Раздел медицины:
Эндокринная хирургия

Сигнальные пути лептина при сахарном диабете 2-го типа

1209 0
В настоящее время выявлено несколько внутриклеточных сигнальных каскадов, которые активируются лептином через рецептор полноразмерной формы лептинового рецептора (OBRb). Важнейшей сигнальной молекулой, которая тесно ассоциирована с лептиновым рецептором и опосредует основные эффекты лептина, является нерецепторная тирозинкиназа JAK2 (Janus tyrosine kinase 2).

JAK2-киназы

Киназа JAK2 является представителем семейства Janus-киназ и включает два киназных домена, один из которых наделен тирозинкиназной активностью. При связывании лептина с рецептором происходит активация JAK2-киназы, что вызывает сначала ее аутофосфорилирование, а затем фосфорилирование цитоплазматического домена рецептора OBRb по остаткам тирозина, результатом чего является запуск сразу нескольких внутриклеточных каскадов (рис. 7).

Основными мишенями JAK2-киназы являются остатки Tyr985, Tyr1077 и Tyr1138, которые в фосфорилированном состоянии обеспечивают взаимодействие активированного рецептора OBRb с несколькими SН2-домен-содержащими белками. Так фосфорилированные остатки Tyr1077 и Tyr1138 взаимодействуют с SH2-домен-содержащими транскрипционными факторами STAT5 и STAT3, в то время как фосфо-Tyr985-С с тирозиновой фосфатазой SHP2.

Важную роль в регуляции пищевого поведения играют JAK2-зависимые STAT3- и STAT5-сигнальные пути. Фосфорилированный JAK2-киназой остаток Tyr1138 лептинового рецептора специфично связывается с белком STAT3, в результате чего образуется комплекс OBRb-STAT3-JAK2-киназа.

На следующем этапе JAK2-киназа фосфорилирует STAT3, вызывает его димеризацию и обеспечивает транслокацию гомодимерного STAT3-комплекса в ядро, где он функционирует, как транскрипционный фактор, контролирующий экспрессию STAT3-зависимых генов, в том числе гена, кодирующего супрессор-3 цитокинового сигналинга (suppressor of cytokine signaling 3, SOCS3).

Белок SOCS3 является негативным регулятором лептинового сигналинга, который взаимодействует с фосфорилированным остатком Tyr985 и выключает зависимые от него сигнальные каскады. Замена Tyr1138 на остатки Ser или Phe препятствует активации белка STAT3 мутантным рецептором полноразмерной формы лептинового рецептора и приводит к ожирению и гиперфагии. К сходному результату приводит и нокаут гена, кодирующего белок STAT3.

Показано, что мыши, нокаутные по STAT3 в гипоталамических нейронах, экспрессирующих рецептор OBRb, имеют сильно выраженное ожирение. Фосфо-Tyr1077 взаимодействует с транскрипционным фактором STAT5, который, как и STAT3, после фосфорилирования JAK2-киназой димеризуется, транслоцируется в ядро и активирует экспрессию STAT5-зависимых генов. Имеются данные о том, что белок STAT5 также может взаимодействовать с фосфо-Tyr1138, что указывает на двойную специфичность Tyr1138-содержащего сайта в отношении семейства транскрипционных факторов STAT.

При этом опосредуемая фосфо-Tyr1138 активация обоих подтипов STAT5 - STAT5a и STAT5b носит транзиторный характер, и длительное взаимодействие STAT5 с лептиновым рецептором, фосфорилированным по Tyr1138, в конечном итоге, приводит к ингибированию STAT5-зависимой транскрипции. К такому же результату приводит и длительная активация STAT3-белка. Нейрон-специфичный нокаут белка STAT5 приводит к повышению потребления пищи и сильно выраженному ожирению, в то время как активация этого белка в гипоталамических нейронах, напротив, в значительной степени снижает аппетит.

Показано также, что самки мышей, у которых в гипоталамических нейронах экспрессирован лептиновый рецептор с заменой Tyr1077 на остаток фенилаланина, не только имели умеренное повышение массы жировой ткани, но и характеризовались значительными нарушениями эстрального цикла. Эти данные свидетельствуют о роли гипоталамических STAT5-зависимых путей, регулируемых через посредство фосфо-Tyr1077 лептинового рецептора, в интегрировании репродуктивных функций, с одной стороны, и липидным метаболизмом и адипозностью, с другой.

Активация SHP2-фосфатазы, вызываемая ее взаимодействием с фосфо-Tyr985, приводит к активации каскада митогенактивируемых протеинкиназ (МАПК), в том числе их конечного эфекторного звена этого каскада - ЕРК1/2-киназ. SHP2-зависимая активация ERK1/2 играет важную роль в регуляторном влиянии лептина на пищевое поведение, а также на термогенез в бурой жировой ткани, на что указывают следующие данные.

