Oreksyny. Dwa peptydy by rządzić wszystkimi, czyli neurobiologia rytmów dobowych. Dorota Badowska III rok MISMaP: biotech + psych Warszawa 2008

Transkrypt

1 Oreksyny Dwa peptydy by rządzić wszystkimi, czyli neurobiologia rytmów dobowych Dorota Badowska III rok MISMaP: biotech + psych Warszawa 2008

2 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rights violated, is kindly requested to notify the author (neuro87@o2.pl); the questioned picture will be immediately withdrawn.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.

3 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)

4 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

5 Oreksyny Wspólny prekursor: prepro-oreksyna Oreksyny działają w mózgu jako neuromodulatory na obwodzie wydzielane do krwi jako hormony

6 Receptory dla oreksyn: działanie Dwa receptory: Ox1R i Ox2R Metabotropowe, sprzęŝone z białkami G 7 domen transbłonowych (7TM) OxA OxB Ox1R Ox2R G fosfolipaza C G Fosfokinaza C DAG IP3 [Ca2+]

7 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

8 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] szyszynka przysadka regulacja rytmu snu i czuwania, noradrenalina

9 Receptory dla oreksyn: lokalizacja (3) Lokalizacja Ox2R (dla obu oreksyn) w mózgu wzgórze i podwzgórze przegroda kora pień mózgu

10 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, (March 2007) doi: /nrn2092

11 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

12 Sakurai Nature Reviews Neuroscience 8, (March 2007) doi: /nrn2092 REM NREM czuwanie ukł nagrody

13 Oreksyny a sen i czuwanie

14 Iniekcja oreksyn Iniekcja ICV [intracerebroventricular] oreksyn podczas fizjologicznej nocy skraca czas REM i NREM wydłuŝa czas czuwania szczurzy mózg

15 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]

16 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

17 arousal Sakurai Nature Reviews Neuroscience 8, (March 2007) doi: /nrn2092 REM NREM czuwanie ukł nagrody

18 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)

19 NA i ACh podczas snu i czuwania

20 Skąd neurony oreksynergiczne wiedzą, Ŝe czas spać?? Ox

21 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)

22 Regulacja aktywności neuronów oreksynergicznych Adenozyna to produkt metabolizmu ATP Wskaźnik aktywności neuronów i gleju Adenozyna hamuje aktywność neuronów Ox poprzez receptor A 1 Adenozyna A 1 ATP Ox

23 Czynniki hamujące i pobudzające pobudzają neurony Ox Glu, ACh (w 27%) Grelina, cholecystokinina, neurotensyna Glucagon-like peptide1 Wazopresyna, oksytocyna CRF ATP GABA, ACh (6%), 5-HT, DA, NA volume transmission NPY Glukoza na zewnątrz komórki Leptyna Adenozyna hamują neurony Ox

24 Regulacja aktywności neuronów oreksynergicznych Noradrenalina i serotonina hamują aktywność neuronów Ox poprzez α 2 -adrenoreceptory i receptory 5-HT 1A Histamina nie wpływa na neurony Ox NA volume transmission? 5-HT z jąder szwu α 2 5-HT 1A Ox His z jąder guzowosuteczkowatych (TMN)

25 Narkolepsja

26 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

27 Narkolepsja u myszy knock-out Sakurai Nature Reviews Neuroscience 8, (March 2007) doi: /nrn2092

28 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

29 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, (March 2007) doi: /nrn2092

30 A oto skutki...

31 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

32 Oreksyny a zachowania pokarmowe i gospodarka energetyczna

33 Oreksyny a zachowania pokarmowe i gospodarka energetyczna Oreksyny pobudzają: apetyt i układ współczulny Zwiększają tempo metabolizmu

34 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

35 Oreksyny pobudzają apetyt: NPY Neurony NPY-ergiczne są regulowane przez OxA, grelinę i leptynę Neuropeptyd Y (NPY) jest bardzo silnym sygnałem wywołującym zachowania pokarmowe OxA Leptyna czynnik sytości grelina jądro łukowate NPY

36 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

37 Oreksyny i jądro łukowate (ARC) Ox LHA / PH nucleus arcuatus NPY POMC hamowanie pobierania pokarmu LHA / PH lateral hypothalamic area / posterior hypothalamus (boczne i tylne podwzgórze) Ox - oreksyny NPY neuropeptyd Y POMC - proopiomelanokortyna

38 Oreksyny i jądro łukowate (ARC) Ox LHA / PH nucleus arcuatus NPY POMC pobieranie pokarmu LHA / PH lateral hypothalamic area / posterior hypothalamus (boczne i tylne podwzgórze) Ox - oreksyny NPY neuropeptyd Y POMC - proopiomelanokortyna

39 Jaki to ma biologiczny sens? oreksyny pobudzenie głód FAA: szukanie poŝywienia Uwalnianie oreksyn zwiększa się u ludzi w ciągu dnia, zaś u myszy w ciągu nocy (wtedy myszy jedzą)

40 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)

41 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

42 Sakurai Nature Reviews Neuroscience 8, (March 2007) doi: /nrn2092 REM NREM czuwanie ukł nagrody

43 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

44 Oreksyny a układ nagrody Ox Oreksyny pobudzają neurony dopaminergiczne pola brzusznego nakrywki [VTA], co aktywuje j. półleŝące

45 Sakurai Nature Reviews Neuroscience 8, (March 2007) doi: /nrn2092 REM NREM czuwanie ukł nagrody

46 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

47 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]

48 Oreksyny i stres Amygdala CeN OREKSYNY mózgowe ośrodki korowe i limbiczne CRF przysadka CRF PVN podwzgórze nerwy współczulne ACTH kora nadnerczy oś HPA STRES rdzeń nadnerczy

49 Dla podsumowania: oreksyny regulują neurotransmisję NA 5-HT His ACh pień mózgu stan świadomości, sen, arousal oreksyny NPY ARC jedzenie DA NAc układ nagrody CRF HPA stres

50 Władca neurotransmiterów NA 5-HT His ACh pień mózgu stan świadomości, sen, arousal oreksyny NPY ARC jedzenie DA NAc układ nagrody CRF HPA stres

51 Sakurai Nature Reviews Neuroscience 8, (March 2007) doi: /nrn2092 REM NREM czuwanie ukł nagrody

52 Na zakończenie: synchronizacja zegar biologiczny emocje senność, zmęczenie stan najedzenia, stan energetyczny oreksyny aktywność, sen, arousal zachowania pokarmowe ukł. nagrody stres

53 Bibliografia Sakurai T. et al. The neural circuit of orexin (hypocretin): maintaining sleep and wakefulness w Nature Reviews vol. 8, (March 2007) Borodulin-Nadzieja, Woźniak, Tumińska, Całkosiński - Adv Clin Exp Med 2004, 13, 4, Borgis - Postępy Nauk Medycznych 10/2007, s LE CERVEAU A TOUS LES NIVEAUX! T.Scammell & C.Saper Orexins: looking forward to sleep, back at addiction w Nature Medicine 13, (2007) Czarnecka A Czy mózg ma płeć? - Kosmos 2003, tom 56 nr 1 str 21-27

54 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

55 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

56 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