A glükokortikoidok szerepének dekonstrukciója a zsírszövetbiológiában és a központi elhízás kialakulásában

Mi-Jeong Lee

1 Orvostudományi Tanszék, Endokrinológiai szekció, Cukorbetegség és táplálkozás, Bostoni Egyetem Orvostudományi Kar, Boston, Massachusetts, USA

Pornpoj Pramyothin

1 Orvostudományi Tanszék, Endokrinológiai szekció, Cukorbetegség és táplálkozás, Bostoni Egyetem Orvostudományi Kar, Boston, Massachusetts, USA

2 Orvostudományi Kar, Orvostudományi Kar, Siriraj Kórház, Mahidol Egyetem, Bangkok, Thaiföld

Kalypso Karastergiou

1 Orvostudományi Tanszék, Endokrinológiai szekció, Cukorbetegség és táplálkozás, Bostoni Egyetem Orvostudományi Kar, Boston, Massachusetts, USA

Susan K. Fried

1 Orvostudományi Tanszék, Endokrinológiai szekció, Cukorbetegség és táplálkozás, Bostoni Egyetem Orvostudományi Kar, Boston, Massachusetts, USA

Absztrakt

1. Bemutatkozás

A GC in vivo hatásai összetettek. A kórélettani szint az izomfehérje lebomlását, valamint a szisztémás inzulinrezisztenciát okozza, míg a fiziológiai szint döntő fontosságú a tárolt üzemanyag mozgósításában a „harc vagy menekülési válasz” céljából, valamint a zsírraktárak feltöltéséhez, amikor az inzulinszint emelkedik az etetéssel. A legtöbb in vivo vizsgálat magában foglalja a GC magas koncentrációinak beadását, amely nem nyújt betekintést abba, hogy a szisztémás és szöveti kortizolszint egész napos fiziológiai változásai hogyan befolyásolják a szisztémás és szövetspecifikus anyagcserét. Ezenkívül a hiperkortizolémia adipocitákra gyakorolt in vivo következményeinek elemzését részben megzavarja a táplálékbevitel változása, a kompenzációs hiperinsulinémia és a szimpatikus idegrendszer aktiválása [66]. Az in vitro GC-hatás vizsgálatát szintén gyakran nehéz értelmezni, mivel általában folyamatos kezelést jelent nagyon magas szintű dexametazonnal (Dex), egy II-es típusú glükokortikoid receptor (GR) agonistával.

A GC-k különböző hatással vannak a zsírszövet biológiájára. Szükségük van a lipogén gének indukciójára, szabályozzák a lipolízist [85] és a zsír endokrin funkcióját [9,29,60,63], és fontos szerepet játszanak a zsírszövet gyulladásának visszaszorításában az elhízásban [84]. GC-k szükségesek az adipocita prekurzorok differenciálódásához [40,80] és az adipogén gének fenntartásához a tenyésztett adipocytákban és a zsírszövetekben is [63,126]. Egyre több tanulmány foglalkozik a GC és az inzulin kölcsönhatásával, valamint a két fő hormon közötti szinergizmusok hatásával a zsíreloszlás és a működés szabályozásában in vivo és in vitro.

Itt áttekintjük a GC zsírszövetre gyakorolt hatásainak rendelkezésre álló ismereteit, megkísérelve megkülönböztetni a GC hatásait a szövetekben elhelyezkedő különféle sejttípusokra, valamint tanulmányozunk sejttenyésztési modelleket, amelyek megvizsgálják a GC közvetlen hatásait az adipocytára. Röviden áttekintjük a sejtek és molekulák mechanizmusait, amelyek közvetítik a GC hatását az előreceptorok és a receptorok szintjén, és megvitatjuk azokat a mechanizmusok jelenlegi megértését, amelyek révén a GC befolyásolják az adipozitást és a zsíreloszlást.

