Кооперативен изследователски център за диагностика, Технически университет в Куинсланд, Бризбейн, Австралия

Кооперативен изследователски център за диагностика, Технически университет в Куинсланд, Бризбейн, Австралия

Кооперативен изследователски център за диагностика, Технически университет в Куинсланд, Бризбейн, Австралия

Кооперативен изследователски център за диагностика, Технически университет в Куинсланд, Бризбейн, Австралия

Резюме

Съкращения

ВЪВЕДЕНИЕ

Два ключови гена, агути и удължаване, участват в превключването на меланин в мишката. The удължаване генът кодира меланокортин 1 рецептора (Mc1r), докато агути генът кодира 131 аминокиселинен протеин, състоящ се от сигнален пептид, място на гликозилиране, основен домен и богат на цистеин С край (1). The агути генът е картографиран и изолиран при редица видове. Доказано е, че играе роля при определянето на цвета на козината при овцете, стандартната сребърна лисица и плъховете, а също така е изолиран при свине (2-7). Човешкият хомолог на агути е разположен на хромозома 20 и кодира 132 аминокиселинен протеин, сигнален протеин на агути (ASIP) (8, 9). Въпреки високата степен на протеинова хомология (80% от аминокиселините, идентични с мишката), моделът на експресия е доста различен. Агути обикновено се експресира в космените фоликули при новородени мишки и не агути експресията се открива в различни миши възрастни тъкани, включително мозък, черен дроб, бял дроб, далак и бъбреци, въпреки че се експресира в тестиси за възрастни (1). При хората, ASIP също се изразява в тестисите, както и в яйчниците, сърцето, мастната тъкан и при по-ниски нива в черния дроб, бъбреците и препуциума (8, 9).

Този преглед се занимава предимно с ролята на ASIP при хората и как експресията влияе върху пигментацията и затлъстяването. Въпреки че имаме известно разбиране за ролята, която играят агути в мишката, ролята на ASIP при хората тепърва предстои да бъде определена. По време на този преглед генът на мишката ще бъде наричан агути като има предвид, че неговият човешки ортолог ще бъде наричан ASIP. Протеинът ще бъде наричан агути при мишки и ASIP при хора.

Пигментация

Регулиране на пигментационни маркери от Agouti

При мишки сигнализиране от αМеланоцит стимулиращ хормон (α‐MSH) или agouti чрез Mc1r регулира вида на произвеждания меланин. α‐MSH взаимодействието с Mc1r води до производство на еумеланин, а аготизмът на агути на това взаимодействие води до производство на феомеланин. Установено е, че три нови гена са регулирани нагоре от протеина агути, включително потенциален протеин за контрол на репликацията на ДНК (поддържащ минихромозомен протеин, MCM6), основен транскрипционен фактор helix-loop-helix (имуноглобулинов транскрипционен фактор 2, ITF2) и ген с неизвестна функция, експресиран в клетките на ретината (10). Протеинът Агути също регулира надолу гените, за да инхибира синтеза на еумеланин. Лечението на миши меланоцити с протеин агути води до намалена експресия на гени като, свързан с тирозиназа протеин 1 (Tyrp1) и допахром таутомераза (Dct) и в по-малка степен, тирозиназа (11). След излагане на α‐MSH, тирозиназа експресията се е увеличила в меланоцитите, но не се наблюдава ефект за Tyrp1 или Dct. Подобни ефекти се наблюдават при клетъчни линии на меланоми на мишки (12).

Ролята на ASIP в пигментацията при хората не е широко изследвана. Проучванията in vitro показват, че човешкият ASIP действа по начин, подобен на миши протеин agouti, тъй като той регулира надолу гените на меланин, контролиращи синтеза на еумеланин в човешки меланоцити (13). Това предполага роля на ASIP в човешката пигментация, но са необходими допълнителни проучвания, за да се определи кой клетъчен тип в кожата изразява ASIP и ако ASIP променя експресията на други пигментационни гени. Характеризирането на биохимичните механизми, които карат гените да преминат към производството на феомеланин, е важно за фотозащитата и идентифицирането на рисковите фактори.

