Der Leptin –Rezeptor

Signaltransduktion der
Gewichtskontrolle
- Zusammenspiel eines
Signaltransduktionsnetzwerkes-
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
LEPTIN
- Schlüsselregulator der Gewichtskontrolle -
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)
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)
Eigenschaften von Leptin:
- 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
Regulation der Leptin-Expression
Gewebe
Anstieg
Abfall
Fettgewebe
überhöhte Nahrungsaufnahme Fasten
krankhafte Fettsucht
Testosteron
Insulin
ß-adrenerge Agonisten
Glucocortikoide
Cytokine (TNF, IL-1)
Infektionen
- 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 obeseaber nicht in diabetes-Mäusen
Der Leptin –Rezeptor
- Genprodukt des Diabetes-Gens (db/db) -
- 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
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
Leptin-Rezeptorexpression (Ob-Rb)
- Expression der verschiedenen Isoformen in allen Geweben
- Expression der Ob-Rb Form in T-Zellen und vasculären Endothelzellen
und 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 erhöhter
Nahrungsaufnahme
Signalwege der Cytokinrezeptoren der IL-6 Rezeptor Familie
- Tyrosinkinase assoziierte Rezeptoren -
Tyrosinkinase assoziierte Rezept
MAPK-Signalweg
JAK
JAK
S TAT
-Y-P shc
STAT-Signalweg
STA
T
JAK
T
TA
S
P-Y-
SOS
gp130
IL6-R
gp130
IL6-R
gp130
IL6
ra
GD
G
-P
K
Model der Leptin-Rezeptor Signalkette
Genaktivierung
Regulation der Fettgewebsmasse durch Leptin
spezifischer Transporter?
Plasmaleptin 
Sekretion von Leptin durch das Fettgewebe nach
Zunahme der Fettmasse
Regulation der Fettgewebsmasse durch Leptin
Arcuat-Nukleus
Regulation der Fettgewebsmasse durch Leptin
- negative Rückkopplungsschleife -
Energieverbrauch/Nahrungsaufnahme 
Körper(Fett-)gewicht 
(spezifisch für Fettgewebe)
Biologische Reaktionen auf niedrige und hohe
Leptin-Konzentrationen
Nahrungsaufnahme
Fasten
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 LeptinInjektion in Mäusen reprimiert
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
Biologische Reaktionen auf niedrige und hohe
Leptin-Konzentrationen
Pathobiologie des Übergewichtes
- bei den meisten Fällen von
Übergewicht zu beobachten
 Downregulation?
 Genetische Faktoren?
- geringe bis keine Gewichtreduktion
bei externer Gabe von Leptin!!
AMPK
- Sensor und Schalter des
zellulären Energiestatus -
AMPK: Struktur, Regulation und Funktion
- heterotrimers Protein aus , b
und g-UE
- 351 AS
- Ser/Thr Kinase
- ubiquitär exprimiert
- Isoformen auch Gewebsspezifisch
AMPK: Struktur, Regulation und Funktion
- AMPK wird aktiviert durch AMP-Bindung und Phosphorylierung
AMPK: Struktur, Regulation und Funktion
- Masterschalter der zellulären
Energiehomöostase
- inhibiert Energie-verbrauchende
Prozesse, wie Cholesterolsynthese,
Lipogenese (Inhibition von ACC)
und Proteinsynthese (Inhibition von
mTOR)
- stimuliert Energie-produzierende
Prozesse, wie Fettsäureoxidation
Ketogenese und Glucoseaufnahme
- stimuliert die Nahrungsaufnahme
AMPK: Inhibition der Proteinsynthese durch
Interaktion mit mTOR
mTOR:
- wichtiger Kontrollmechanismus
der Translation
- Komplex mit Raptor und PRAS40
→ mTORC
- durch Rapamycin gehemmt
- Ser/Thr-Kinase, phosphoryliert
4EBP1 (Inaktivierung) und p70S6K
(Aktivierung) und stimuliert so die
Proteinsynthese
- wird durch Insulin über Akt
stimuliert und durch die AMPK
gehemmt