2. A glükokortikoidok elősegítik a zsírlerakódást és a központi zsírosodást

A GC hatását a zsírszövet felhalmozódására egyértelműen bizonyítják a korai vizsgálatok, amelyek azt mutatják, hogy az adrenalectomia megakadályozza az elhízást Zucker patkányokban, és ezt megfordítja a kortikoszteron pótlása [28]. Egérmodellekben a 11-béta-hidroxi-szteroid-dehidrogenáz 1 (HSD1) túlzott expressziója zsírspecifikus promóter (aP2) alkalmazásával, amely magas fokú kortikoszteron-koncentrációt eredményez a zsírszövetben, a mezenterális (viscerális) zsír preferenciális expanzióját eredményezi az adipocita hipertrófia miatt [72 ]. Ezzel szemben a HSD1 genetikai vagy farmakológiai inaktiválása sovány, inzulin-érzékeny fenotípust eredményez [51,53,75].

Emberben a kortizolfelesleg szisztémás szinten a központi, különösen a zsigeri zsírszövetek 2–5-szörös növekedését eredményezi (Cushing-szindróma), míg a perifériás sc depók hulladékot eredményeznek [35,93,119]. Bár a klinikai szakirodalom a perifériás zsírpazarlást írja le Cushing-szindrómában, az egész test képalkotó módszereivel a különböző sc helyeken kifejtett hatás nagysága és a kezeléssel való reverzibilitása továbbra sem dokumentált. Egy tanulmány szerint a Cushing-szindrómában elvesznek az elvárt depó különbségek a két fő sc depó között, vagyis kisebb hasi, mint gluteo-femorális adipociták [91], ami a hasi adipociták hipertrófiájára utal. A hasi zsírszövet preferenciális terjeszkedését Cushing-szindrómában - legalábbis részben - a lipoprotein lipáz (LPL) megnövekedett aktivitása, a sebességet meghatározó lépés a keringő TG-zsírsavak adipocitákba történő felvételének sebessége, valamint alacsony lipolitikus sebesség [91] (szintén [70] áttekintve). További in vitro és in vivo vizsgálatok, amelyek nyomjelző módszereket alkalmaznak, egyértelműen szükségesek annak megértéséhez, hogy az akut és krónikus hiperkortizolémia hogyan segíti elő a központi zsírlerakódást, miközben pazarolja a perifériás sc depókat.

3. A szisztémás vagy lokális glükokortikoid-felesleg hozzájárul-e a központi zsírbetegséghez?

3.1. A szisztémás kortizolszint normális az elhízásban

Figyelembe kell venni a kortizol cirkadián-változásainak és az étellel való kölcsönhatások következményeit a zsírszövetben a GC működésére is. Például a kortizol pulzusa csak akkor növeli a leptint, ha étkezéssel vagy inzulinnal együtt adják [56,57]. A GC-k valóban fontosak a cirkadián jelenségek szabályozásához az egész test szintjén. A GC-k a központi hipotalamusz órát összekapcsolják a perifériás órákkal több szövetben, így a napi funkciók összhangban vannak a fény és a táplálkozás környezeti ciklusaival [4]. Adipocita szinten a GC szuprafiziológiai dózisai hevesen befolyásolhatják az óra gének expresszióját és ritmusát [36,124]. Tekintettel arra, hogy az óragének kifejezetten a zsírszövetben történő genetikai megzavarása elhízást okoz [81], egyértelműen szükség van olyan jövőbeni tanulmányokra, amelyek arra utalnak, hogy a kortizol-szekréció mintázatának variációi hogyan befolyásolják a regionális zsírszövet-lerakódást és az emberek működését. A zsírszövetben a GC forgalom aránya alacsony, és valószínűleg nem befolyásolja őket a keringő kortizolszint akut ingadozása [47]. Így a GC lokális termelése fontosabb lehet élettani összefüggésben, amint azt alább tárgyaljuk (3.2. Szakasz).