Агути и MC1R

Към днешна дата рецепторът на меланокортин 1 е единственият ген, свързан с нормалните вариации на цвета на косата при хората. Варианти на MC1R ген (R151C, R160W, D294H, R142H, 86insA и 537insC) са свързани с по-светли типове кожа и червена коса (14-18). Участието на друг локус в наследяването на червена коса се доказва от съществуването на червенокоси, носещи не MC1R варианти (14, 17) и някои дизиготични двойки близнаци са съгласувани за MC1R вариация, но противоречива за цвета на косата (16). Човешките вариации в пигментацията на косата и кожата могат да бъдат резултат от комбинация от ASIP и MC1R алели, какъвто е случаят с немското овчарско куче (19), с някои MC1R варианти, взаимодействащи по различен начин с ASIP, което води до различни съотношения на производството на еумеланин и феомеланин.

Агути мутации

Рецесивен агути мутациите в мишката са свързани с повишено производство на еумеланин и намалено производство на феомеланин и включват неагути (а), черно и тен (а т ), смъртоносен неагути (а х ), несмъртоносен летален (а л ), таноиден (a td ) и екстремни неагути (а д ) (29-31). Към днешна дата не ASIP при хората са идентифицирани полиморфизми. Изследване на полиморфизъм на определени етнически групи, вариращи в пигментацията на кожата и косата, не разкрива полиморфизъм в ASIP кодиращ регион и също така не показва полиморфизми при индивиди с MC1R генотипове, несъвместими с фенотипове (32). Това оставя възможността полиморфизмите, свързани с човешката пигментация, да съществуват в некодиращия регион на ASIP.

Израз на Агути

Агути е мишият цвят на козината от див тип, характеризиращ се с черна коса с субапикален жълт връх. Преходен израз на агути води до превключване на еумеланин към феомеланин от дни 4–6 на космения цикъл и обратно към еумеланин след ден 6. Преминаването към производство на феомеланин се регулира от аготи на аготи на α‐MSH сигнализация чрез Mc1r (33). Имунохистохимичните проучвания на кожата на мишки с аготи разкриват високи нива на експресия на протеини при 6-дневен див тип агути мишки, но не и в неагути мишки. В хетерозиготен смъртоносно жълто мишки, нивото на експресия корелира с интензивността на цвета на козината, което показва, че протеинът агути е локализиран във фоликуларния меланоцит, където стимулира производството на феомеланин и инхибира производството на еумеланин (34, 35). Експресиране на трансгенни мишки агути в базалните епидермални клетки се развиват ленти от жълта коса, които съответстват на областите на епидермалната агути експресия, подсказваща функциите на протеини на агути по паракринен начин в мишката (36).

Агути фенотипите са резултат от единична кодираща последователност, регулирана от алтернативни промотори, които контролират независимо цвета на козината на гръбнака и корема (29, 37) (Фиг. 1). Специфичният за косата промотор се активира от дни 4–6 на цикъла на коса както в дорзалната, така и в вентралната кожа и води до характерния субапикален жълт връх. Вентрално-специфичният промотор се активира по време на цикъла на коса, произвеждайки жълта коса, но само във вентрала. Мутации, засягащи специфичния за косата промотор като черно и тен (а т ) водят до мишки с жълт камер и черен гръб.

мишката

Алтернатива агути промоутъри. Vrieling и сътр. (37) изолирана кДНК от обща кожна РНК на 5-дневни мишки. По-голямата част от кДНК клонингите съдържаха три кодиращи екзона и един нетранслиран 5 'екзон. Няколко клонинги обаче имаха различен 5 ′ край. За да се изследва това, cDNA беше изолирана от вентрална кожна РНК на 1-дневен светлокоремен агути мишки. Налице са четири РНК изоформи. Екзон 1А и 1А ′ се намират ˜120 kb над екзон 2 и присъстват само в агути иРНК от вентралната кожа. Екзони 1В и 1С (специфични за косата) са на разстояние ˜16 нуклеотида и са разположени ˜18 kb нагоре по течението на екзон 2.

