaktivierung) und p70S6K (Aktivierung) und stimuliert so die Proteinsynthese

- wird durch Insulin über Akt stimuliert und durch die AMPK gehemmt