3.2. Az elhízott alanyok zsírszövetében fokozott a kortizol termelése

Míg a szérum kortizolszintje nem növekszik egyértelműen az emberi elhízásban, a kortizol fokozott helyi aktivációja a kortizonból a zsírszövetben az elhízással jár [23,50,62,88]. Az intracelluláris kortizol szintjét a HSD1 és a HSD2 szabályozza. A HSD1, egy NADPH-függő enzim, számos szövetben expresszálódik, beleértve a májat és a zsírszövetet is, és főleg reduktázként működik, in vivo kortizolt termel. A vese és a vastagbélben expresszálódó HSD2 inaktiválja a kortizolt kortizonná, megvédve a mineralokortikoid receptorokat (MR) a kortizol általi aktiválódástól.

A HSD1 knockout egerek védettek a magas zsírtartalmú étrend okozta elhízástól, hiperglikémiától és diszlipidémiától [51,53,75], míg a HSD1 zsíros túlzott expressziója metabolikus szindrómás elhízást eredményez [72]. A HSD1 túlexpresszió vagy kiütés előnyösen befolyásolja az intraabdominális, különösen a mesenterialis zsírokat az egérben [72,75]. Hasonlóképpen, a HSD1 inhibitor olyan dózisban történő adagolása, amely nem befolyásolja a táplálékfelvételt, előnyös mesenterialis zsírvesztést okoz egerekben [7]. A HSD1 knockout egér depó- és étrendfüggő hatást mutat a zsírgyulladásra és elősegíti a sc zsír eloszlását [120]. Fontos megérteni, hogy az intracelluláris kortizoltermelés finomhangolása specifikus zsírraktárakban hogyan befolyásolja az elhízás gyulladását és anyagcseréjét.

Emberben az elhízás és a zsír HSD1 mRNS és reduktáz aktivitás kapcsolatát vizsgáló legtöbb tanulmány, de nem minden, pozitív korrelációt mutat a BMI-vel és az adipocita méretével [23,50,62,88,111]. Nem világos azonban, hogy a magas zsírtartalmú HSD1 expresszió ok-e vagy kompenzáló mechanizmus-e az emberi elhízásban. Úgy vélik, hogy a zsigeri zsírban a magasabb kortizolszintézis hozzájárul ennek a raktárnak a preferenciális bővüléséhez. Ennek az elképzelésnek megfelelően egy tanulmány magasabb HSD1 reduktáz aktivitást talált a stromális sejtkultúrákban, amelyek omentális, mint hasi sc zsírszövetből származnak [10]. Ellentmondó eredményekről is beszámoltak, hogy a friss szövetekben a HSD1 aktivitása nem mutat depó különbségeket [62,111], így nem világos, hogy a kortizol fokozott helyi termelése jelentősen hozzájárul-e a zsigeri zsír felhalmozódásához. Az emberi zsírszövet szervkultúrában végzett vizsgálatai azt mutatták, hogy a Dex depot-specifikus, a HSD reduktáz aktivitásának előremenő felfelé történő szabályozását okozza az omentális, de nem a hasi sc zsírszövetben [62], javasolva azt a mechanizmust, amelyen keresztül a GC a stresszre adott válaszként elősegíti a zsigeri elhízást.

A HSD2 állítólag nem adipocita sejtpopulációkban expresszálódik az emberi zsírszövetekben. Míg a HSD2 expressziós szintje vagy aktivitása nem növekszik az elhízásban, számos tanulmány megállapította, hogy a HSD2 expressziós szintje magasabb az omentális, mint a sc zsírszövetben [62,116], ami a kortizol nagyobb forgalmára utal a visceralis depóban. A magasabb forgalmi ráta mechanizmust nyújthat a GC termelésének finomhangolására, így a tápanyag- vagy hormonális jelekre adott válaszként ebben a depóban. A helyi GC szintek lehetséges változásait a nap folyamán és az étkezés esetleges változásait még nem vizsgálták szisztémásan. Ebben az összefüggésben figyelemre méltó, hogy a kortizol termelésének és a zsírszövetben kifejtett hatásának legtöbb tanulmányát egy éjszakán át éhezett állapotban végzik. Basu és mtsai [5] megállapították, hogy az étkezés kortizoltermelést indukált, és ez az extrasplanchnikus szövettermelésnek volt köszönhető. A szöveti specifikus étkezés okozta változások tanulmányozása a GC prereceptor anyagcseréjében és a receptorok által közvetített hatásaik fontosak lesznek e hormon komplex fiziológiájának megértésében az elhízás, a túlzott táplálkozás és a metabolikus szindróma összefüggésében.