АНТАГОНИЗЪМ НА МЕЛАНОКОРТИНОВИТЕ РЕЦЕПТОРИ

Агонизъм и антагонизъм на меланокортиновите рецептори. Адренокортикотропен хормон (ACTH), αМеланоцит стимулиращ хормон (α‐MSH) и γ‐MSH са лиганди на меланокортиновите рецептори; човешкият агути сигнален протеин (ASIP) антагонизира в различна степен всичките пет меланокортинови рецептора. Човешкият ASIP е мощен антагонист на MC1R и MC4R и слаб антагонист на MC2R, MC3R и MC5R, както е показано с пунктирани линии. Заедно меланокортиновите рецептори са широко изразени и регулират пигментацията, липолизата, приема на храна, термогенезата, сексуалното поведение, паметта, противовъзпалителните и антипиретичните ефекти.

Агути и Атрактин

Демонстрацията, че мишката махагон и плъхът зитер локусите, кодиращи аттратин, доведоха до спекулации относно ролята на този протеин и неговото взаимодействие с агути. Мишката махагон мутация, наскоро преименувана Atrn mg, потиска жълтия цвят на козината и затлъстяването на A y мишки, които предполагат, че това е медиатор надолу по веригата за сигнализиране на агути (52-54). Atrn се смята, че действа нагоре по веригата на меланокортиновите рецептори, тъй като не успява да обърне съответните ефекти на пигментацията и затлъстяването на Mc1r и Mc4r нокаутиращи мишки (53-55). Мишки хомозиготни за Atrn mg и загубата на функция Mc1r e алел са фенотипно неразличими от хомозиготни Mc1r e мишки, потвърждаващи това Atrn е генетично нагоре от Mc1r. Докато Atrn mg потиска фенотипа на затлъстяването на Mc4r дефицитни мишки, той не потиска затлъстяването, причинено от мутации в лептиновия рецептор (Lepr db ), карбоксипептидаза Е (cpe мазнини ) или туби което показва, че протеинът Atrn функционира с известна специфичност в сигналния път на меланокортина.

ЗАТЪЛВАНЕ

Модел на мишката

Напоследък ролята на Mc3r е замесена в регулирането на телесното тегло. Mc3r нокаутираните мишки имат увеличена мастна маса, намалена чиста маса и по-голяма ефективност на хранене в сравнение с дивите мишки (61). В допълнение, нокаут мишки и за двете Mc3r и Mc4r наддават значително повече тегло в сравнение с Mc4r нокаутиращи мишки. Вярва се, че Mc4r нокаутиращите мишки имат увеличено хранене и Mc3r и Mc4r нокаутиращите мишки са по-ефективни при съхраняването на калории.

Свързани с Агути протеини (Agrp)

An Свързани с Агути протеини (Agrp) cDNA е идентифицирана чрез хомология на последователността до агути (62, 63). като агути, Agrp кодира антагонист на меланокортинов рецептор, който антагонизира Mc3r и Mc4r (63). Вероятно Agrp е естественият антагонист на Mc3r и Mc4r, както се изразява в хипоталамуса. Трансгенните мишки, свръхекспресиращи Agrp, развиват затлъстяване и имат сходни фенотипи с трансгениката на agouti (63), но не развиват жълто покритие, тъй като Agrp не антагонизира Mc1r. В допълнение, приложението на Agrp стимулира храненето, имитирайки ефектите на антагонистите на Mc3r и Mc4r (64).

