Oreksyny

Oreksyny
Dwa peptydy by rządzić wszystkimi,
czyli neurobiologia rytmów dobowych
Dorota Badowska
III rok MISMaP: biotech + psych
Warszawa 2008
Copyright statement
• This presentation has been prepared for the meeting of the
Students’ Neurobiology Club at the Warsaw University,
thus for a non-profit activity. Pictures included, modified
to various degree, have been copied from the Internet and
literature without indicating the original source, which is
frequently difficult to trace. Whoever finds his/her rights
violated, is kindly requested to notify the author
([email protected]); the questioned picture will be
immediately withdrawn.
• Unlimited use of these slides in teaching is welcomed
provided that the users take full responsibility for it.
Oreksyny
• Oreksyny (Ox) = hipokretyny (Hcrt)
• Peptydy podwzgórza produkowane głównie w:
– w LHA [lateral hypothalamic area]
• tzw. ośrodek głodu
– PH [posterior hypothalamus]
– równieŜ w rdzeniowych neuronach wstępujących, nerwie
błędnym oraz niecholinergicznych neuronach wegetatywnych
przewodu pokarmowego (oś nerwowo-jelitowa)
Oreksyny są peptydami
• Oreksyna A (OxA) – hipokretyna 1
– Aktywniejsza biologicznie, szersze działanie
– Reguluje pobieranie pokarmu, sen i czuwanie,
uwalnianie hormonów
• Oreksyna B (OxB) = hipokretyna 2
– Działanie 100x słabsze niŜ OxA
Oreksyna A
Oreksyny
• Wspólny prekursor: prepro-oreksyna
• Oreksyny działają
– w mózgu jako neuromodulatory
– na obwodzie wydzielane do krwi jako hormony
Receptory dla oreksyn:
działanie
• Dwa receptory: Ox1R i Ox2R
– Metabotropowe, sprzęŜone z białkami G
– 7 domen transbłonowych (7TM)
OxB
OxA
Ox1R
Ox2R
G
Fosfokinaza C
G
fosfolipaza C
DAG
IP3
[Ca2+]
Receptory dla oreksyn:
lokalizacja (1)
• Receptory w mózgu i na obwodzie
• Receptory oreksyn na obwodzie:
• w przewodzie pokarmowym, trzustce, nerkach,
nadnerczach, tarczycy, jądrach, płucach
• i innych
Receptory dla oreksyn:
lokalizacja (2)
• Lokalizacja Ox1R (dla OxA) w mózgu:
– podwzgórze
– boczne (LHA) - ośrodek głodu
– brzuszno-przyśrodkowe (VMH) - ośrodek sytości
– TeŜ regulacja uwalniania hormonów tropowych
– hipokamp
– jądro miejsca sinawego [locus coeruleus, LC]
– regulacja rytmu snu i czuwania, noradrenalina
– szyszynka
– przysadka
Receptory dla oreksyn:
lokalizacja (3)
• Lokalizacja Ox2R (dla obu oreksyn)
– w mózgu
•
•
•
•
wzgórze i podwzgórze
przegroda
kora
pień mózgu
LC – locus coeruleus
(miejsce sinawe, NA)
TMN – tuberomamillary
nucleus (j. guzkowosuteczkowate, His)
Raphe – jądra szwu
(5-HT)
LDT – laterodorsal
tegmental nuclei (ACh)
VTA – ventral tegmental
area (DA)
PPT – pedunclopontine
tegmental nuclei (ACh)
Sakurai Nature Reviews Neuroscience 8, 171–181 (March 2007) | doi:10.1038/nrn2092
Funkcje oreksyn
• Wywołują zachowania pokarmowe
• Regulują stan pobudzenia i fazę snu
– zapobiegają zasypianiu
– podtrzymują czuwanie, reakcja arousal
• Inne:
– Udział w regulacji homeostazy, emocji, układu
nagrody, mają wpływ na uzaleŜnianie się
Sakurai Nature Reviews Neuroscience 8, 171–181 (March 2007) | doi:10.1038/nrn2092
REM NREM czuwanie ukł nagrody
Oreksyny a sen i czuwanie
Iniekcja oreksyn
