Facoltà di Medicina e Chirurgia, Corso integrato di Endocrinologia e Malattie del ricambio Ormoni e Recettori Emanuele Bosi Università Vita-Salute Istituto Scientifico San Raffaele Milano Sistemi di comunicazione extracellulare La capacità di tessuti specializzati di funzionare in modo integrato all’interno dell’organismo dipende da 3 sistemi di comunicazione extracellulare: 1) sistema nervoso 2) sistema endocrino 3) sistema immune Sistema Endocrino ed Endocrinologia Il sistema endocrino è composto da quelle ghiandole e tessuti a secrezione interna (endocrina), il cui prodotto, definito ormone, viene direttamente immesso nel sangue. L’endocrinologia è la disciplina delle scienze biologiche e mediche che investiga gli ormoni, i tessuti e le cellule nelle quali questi vengono prodotti, i meccanismi d’azione, gli effetti sugli organi e tessuti bersaglio e le manifestazioni cliniche associate alle disfunzioni ormonali Ghiandole endocrine e ormoni • • • • • • • Ipofisi, adeno e neuro Tiroide Paratiroidi Isole pancreatiche Stomaco e intestino Surrene, corticale e midollare Gonadi, ovaio e testicolo Ghiandole endocrine Ghiandole endocrine e ormoni • • • • • • • • Adenoipofisi: GH, prolattina, TSH, ACTH, LH, FSH Neuroipofisi: ADH, ossitocina Tiroide: Paratiroidi: Isole pancreatiche: Stomaco e intestino: Surrene, corticale e midollare: Gonadi, ovaio e testicolo: Ghiandole endocrine e ormoni • • • • • • • Ipofisi, adeno e neuro: Tiroide: T3, T4; calcitonina Paratiroidi: Isole pancreatiche: Stomaco e intestino: Surrene, corticale e midollare: Gonadi, ovaio e testicolo: Ghiandole endocrine e ormoni • • • • • • • Ipofisi, adeno e neuro: Tiroide: Paratiroidi: paratormone Isole pancreatiche: Stomaco e intestino: Surrene, corticale e midollare: Gonadi, ovaio e testicolo: Ghiandole endocrine e ormoni • • • • Ipofisi, adeno e neuro: Tiroide: Paratiroidi: Isole pancreatiche: insulina, glucagone, somatostatina, polipeptide pancreatico • Stomaco e intestino: • Surrene, corticale e midollare: • Gonadi, ovaio e testicolo: Ghiandole endocrine e ormoni • • • • • Ipofisi, adeno e neuro: Tiroide: Paratiroidi: Isole pancreatiche: Stomaco e intestino: Gastrina, Ghrelina, GIP, GLP-1, VIP • Surrene, corticale e midollare: • Gonadi, ovaio e testicolo: Ghiandole endocrine e ormoni • • • • • • Ipofisi, adeno e neuro: Tiroide: Paratiroidi: Isole pancreatiche: Stomaco e intestino: Surrene, corticale: cortisolo, aldosterone, DHEA, androstenedione • Surrene, midollare: adrenalina, noradrenalina • Gonadi, ovaio e testicolo: Ghiandole endocrine e ormoni • • • • • • • Ipofisi, adeno e neuro: Tiroide: Paratiroidi: Isole pancreatiche: Stomaco e intestino: Surrene, corticale e midollare: Gonadi, ovaio e testicolo: estradiolo, progesterone, testosterone Funzione degli ormoni • Riproduzione • Crescita e sviluppo • Mantenimento ambiente interno – Equilibrio idroelettrolitico e acido-base, pressione e ritmo cardiaco, termogenesi, massa ossea, muscolare, adiposa, … • Produzione, utilizzo e deposito di energia Azioni ormonali • Un ormone, molte funzioni • Una funzione, molti ormoni Un ormone - molte funzioni: Utilizzazione del glucosio insulina Liposintesi Sintesi proteica Trasporto del potassio Implicazioni: risposta funzionale coordinata alle modificazioni omeostatiche Una funzione - molti ormoni: glucagone Controllo dell’ omeostasi glicemica insulina Implicazioni: adrenalina cortisolo GH 1. regolazione fine della risposta 2. compensazione in caso di deficit di un ormone Struttura chimica degli ormoni • • • • • • Glicoproteine Polipeptidi Piccoli peptidi Aminoacidi e derivati Steroidi Steroidi modificati (vitamina D) Ormoni: caratteristiche generali e particolari • Basse concentrazioni nella circolazione periferica (pmol/L - µmol/L) • Specificità recettoriale con elevata affinità di legame • Rilascio in circoscritti distretti circolatori (es. circolo portale epatico, adenoipofisi) • Diffusione per contiguità (es. testosterone – tubulo seminifero) • Formazione locale da precursore (DHT da Testosterone, Estradiolo da Testosterone, T3 da T4) Recettori per gli Ormoni • Recettori di membrana (ormoni peptidici e neurotrasmettitori) • Recettori “nucleari” (ormoni steroidei, ormoni tiroidei) Recettore inattivo H Recettore attivato azione Recettore di superficie H azione Recettore intracellulare (nucleare o citoplasmatico) Ormoni peptidici R di membrana 2° messaggero regolazione enzimatica azione su proteine nucleari Risposta metabolica