Регулиране на гъстотата от Агути

Хормонът лептин се произвежда в мастната тъкан и циркулира в мозъка, където се свързва с лептиновия рецептор, сигнализирайки за намаляване на приема на храна и увеличаване на енергийния метаболизъм, като по този начин ограничава степента на затлъстяване (67, 68) (Фиг. 3). Нивата на лептин се повишават в мастната тъкан през агути трансгенни мишки, което предполага, че агути може да взаимодейства с други генетични продукти за затлъстяване, за да играе ключова роля в регулирането на теглото (69). Действително е доказано, че Агути участва в регулирането на лептина в смъртоносно жълтата мишка (69).

Антагонизъм на MC4R при хората. α- Меланоцит стимулиращ хормон (α‐MSH) се свързва с MC4R в хипоталамуса, регулирайки енергийната хомеостаза. AGRP, също изразен в хипоталамуса, антагонизира MC4R, променяйки регулирането на теглото. Сигналният протеин на Агути (ASIP), който обикновено се експресира в мастната тъкан при хората, може също да антагонизира MC4R, предизвиквайки енергийна хомеостаза.

Телесното тегло на трансгенни мишки, изразяващи високи нива на агути в мастната тъкан и ниските нива в други тъкани са непроменени (70). Въпреки това, при ежедневни инжекции с инсулин се наблюдава значително увеличение на наддаването на тегло, което предполага, че индуцираното от инсулина повишаване на теглото се медиира чрез агути. Вероятно ектопичната експресия на агути в панкреаса стимулира отделянето на инсулин при затлъстела жълта мишка. Струва си да се отбележи, че хората обикновено изразяват ASIP в мастната тъкан (8, 9) и в по-ниски нива в панкреаса (71), което показва, че ASIP и инсулинът заедно могат да регулират затлъстяването при хората.

Протеинът Agouti стимулира липогенезата в мастната тъкан чрез калциево сигнализиране (71). Рекомбинантният протеин агути причинява дозозависимо повишаване на вътреклетъчните концентрации на калций в адипоцитите на мишки и хора, сигнализирайки за освобождаването на инсулин (75, 76). В допълнение, в панкреаса βКлетъчни линии, както и човешки панкреатични островчета, протеини от агути, повишени нива на калций и освобождаване на инсулин, предполагащи, че ASIP може да функционира при регулирането на инсулина при хората (77).

Агути и Атрактин при затлъстяване

Мутации при мишката Atrn или плъхът зитер локусът води до фенотип, при който животните показват неврологични дефекти, проявяващи се като треперене на тялото и прогресивна хипомиелинизация и вакуолация в централната нервна система (ЦНС). Известно е, че Atrn контролира храненето и метаболизма независимо от агути потискане (52). Atrn мутантните мишки ядат повече от нормалните мишки, но не наддават на тегло, вероятно защото имат повишен метаболизъм и двигателна активност (52, 54). Интересното е, че единственият ненормален ефект, наблюдаван от He et al. извън ЦНС в Atrn mg ‐ 3J хомозиготните мишки намаляват съхранението на мазнини както в кафява, така и в бяла мастна тъкан (78).

Последните проучвания показват, че Atrn е рецептор за агути, но не и Agrp. Взаимодействието на Atrn се осъществява през N терминалната област на агути, която има хомология с ниска последователност на Agrp, докато взаимодействието на меланокортиновия рецептор се осъществява през С-крайната област, която има значителна хомология на последователността на Agrp. Експериментите in vitro и in vivo показват загуба на Atrn потиска затлъстяването, предизвикано от агути, но не и затлъстяването, предизвикано от Agrp (78). Тези резултати предполагат, че свързването на Atrn с N-терминалния регион на агути е необходимо за сигнализиране на протеини на агути, медиирано чрез Mc1r. Свързването на Atrn и agouti също може да бъде от решаващо значение за сигнализирането на Mc4r в мозъка.