• Iniekcja ICV [intracerebroventricular]
oreksyn podczas fizjologicznej nocy
– skraca czas REM i NREM
– wydłuŜa czas czuwania
szczurzy mózg
Projekcje oreksynergiczne
• Projekcja z LHA [lateral hypothalamic
area] i PH [posterior hypothalamus]
– do całego mózgu
• Bardzo silna projekcja Ox do:
– miejsca sinawego [LC – locus coeruleus]
– j. guzkowato-suteczkowego [TMN]
– grzbietowych jąder szwu [DR – dorsal raphe]
Oreksyny podtrzymują czuwanie
• Pobudzając neurony NA-, 5-HT-, ACh- i
histaminergiczne, oreksyny wywołują
reakcję arousal i podtrzymują czuwanie
• DuŜe znaczenie ma aktywacja neuronów
His w TMN (j. guzowo-suteczkowate)
– w TMN są głównie receptory Ox2R
– Ox2R knock-out daje objawy narkolepsji
arousal
Sakurai Nature Reviews Neuroscience 8, 171–181 (March 2007) | doi:10.1038/nrn2092
REM NREM czuwanie ukł nagrody
Synchronizacja
• Oreksyny synchronizują uwalnianie amin
monoaminergicznych:
– 5-HT z jąder szwu (Raphe, DR)
– NA z miejsca sinawego (LC)
– His z jąder guzowo-suteczkowatych
podwzgórza (TMN)
• Oraz
– DA z pola brzusznego nakrywki (VTA)
NA i ACh podczas snu i czuwania
http://thebrain.mcgill.ca
Skąd neurony oreksynergiczne
wiedzą, Ŝe czas spać?
?
Ox
Skąd neurony oreksynergiczne
wiedzą, Ŝe czas spać?
Ich aktywność regulowana przez szereg czynników
Nuda, Panie...
zegar biologiczny
(SCN)
pobudzenie organizmu
(aminy monoaminergiczne np. NA)
zmęczenie
(adenozyna)
Regulacja aktywności neuronów
oreksynergicznych
• Adenozyna to produkt metabolizmu ATP
• Wskaźnik aktywności neuronów i gleju
• Adenozyna hamuje aktywność
neuronów Ox poprzez receptor A1
Adenozyna
A1
ATP
Ox
Czynniki hamujące i pobudzające
pobudzają neurony Ox
• Glu, ACh (w 27%)
• Grelina,
cholecystokinina,
neurotensyna
• Glucagon-like
peptide1
• Wazopresyna,
oksytocyna
• CRF
• ATP
hamują neurony Ox
• GABA, ACh (6%),
5-HT,
• DA, NA
– volume transmission
• NPY
• Glukoza
– na zewnątrz komórki
• Leptyna
• Adenozyna
Regulacja aktywności neuronów
oreksynergicznych
• Noradrenalina i serotonina hamują aktywność
neuronów Ox poprzez α2-adrenoreceptory i
receptory 5-HT1A
• Histamina nie wpływa na neurony Ox
NA volume
transmission?
5-HT
z jąder szwu
His
α2
z jąder guzowosuteczkowatych (TMN)
5-HT1A
Ox
Narkolepsja
Narkolepsja i katapleksja
• Objawy: nagłe przechodzenie ze stanu
czuwania bezpośrednio do snu REM
(lub NREM)
• Często współwystępuje z katapleksją
– czyli zwiotczeniem mięśni przy zachowaniu
świadomości
• Brak działania oreksyn lub ich receptorów
Narkolepsja u myszy knock-out
Sakurai Nature Reviews Neuroscience 8, 171–181 (March 2007) | doi:10.1038/nrn2092
Narkolepsja - mechanizmy
• Brak aktywacji Ox2R
– Nagłe przechodzenie ze stanu czuwania do snu
NREM
• Brak aktywacji Ox1R i Ox2R
– Bezpośrednie przechodzenie od stanu czuwania
do snu REM
– Katapleksja
– ParaliŜ przysenny, halucynacje hypnagogiczne
SCN – jądro
nadskrzyŜowaniowe w
podwzgórzu,
reguluje cykl dobowy
A
d
e
n
o
z
y
n
a
VLPO – ventrolateral
preoptic area w podwzgórzu,
hamując neurony Ox
powoduje zasypianie i
podtrzymywanie snu NREM
Sakurai Nature Reviews Neuroscience 8, 171–181
(March 2007) | doi:10.1038/nrn2092
A oto skutki...