tardiva risposta metabolica acuta Classificazione dei recettori di membrana Recettori di Membrana Recettori con sette domini transmembrana Agiscono legando le "GTP-binding proteins" o "G proteins" eterotrimeriche [a, b, g], per questo sono anche detti G-protein coupling receptor (GPCR). GPCRs are promiscuous, that means a single receptor can activate different signalling events, presumably via different G protein subtypes (Gs, Gi, Gq, …) Generalmente, il complesso subunità a/GTP attiva l'effettore: PKA (per Gs), PLCb (per Gq), etc. Esempi: recettori: beta-adrenergico, alfa-adrenergico, PTH, GRH, GnRH, CRH, TRH, LH, TSH, ACTH, Vasopressin Type 2 Receptor, glucagone, angiotensina II. The major role of G-protein-coupled receptors is to transmit signals into the cell. They are characterized by seven transmembrane segments. This class of membrane proteins can respond to a wide range of agonists, including photon, amines, hormones, neurotransmitters and proteins. Some agonists bind to the extracellular loops of the receptor, others may penetrate into the transmembrane region. Recettori di Membrana: GnRH-Receptor e Recettore per ADH Structures of the GnRHR (A) and V2R (B) showing their ligands and sites of mutations (dark circles) that are associated with human disease. When there are multiple mutations at a single site, thenumber of mutations is noted in a triangle. Recettori di membrana associati a Adenilato-Ciclasi Esempi: CHR, catecolamine, LH, gonadotropina corionica, FSH, glucagone, Prostaglandine, PTH, TSH, somatostatina Adrenaline binds its receptor, that associates with an heterotrimeric G protein. The G protein associates with adenylate cyclase that converts ATP to cAMP, spreading the signal Recettore α2 adrenergico: meccanismo trasduttivo Recettori Associati a Fosfolipasi C Esempi: recettore muscarinico /Ach, angiotensina, LHRH, TRH, vasopressina The mechanism of adrenergic receptors. Adrenaline or noradrenaline are receptor ligands to either α1, α2 or β-adrenergic receptors. α1 couples to Gq, which results in increased intracellular Ca2+ which results in e.g. smooth muscle contraction. α2, on the other hand, couples to Gi, which causes a decrease of cAMP activity, resulting in e.g. smooth muscle contraction. β receptors couple to Gs, and increases intracellular cAMP activity, resulting in e.g. heart muscle contraction, smooth muscle relaxation and glycogenolysis. Recettori di Membrana Recettori per insulina e fattori di crescita peptidici Attività tirosino-chinasica intrinseca al recettore – fosforilazione in tirosina del recettore e di substrati proteici non recettoriali – interazione con proteine contenenti domini SH2 (PI 3kinasi, Grb-2, PLCg, GAP) – propagazione e diversificazione del segnale attraverso interazioni proteina/proteina Esempi: recettore per insulina, IGF-I, PDGF, EGF • Effect of insulin on glucose uptake and metabolism. Insulin binds to its receptor (1) which in turn starts many protein activation cascades (2). These include: translocation of Glut-4 transporter to the plasma membrane and influx of glucose (3), glycogen synthesis (4), glycolysis (5) and fatty acid synthesis (6). Insulina Recettore Insulinico P Tyr Tyr P Tyr P IRS C R PI PI 3-Chinasi PI 3-P SEGNALE BIOLOGICO Recettori di Membrana Recettori per citochine – catene polipeptidiche singole, dimerizzano dopo il legame dell'ormone – non possiedono attività tirosino-chinasica intrinseca, ma si associano a proteine quali JAK2 (recettore per GH), che possiedono attività tirosino-chinasica intrinseca – fosforilazione di proteine STAT – attivazione della trascrizione genica (es. GH IGF-I) Esempi: recettore per GH, prolattina, CSF eritropoietina hGH 1 2 hGH actually has two binding sites, each of which binds an identical cell surface receptor RGH 12 When both sites bind, dimerizing the receptors, signal trasduction occurs 1 2 IGF-I Model for GHR activation. GH binding to a constitutive receptor dimer results in relative rotation of receptor subunits in the homodimer, producing realignment of JAK2 kinases bound to the membrane-proximal sequence below the cell membrane. Appropriately aligned JAK2s are then able to activate each other by transphosphorylation, initiating signaling cascades. Recettori di Membrana Recettori associati alla guanil ciclasi • Esempi: recettore per peptide natriuretico atriale (ANP), ossido nitrico (NO) – porzione catalitica della guanil ciclasi intrinseca alla porzione COOH-terminale