Докато в мишката агути обикновено не се експресира в мастната тъкан и следователно е малко вероятно да играе роля в нормалната енергийна хомеостаза, ASIP се изразява в човешката мастна тъкан. Ролята на ASIP в енергийната хомеостаза е замесена в сигнализирането чрез атратина и сигналния път на меланокортина. Необходими са допълнителни проучвания за определяне на точните взаимодействия между Atrn и меланокортиновите рецептори при хората.

Човешки модел

Възможна роля на ASIP при хората е регулирането на енергийната хомеостаза чрез антагонизъм на MC4R. Както беше обсъдено по-горе, Mc4r играе ключова роля в регулирането на храненето като Mc4r нокаутираните мишки са с наднормено тегло в сравнение с контролите и хетерозиготни Mc4r нокаутираните мишки са междинни по телесно тегло, като женските са по-податливи на наддаване на тегло (79). Мутации на загуба на функция на MC4R са идентифицирани и при затлъстели хора (80, 81). В кохорта от 63 деца със затлъстяване [среден индекс на телесна маса (ИТМ), 34 kg/m 2], един субект е хетерозиготен за 4-bp делеция, което води до нефункционален рецептор. Същата тази мутация е наследена по доминиращ начин от бащата със затлъстяване (ИТМ, 41 kg/m 2).

Човешкото затлъстяване вероятно е резултат от редки мутации в редица различни гени. MC4R изглежда е един такъв ген, тъй като показва високо разпространение на мутации при затлъстели индивиди. При голяма френска популация от затлъстели индивиди (n = 209), 4% са носители на редки хетерозиготни MC4R мутации, докато същите тези мутации не са открити в нито един от не-затлъстелите контроли (n = 254) (82). Полиморфизмите на MC4R са най-честата доказана причина за генетично затлъстяване до момента.

Мутации в Pre-ProOpiomelanocortin (POMC), предшественикът протеин на α‐MSH също са свързани със затлъстяването. Две несвързани лица, за които е установено, че имат дефекти на POMC ген, проявява надбъбречна недостатъчност, червена коса и затлъстяване в началото (83). Надбъбречната недостатъчност вероятно е причинена от дефект в сигнализирането на MC2R, червената коса е резултат от инхибирането на α‐MSH свързване с MC1R и затлъстяване, причинено от дефекти в сигнализирането на MC4R. В допълнение, мишки без пептиди, получени от POMC (ACTH, α-, β-, и γ‐MSH и β- ендорфин) имат фенотипове, подобни на човешките POMC мутанти, включително затлъстяване, надбъбречна недостатъчност и жълто покритие (84). Лечение с a α‐MSH агонистът намалява затлъстяването при тези мишки, което показва възможна терапевтична употреба на меланокортини при лечението на затлъстяване. Малко вероятно е мутации на POMC са честа причина за затлъстяване при хората, тъй като скринингът за мутация на 96 пациенти със затлъстяване не разкрива полиморфизми, свързани със затлъстяването (85).

Моделът на жълтото затлъстяване при мишката е особено полезен за изследване на човешкото затлъстяване, отчасти защото експресията в нова тъкан (като мастна тъкан или хипоталамус) води до антагонизъм на Mc4r. Към днешна дата не са докладвани изследвания за полиморфизъм на ASIP и връзката му със затлъстяването при хората. Мутации при хора, причиняващи вездесъщи ASIP експресията може да доведе до хроничен антагонизъм на MC4R в хипоталамуса, нарушавайки неговата функция при регулиране на теглото (Фиг. 3). Възможно е също, че див тип ASIP може да има пряка роля в метаболизма на мазнините при хората, като и двете ASIP и MC4R се изразяват в мастната тъкан.

ЗАКЛЮЧЕНИЯ

Бележки под линия

Благодарности

Тази работа беше подкрепена от Кооперативен изследователски център за диагностични технологии награда на JV. Авторите биха искали да благодарят на доцент Филип Морис, д-р Флавия Хюйгенс и д-р Адел Милис за критичния преглед на ръкописа.