Znaczenie oreksyn dla wagi ciała
• ObniŜone spoŜycie kalorii i wysoki BMI
u pacjentów narkoleptycznych
• Podobnie u myszy pozbawionych
działania oreksyn
– podanie antagonistów receptorów Ox1R
– iniekcja ICV przeciwciał anty-Ox
– knock-outs
Oreksyny a zachowania pokarmowe
i gospodarka energetyczna
Oreksyny a zachowania pokarmowe
i gospodarka energetyczna
• Oreksyny pobudzają:
– apetyt
– i układ współczulny
• Zwiększają tempo
metabolizmu
Regulacja aktywności neuronów
oreksynergicznych - głód
• Aktywność wzrasta pod wpływem głodzenia (uwalniana
grelina) i spadku stęŜenia glukozy
• Hamowanie przez czuciowy szlak nerwu błędnego
hipoglikemia
nerw X (błędny)
głodzenie
grelina
Ox
Oreksyny pobudzają apetyt: NPY
• Neurony NPY-ergiczne są regulowane przez OxA,
grelinę i leptynę
• Neuropeptyd Y (NPY) jest bardzo silnym
sygnałem wywołującym zachowania pokarmowe
Leptyna
OxA
„czynnik sytości”
grelina
jądro łukowate
NPY
Oreksyny pobudzają apetyt: ARC
• Silna projekcja Ox do jądra łukowatego
podwzgórza [nucleus arcuatus]
ARC – nucleus
arcuatus
LH – boczne
podwzgórze
VMH – jądro brzusznoprzyśrodkowe
DMH – jądro
grzbietowoprzyśrodkowe
Oreksyny i jądro łukowate (ARC)
LHA / PH
Ox
nucleus arcuatus
LHA / PH – lateral hypothalamic
area / posterior hypothalamus
(boczne i tylne podwzgórze)
Ox - oreksyny
NPY
POMC
hamowanie pobierania pokarmu
NPY – neuropeptyd Y
POMC - proopiomelanokortyna
Oreksyny i jądro łukowate (ARC)
LHA / PH
Ox
nucleus arcuatus
LHA / PH – lateral hypothalamic
area / posterior hypothalamus
(boczne i tylne podwzgórze)
Ox - oreksyny
NPY
POMC
pobieranie pokarmu
NPY – neuropeptyd Y
POMC - proopiomelanokortyna
Jaki to ma biologiczny sens?
oreksyny
głód
pobudzenie
FAA:
szukanie
poŜywienia
• Uwalnianie oreksyn zwiększa się u ludzi w ciągu dnia,
zaś u myszy w ciągu nocy (wtedy myszy jedzą)
Jaki to ma biologiczny sens?
• Głód zwiększa uwalnianie oreksyn, co
powoduje zwiększenie naszej czujności (teŜ
wyostrzenie zmysłów) i co za tym idzie
umoŜliwia aktywne poszukiwanie pokarmu
• Uwalnianie oreksyn zwiększa się w ciągu
dnia u ludzi, zaś u myszy w ciągu nocy
(wtedy myszy jedzą)
Cykl dobowy i „pokarmowy”
• Głodzenie wywołuje oscylacje ekspresji
genów zegara w j. grzbietowoprzyśrodkowym podwzgórza
– DMH – dorsomedial hypothalamic nucleus
• Projekcja DMH do neuronów
oreksynergicznych jest kluczowa dla
oscylacji FAA
– FAA = food anticipatory activity = aktywność
regulowana przyjmowaniem pokarmu
Sakurai Nature Reviews Neuroscience 8, 171–181 (March 2007) | doi:10.1038/nrn2092
REM NREM czuwanie ukł nagrody
Indukcja pobierania pokarmu
• Wpływ Ox i NPY na jądro półleŜące
[nucleus accumbens, NAc]
– Struktura układu mezolimbicznego
– Regulacja reakcji ruchowych,
czynności popędowo-emocjonalnych,
odczuwania przyjemności (układ nagrody)
• Układ limbiczny ma wpływ na pobieranie
pokarmu
Oreksyny a układ nagrody
Ox