del recettore Recettori “Nucleari” Famiglia dei recettori per ormoni steroidei • Recettore per glucocorticoidi (GR), mineralcorticoidi (MR), androgeni (AR), progesterone (PR) • in condizioni di base: – GR, MR, AR e PR hanno localizzazione citoplasmatica – sono complessati con le "heat shock proteins" • dopo il legame dello steroide: – le "heat shock proteins" si dissociano – viene esposta una regione recettoriale che possiede un segnale di traslocazione nucleare – il recettore si localizza nel nucleo della cellula – attraverso "zinc finger motifs", il recettore interagisce con specifiche sequenze di DNA – attivazione della trascrizione genica • GR, MR, PR, AR HRE (Hormone Response Element) • ER ERE • recettore per vit. D, recettore per ormone tiroideo, recettore per ac. retinoico TRE • specificità dell'azione ormonale determinata da sequenze di DNA addizionali • Mechanism nuclear receptor action. This figure depicts the mechanism of a class I nuclear receptor (NR) which, in the absence of ligand, is located in the cytosol. Hormone binding to the NR triggers dissociation of heat shock proteins (HSP), dimerization, and translocation to the nucleus where the NR binds to a specific sequence of DNA known as a hormone response element (HRE). The nuclear receptor DNA complex in turn recruits other proteins that are responsible for transcription of downstream DNA into mRNA which is eventually translated into protein which results in a change in cell function. Recettori “Nucleari” Famiglia dei recettori per ormoni tiroidei • Recettore per ormone tiroideo (TR), vitamina D (VDR), retinoico (RAR), retinoide X (RXR), estrogeni (ER) – hanno elevata omologia strutturale con il proto-oncogene c-erbA – presentano una localizzazione prevalentemente nucleare – omodimeri (ER/ER) ed eterodimeri (TR/RXR, VDR/RXR, RAR/RXR) – - due geni per TR, a e b TRa1 (muscolo scheletrico, tessuto adiposo bruno, cervello) TRa2 non lega la T3 e può inibirne l'effetto biologico TRb1 (fegato, rene, cervello) TRb2 (ipofisi di ratto) • Mechanism nuclear receptor action. This figure depicts the mechanism of a class II nuclear receptor (NR) which, regardless of ligand binding status is located in the nucleus bound to DNA. For the purpose of illustration, the nuclear receptor shown here is the thyroid hormone receptor (TR) heterodimerized to the RXR. In the absence of ligand, the TR is bound to corepressor protein. Ligand binding to TR causes a dissociation of corepressor and recruitment of coactivator protein which in turn recruit additional proteins such as RNA polymerase that are responsible for transcription of downstream DNA into RNA and eventually protein which results in a change in cell function. Extra Slides Recettori di Membrana Recettori associati alla guanil ciclasi (GC-R) Besides soluble guanylyl cyclase (GC), the receptor for NO, there are at least 7 plasma membrane enzymes that synthesize the second-messenger cGMP. All 7 membrane GCs (GC-A through GC-G) share a basic topology, which consists of: - an extracellular ligand binding domain - a short transmembrane region - an intracellular domain that contains the catalytic (GC) region Recettori di Membrana Recettori associati alla guanil ciclasi (GC-R) segue Although the presence of the extracellular domain suggests that all these enzymes function as receptors, specific ligands have been identified for only three of them (GC-A through GC-C). Esempi: recettore per peptide natriuretico atriale (ANP), ossido nitrico (NO) – porzione catalitica della guanil ciclasi intrinseca alla porzione COOH-terminale del recettore Recettori “Nucleari” Famiglia dei recettori per ormoni steroidei – funzionamento Esempi: Recettore per glucocorticoidi (GR), mineralcorticoidi (MR), ormoni sessuali (estrogeni, progesterone, androgeni) in condizioni di base: – GR, MR, AR e PR hanno localizzazione citoplasmatica – sono complessati con le "heat shock proteins" • dopo il legame dello steroide: – le "heat shock proteins" si dissociano – viene esposta una regione recettoriale che possiede un segnale di traslocazione nucleare – il recettore si localizza nel nucleo della cellula – attraverso "zinc finger motifs", il recettore interagisce con specifiche sequenze di DNA – attivazione della trascrizione genica Recettori “Nucleari” (3) GR, MR, PR, AR HRE (Hormone Response Element) • ER ERE • recettore per vit. D, recettore per ormone tiroideo, recettore per ac. retinoico TRE • specificità