Выключение в гипоталамических нейронах гена, кодирующего SHP2-фосфатазу, как и фармакологическое ингибирование активности ЕРК1/2-киназ, приводит к потере способности лептина регулировать пищевое поведение и термогенез и вызывает повышение массы жировой ткани у экспериментальных животных.

Селективное ингибирование активности ERK1/2-киназ в нейронах аркуатных ядер гипоталамуса полностью ингибирует аноректический эффект лептина и подавляет его способность снижать массу тела, хотя при этом стимулирующее влияние лептина на активность STAT3-белка и 3-фосфоинозитидный путь сохраняется.

Антагонисты ERK1/2-киназ также нарушают регуляцию лептином термогенеза, которая осуществляется вследствие его воздействия на бурую жировую ткань через посредство симпатической нервной системы. При этом влияние лептина на функции почек и надпочечников, также осуществляемое через симпатическую нервную систему, сохраняется.

Замена остатка Tyr985 на фенилаланин в рецепторе OBRb в гипоталамических нейронах мышей приводит к лептиновой резистентности и, как следствие, к нарушению энергетического обмена и ожирению, причем степень выраженности метаболических нарушений сильно зависит от возраста и калорийности потребляемой пищи. Это может указывать на важную роль сайта фосфо-Tyr985 и зависимых от него ERK1/2-сигнальных путей гипоталамуса в противодействии нарушениям энергетического обмена при старении и в условиях высококалорийной диеты.

Наряду с зависимыми от тирозинового фосфорилирования, имеются и другие молекулярные механизмы, участвующие в реализации сигнальных функций лептина, хотя многие из них также модулируются через фосфорилированные остатки Tyr985, Tyr1077 и Tyr1138.

Действительно, замена в лептиновом рецепторе всех трех тирозинов на остатки фенилаланина хотя и приводит к гиперфагии, метаболическим нарушениям и ожирению, но их тяжесть менее выражена, чем в случае отсутствия лептинового рецептора. При этом следует отметить, что у мышей с заменами всех трех тирозинов ожирение и нарушение толерантности к глюкозе более выражено, чем у животных с заменой только одного остатка тирозина, например Tyr1138.


В связанном с лептином состоянии полноразмерная форма лептинового рецептора, подобно рецепторам инсулина и ИФР-1, активирует IRS-белки и нижележащие эффекторные белки, в том числе PI3K и AKT-киназу. Для эффективного связывания с IRS-белками сначала образуется комплекс, который включает активированный рецептор OBRb, фосфорилированную форму JAK2-киназы и адапторный SH2-домен-содержащий белок SH2B1, с которым, в конечном итоге, и взаимодействует IRS-белок.

Стимулирующий эффект лептина на 3-фосфоинозитидный путь выявлен в условиях in vivo в анорексигенных POMC/CART-нейронах аркуатных ядер гипоталамуса мышей. Этот эффект лептина обнаружен также на периферии при прямом его действии на адипоциты, гепатоциты и мышечные клетки. Через посредство IRS-белков, PI3K и AKT-киназы лептин вызывает аноректический эффект, действуя, как отмечалось выше, на POMC/CART-нейроны и регулируя, таким образом, секрецию и продукцию пептидов меланокортинового семейства, подавляющих аппетит.

Блокирование 3-фосфоинозитидного пути с помощью специфичных ингибиторов PI3K или нокаута генов, кодирующих адапторный SH2B1-белок или IRS-2-белок, приводит к лептиновой резистентности и ожирению. Показано также, что нокаут гена, кодирующего SH2B1-белок в мозге, гипоталамусе, печени, мышцах, жировой ткани, сердце, поджелудочной железе, приводит к лептиновой резистентности и ассоциированным с ней метаболическим расстройствам - дислипидемии, ожирению, нарушению толерантности к глюкозе.

В то же время индукция экспрессии гена для В-изоформы SH2B1-белка только в ЦНС была достаточной для значительного улучшения метаболических показателей, и полностью восстанавливала регулируемый лептином JAK2-зависимый сигналинг и зависимую от него секрецию анорексигеных пептидов в гипоталамических нейронах.

Повышенная экспрессия гена для В-изоформы SH2B1-белка в нейрональных клетках полностью защищала животных от ожирения, вызываемого высококалорийной диетой, и восстанавливала чувствительность к лептину и инсулину. Недавно было показано, что у людей мутации в генах, кодирующих а- и В-изоформы SH2B1-белка, ассоциированы с развитием раннего ожирения и другими метаболическими расстройствами, а также с дисфункциями в развитии ЦНС в онтогенезе.