4. Az adipociták glükokortikoid hatását szabályozó molekuláris mechanizmusok

4.1. A II. Típusú glükokortikoid receptor szerepe

Úgy gondolják, hogy a GC hatását a célsejtekre a 2-es típusú glükokortikoid receptor (GR, NR3C1) közvetíti, amely a nukleáris receptor szupercsalád tagja, amely gyakorlatilag minden szövetben kifejeződik. A kötés nélküli GR heterokomplexként tartózkodik a citoplazmában, számos hősokk-fehérjével és chaperon-komplexszel [76]. A ligandkötés konformációs változásokat vált ki a receptorban, amelyek disszociációt eredményeznek a heterokomplexből és transzlokációt eredményeznek a sejtmagba. A GR homodimer specifikus DNS helyekhez, glükokortikoid válasz elemekhez (GRE) kötődik, és stimulálja a célgén expresszióját. A GR kevésbé jól definiált negatív GRE-kkel is társul, és transzpresszálja a gén transzkripcióját. Miután összekapcsolódtak a GRE-kkel, a receptor konformációs változásai a kromatin átalakulásához, a kofaktorok és a transzkripciós mechanizmusok toborzásához vezetnek.

A GR ismert, hogy közvetlen fehérje-fehérje kölcsönhatásokon keresztül kölcsönhatásba lép más transzkripciós faktorokkal, kölcsönösen szabályozva egymás transzkripciós aktivitását. A GR-kölcsönhatás az AP-1-gyel és az NF-κB-vel fontos a gyulladásos citokinek GC-közvetített transzrepressziója szempontjából [8], és a COUP-TFII-vel való kölcsönhatása fontos a metabolikus génexpressziós GC-cselekvések szempontjából [18]. Ismert, hogy a GR a STAT3-hoz [59], a STAT5-höz [6] és az ösztrogén-receptorhoz [17] társul. Ezenkívül a citoplazmatikus vagy membránhoz kötött GR gyors, nongenomikus jelátvitelt okoz [103], növelve a GC-GR által közvetített akciók komplexitását.

A GR biológia legújabb fejleményei azt mutatják, hogy a többszörös transzkripciós (α és β) és transzlációs izoformák (A, B, C1, 2, 3 és D1, 2, 3) sejttípusban vagy szövetspecifikus modorban fejeződnek ki [76]. A GRα és β a 9 exon (9α és 9β) alternatív splicelésével keletkezik. A GRα-hoz hasonlóan a GRβ is mindenütt kifejeződik, de összességében alacsonyabb szinten van, mint a GRα. A GRβ a GRα domináns negatív inhibitoraként működik, és expresszióját a proinflammatorikus citokinek fokozzák, ami GC rezisztenciához vezet [122]. A GRβ GRα-független transzkripciós aktivitást is mutat [52]. További összekapcsolási variánsokról, a GRγ, GR-A és GR-P-ről számoltak be, és ezek hatással vannak a GC jelzésére [76]. Cidlowski csoportja kimutatta, hogy a GRα mRNS-ből alternatív transzlációs iniciációval nyolc GR fehérje altípus keletkezik [67]. A különböző transzlációs iniciációs helyek használata szövetspecifikus, és így az egyes izoformák relatív bősége szövetenként eltérő. A GR izoformák mind az egyedi, mind a szokásos géneket aktiválják [67], felfedve a GR transzlációs izoformákon keresztüli GC jelzés komplexitását. Kimutattuk ezeket a transzlációs izoformákat az emberi zsírszövetekben (publikálatlan megfigyelés, MJL és SKF). Feladataik a GC hatásának modulálásában az adipocitákban és a zsírszövet egyéb sejtjeiben még tisztázatlanok.