dell'azione ormonale determinata da sequenze di DNA addizionali Structures of selected endogenous nuclear receptor ligands Mechanism nuclear receptor action This figure depicts the mechanism of a class I nuclear receptor (NR) which, in the absence of ligand, is located in the cytosol. Hormone binding to the NR triggers dissociation of heat shock proteins (HSP), dimerization, and translocation to the nucleus where the NR binds to a specific sequence of DNA known as a hormone response element (HRE). The nuclear receptor DNA complex in turn recruits other proteins that are responsible for transcription of downstream DNA into mRNA which is eventually translated into protein which results in a change in cell function. Recettori “Nucleari” Famiglia dei recettori per ormoni tiroidei Recettore per ormone tiroideo (TR), vitamina D (VDR), retinoico (RAR), retinoide X (RXR), estrogeni (ER) – hanno elevata omologia strutturale con il protooncogene c-erbA – presentano una localizzazione prevalentemente nucleare – omodimeri (ER/ER) ed eterodimeri (TR/RXR, VDR/RXR, RAR/RXR) – due geni per TR, a e b TRa1 (muscolo scheletrico, tessuto adiposo bruno, cervello) TRa2 non lega la T3 e può inibirne l'effetto biologico TRb1 (fegato, rene, cervello) TRb2 (ipofisi di ratto) Recettori “Nucleari” Famiglia dei recettori per ormoni tiroidei funzionamento Mechanism nuclear receptor action Retinoid-related orphan receptors (RORs) The cloning of several steroid hormone receptors in the 1980s led to an intense search by many laboratories for additional, novel members of the steroid hormone superfamily. This resulted in the identification of a number of orphan receptors, including members of the retinoid-related orphan receptor (ROR) subfamily, which consists of RORα. RORs are a nuclear receptor’s family. Retinoid-related orphan receptors (RORs) RORs: phisiological functions Recent studies of RORs have greatly widened our understanding of the physiological roles of this nuclear receptor subfamily and provided exciting clues about their critical functions in: - embryonic development - cellular differentiation and proliferation - immunity - cellular metabolism - circadian rhythm RORs: phisiological functions The rhythmic pattern of expression of RORs in certain tissues and the regulation of several components of the circadian clock and metabolic pathways by RORs are consistent with the emerging view that the controls of these processes are coupled. RORs function as a subcomponent of the circadian oscillator and integrate the control of the circadian clocks and the rhythmic pattern of expression of (metabolic) genes and, as such, regulate the cyclic nature of several physiological processes, including energy homeostasis, lipid and xenobiotic metabolism. The reduced susceptibility of ROR -deficient mice to hepatic steatosis and obesity suggests a role for ROR in energy homeostasis. RORs: phisiological functions The critical regulatory roles that RORs have in thymopoiesis, development of several secondary lymphoid tissues, and Th17 lineage specification are highly relevant to a variety of immune responses and inflammatory disorders, including autoimmune diseases and asthma. The greatly decreased susceptibility to allergic airway inflammation, experimental autoimmune encephalomyelitis, and colitis in ROR-deficient mice raises the possibility that RORs might serve as potential novel targets for chemotherapeutic strategies to intervene in these disease processes. The discovery that ROR activity can be modulated by ligands strongly supports this prospect. Hopefully, the next decade will see the discovery of ROR-specific, clinically-useful (ant)agonists. RORs: Mechanism of action, physiological functions and roles in disease RORs bind as a monomer to ROREs consisting of the GGTCA consensus core motif preceded by a 6A/T rich region. REV-ERBs can compete with RORs for binding to ROREs. RORs interact with coactivators or corepressors to positively or negatively regulate gene transcription. RORs are critical in the regulation of many physiological processes and may have a role in several pathologies. Although evidence has been provided indicating that certain ligands can modulate ROR transcriptional activity, whether ROR activity is modulated in vivo by endogenous ligands has yet to be determined. RORs might serve as potential novel targets for chemotherapeutic strategies to intervene in various disease processes. Extra Slides