Oreksyny pobudzają neurony dopaminergiczne pola
brzusznego nakrywki [VTA], co aktywuje j. półleŜące
Sakurai Nature Reviews Neuroscience 8, 171–181 (March 2007) | doi:10.1038/nrn2092
REM NREM czuwanie ukł nagrody
Oreksyny a narkotyki
• Odporność na działanie morfiny:
– Knock-out dla genu prepro-oreksyny
– Podanie antagonisty Ox1R do VTA
• W przypadku kokainy brak Ox
blokuje sensytyzację
• Mniejsza podatność pacjentów narkoleptycznych
na uzaleŜnienie od amfetaminy
Oreksyny i stres
• Iniekcja ICV oreksyn
– stymuluje oś HPA
(podwzgórze-przysadka-nadnercza)
– ObniŜa sekrecję prolaktyny => napięcie
• OxA pobudza wydzielanie CRF
[corticotropin releasing factor] w:
– PVN [periventricular hypothalamic nucleus]
– CeA [central nucleus of the amygdala]
Oreksyny i stres
OREKSYNY
Amygdala
mózgowe ośrodki
korowe i limbiczne
CeN
CRF
CRF
przysadka
PVN
podwzgórze
nerwy
współczulne
ACTH
oś HPA
kora
nadnerczy
STRES
rdzeń
nadnerczy
Dla podsumowania:
oreksyny regulują neurotransmisję
oreksyny
NA
5-HT
His
ACh
pień
mózgu
stan
świadomości,
sen,
arousal
NPY
ARC
jedzenie
DA
NAc
układ nagrody
CRF
HPA
stres
Władca neurotransmiterów
oreksyny
NA
5-HT
His
ACh
pień
mózgu
stan
świadomości,
sen,
arousal
NPY
ARC
jedzenie
DA
NAc
układ nagrody
CRF
HPA
stres
Sakurai Nature Reviews Neuroscience 8, 171–181 (March 2007) | doi:10.1038/nrn2092
REM NREM czuwanie ukł nagrody
Na zakończenie: synchronizacja
zegar biologiczny
aktywność,
sen, arousal
emocje
senność,
zmęczenie
oreksyny
zachowania
pokarmowe
ukł. nagrody
stan najedzenia,
stan energetyczny
stres
Bibliografia
• Sakurai T. et al. „The neural circuit of orexin (hypocretin):
maintaining sleep and wakefulness” w Nature Reviews – vol. 8,
171-180 (March 2007)
• Borodulin-Nadzieja, Woźniak, Tumińska, Całkosiński - Adv Clin
Exp Med 2004, 13, 4, 689–695
http://www.dbc.wroc.pl/Content/2238/24_Boro2.pdf
• Borgis - Postępy Nauk Medycznych 10/2007, s. 425-429
http://www.czytelniamedyczna.pl/postepy_nauk_medycznych-109
•
LE CERVEAU A TOUS LES NIVEAUX! http://thebrain.mcgill.ca/
•
T.Scammell & C.Saper „Orexins: looking forward to sleep, back at addiction” w
Nature Medicine 13, 126 - 128 (2007)
Czarnecka A „Czy mózg ma płeć?” - Kosmos 2003, tom 56 nr 1 str 21-27
•
Oreksyny są peptydami
• OxA ma 33AA
• Gen na 17. Chromosomie
– 2 eksony i 1 intron
– Sekwencja kodująca na 2 eksonie
• Obie Ox powstają ze
wspólnego prekursora:
preprooreksyny (ok. 130AA)
Oreksyna A
Cząsteczka oreksyny A
• 33AA, masa 3,5 kDA
• Sekwencja konserwowana ewolucyjnie
• 4 reszty Cys, 2 mostki dwusiarczkowe
• Transaminacja na N-końcu
– Powstaje cykliczny pyroglutamyl
• Lipofilna
– przenika barierę krew-mózg
• Stabilna i aktywniejsza niŜ OxB
Oreksyna A
Cząsteczka oreksyny B
• 28AA, masa 2,9 kDA
• Budowa liniowa
• 46% homologii z sekw OxA
– Na C-końcu grupa amidowa - tak jak w OxA
• 100x mniej stabilna i aktywna niŜ OxA
• Mniej rozpowszechniona niŜ OxA