A GR transzkripciós aktivitást poszttranszlációs módosítások tovább modulálják. A humán GR három fő helyen (203., 211. és 226. szerin) foszforilálódik N-terminálisán [48]. A GR foszforilációja befolyásolja a GR transzkripciós aktivitását azáltal, hogy megváltoztatja a ligandum- és DNS-kötő affinitást és a kofaktor rekrutációt. A 211-es szerin foszforilációja ligandumfüggő, és kapcsolódik a mag lokalizációjához és aktiválásához. A 226-os szerint mitogénnel aktivált kinázok (MAPK) célozzák meg, és ez a mechanizmus számos gyulladásos állapotban a gyulladásos citokinek magas szintjét köti össze a GC-rezisztenciával [48,107]. Logikus feltételezni, hogy az elhízott és a sovány zsírszövetekben a magas gyulladásos citokinszint növelheti a GRβ expressziós szintjét, valamint a 226-os szerin foszforilációját és GC-rezisztenciához vezethet, de tudomásunk szerint egyetlen tanulmány sem foglalkozott ezzel a kérdéssel.

4.2. Az I. típusú glükokortikoid receptor szerepe a zsírbiológiában

A legújabb vizsgálatok azt mutatják, hogy az 1-es típusú glükokortikoid receptor, a mineralokortikoid receptor (MR, NR3C2) a zsírszövetben is kifejeződik [44], és fontos szerepet játszik az adipogenezisben és a zsír endokrin működésében [45,71]. A GC-GR és a GC-MR relatív hozzájárulása egy adott szövetben jóval kisebb, mint egyértelmű, és függ az MR és GR relatív bőségétől, a keringő GC és aldoszteron szintjétől, valamint a kortizon-kortizol HSD1 és HSD2 által történő helyi átalakulásától. Az MR a kortizolhoz 10-szer nagyobb affinitással kötődik, mint a GR [3], és a klasszikus MR-célszövetekben, mint például a vese, a kortizol által végzett MR-aktivációt megkímélik a kortizol HSD2-n keresztüli inaktiválása. Mivel az aldoszteron keringő szintje 100–1000-szer alacsonyabb, mint a kortizon, és a HSD2 sokkal alacsonyabb szinten expresszálódik, mint a HSD1 a zsírszövetben [23,62,116], elképzelhető, hogy a kortizol magas helyi koncentrációja a zsírszövetben aktiválhatja mind a GR, mind az MR-t.

Az MR aktiváció nő, míg a GR aktiváció csökkenti a proinflammatorikus adipokin expressziót, mint például az interleukin-6 (IL-6) és az 1 plazminogén aktivátor inhibitor [45]. A szelektív MR-antagonista eplerenon elhízott rágcsáló-modellekben csökkenti az inzulinérzékenység javulásával a proinflammatorikus gének zsír expresszióját és a makrofágok zsírszövetbe való beszivárgását [38,43,44]. Ezzel szemben a Dex (a GR szelektív agonistája) csökkenti a proinflammatorikus citokin expressziót a zsírszövetben [9,29,63] és a makrofágok beszivárgását a zsírszövetbe in vivo [84]. Az elhízás zsírszövetében mind a HSD1, mind az MR expresszió szintje nő, míg a HSD2 és GR nem [44,62,116]. Így a GC-MR út relatív hozzájárulása növelheti az elhízást, és hozzájárulhat az elhízás zsírszöveti gyulladásához.

4.3. A glükokortikoidok depótól függő hatása: GR és MR szerepe

5. Glükokortikoid hatások a zsírszövet működésére

A GC-k a zsírszövet szinte minden aspektusát befolyásolják, beleértve a fejlődést, az anyagcserét és az endokrin funkciót (1. ábra).