Поскольку IRS-белки, PI3K и AKT-киназа являются важнейшими компонентами сигнальных систем, регулируемых как инсулином/ИФР-1, так и лептином, то они обеспечивают функциональное взаимодействие между инсулиновой/ИФР-1 и лептиновой сигнальными системами в норме и при диабетической патологии. Это в значительной степени определяет механизмы влияния лептина на чувствительность тканей к инсулину и инсулиноподобному фактору роста-1 (ИФР-1).

Транскрипционный фактор

Сходными являются и некоторые мишени фермента AKT-киназы, которые в случае лептинового сигналинга включают транскрипционный фактор FoxO1, комплекс mTORC1, включающий серин/треониновую протеинкиназу mTOR, который активирует рибосомальную p70 S6-киназу и функционально связан с AKT-киназой через регуляторные белки TSC1 и TSC2 (Tuberous Sclerosis Protein) (рис. 7).

Транскрипционный фактор FoxO1 участвует в регуляции экспрессии пептидов меланокортинового семейства, агути-подобного пептида, нейропептида Y, и таким образом вовлечен в контроль пищевого поведения и центрального и периферического метаболизма. Фосфорилирование белка FoxO1, вызываемое AKT-киназой, приводит к его инактивации, что сопровождается снижением аппетита, подавлением глюконеогенеза, нормализует липидный и углеводный обмен.

Повышение экспрессии белка FoxO1 в аркуатных ядрах гипоталамуса приводит к повышению аппетита и подавляет аноректический эффект лептина, в то время как нокаут кодирующего его гена или экспрессия мутантной формы FoxO1, напротив, снижают аппетит, действуя подобно лептину. Делеция гена для белка FoxO1 в POMC/CART-нейронах полностью предотвращает ожирение и гиперфагию у мышей, нокаутных по гену, кодирующему IRS-2-белок.

inssah9.jpg
Рисунок 7. Сигнальные пути лептина

Другие мишени AKT-киназы - протеинкиназа mTOR и функционально связанная с ней рибосомальная p70 S6-киназа также вовлечены в регуляцию лептином пищевого поведения и энергетического гомеостаза. Конститутивная активация рибосомальной p70 S6-киназы в медиобазальном гипоталамусе защищает крыс от ожирения при потреблении ими обогащенной жирами пищи, в то время как ингибирование ее активности, напротив, вызывает ожирение.

Установлено также, что PI3K и нижележащие эффекторные белки играют ключевую роль в генерации лептином сигнала, передаваемого через симпатическую и парасимпатическую нервную систему к печени, причем этот сигнал не зависит от эффектов лептина на пищевое поведение и массу тела. Регуляторное действие лептина на гепатоциты реализуется только в случае его введения в аркуатные ядра гипоталамуса, в то время как введение лептина в паравентрикулярные ядра в этом отношении не эффективно.

Субстратом для рибосомальной p70 S6-киназы является 5'-АМФ-активируемая киназа (AMPK), которая активируется низким соотношением АТФ/АДФ в ЦНС и выполняет функции энергетического сенсора. Активация лептином рибосомальной p70 S6-киназы  в  аркуатных  и  паравентрикулярных ядрах гипоталамуса приводит к фосфорилированию а2-изоформы AMPK по остатку Ser491, результатом чего является ингибирование активности фермента.

Ингибирование AMPK приводит к активации нижележащего фермента ацетил-CoA карбоксилазы (acetyl-CoA carboxylase, ACC), который контролирует биосинтез жирных кислот, что, в свою очередь, ведет к повышению уровня малонил-CoA в аркуатных ядрах и пальмитоил-CoA в паравентрикулярных ядрах гипоталамуса. Выключение ацетил-CoA карбоксилазы блокирует аноректический эффект лептина, что указывает на ключевую роль этого фермента в регуляции лептином энергетического гомеостаза.

Обнаружено также, что стимулирующее влияние повышенного уровня глюкозы на лептиновый сигналинг в мозге также осуществляется через сигнальный каскад, включающий АМФ-зависимую протеинкиназу. Ряд авторов считают, что ингибирование лептином AMPK в гипоталамических нейронах является одним из основных механизмов центральной регуляции энергетического гомеостаза этим адипокином. Показано также, что AMPK в нейронах аркуатного ядра гипоталамуса опосредует регуляцию лептином активности блуждающего нерва печени.

А.О. Шпаков, К.В. Деркач
Похожие статьи
показать еще
 
Категории