Comunicat de Theodore T. Puck, Institutul Eleanor Roosevelt pentru Cercetarea Cancerului, Denver, CO (primit pentru revizuire 27 noiembrie 2000)

apetitului

Abstract

Deficitul de leptină are ca rezultat un fenotip complex de obezitate care cuprinde atât hiperfagie, cât și metabolizare redusă. Hiperfagia rezultă, cel puțin parțial, din absența inducerii de către leptină a secreției hormonului stimulator melanocitar (MSH) în hipotalamus; MSH se leagă în mod normal de receptorii de melanocortină-4 care exprimă neuroni și inhibă aportul de alimente. Nu s-a cunoscut baza pentru rata metabolică redusă. Aici arătăm că leptina administrată șoarecilor cu deficit de leptină (ob/ob) are ca rezultat o creștere mare a nivelurilor periferice de MSH; în plus, administrarea periferică a unui analog MSH are ca rezultat inversarea ratei metabolice anormal de scăzute a acestora, într-o accelerare a pierderii în greutate în timpul unui repede, în restabilirea parțială a termoreglării într-o provocare la rece și în inducerea nivelurilor de acid gras fără ser. Aceste rezultate susțin un rol periferic important pentru MSH în integrarea metabolismului cu apetitul ca răspuns la depozitele percepute de grăsime indicate de nivelurile de leptină.

Cercetări recente au subliniat o cale pentru controlul greutății corporale (1-4): leptina, produsul genei ob la șoarece, este produsă de adipocite (5). Acesta circulă către hipotalamus unde se leagă de celulele care exprimă receptorul leptinei, produsul genei db la șoarece (6-9). Neuronii proopiomelanocortină (POMC) se numără printre neuronii hipotalamici care exprimă receptorul leptinei (10). Această legare a leptinei duce la secreția hormonului de stimulare a melanocitelor (MSH), care la rândul său se leagă de neuroni care exprimă receptorul melanocortinei-4 (MC4-R) (11); acești neuroni suprimă apoi apetitul (12-14). Această schiță se bazează pe fenotipurile mutanților spontani și induși de șoarece (5, 9, 13, 15-19), precum și pe fenotipul mutațiilor omoloage la om (20-24). Aceste interpretări sunt de acord că leptina este semnalul din depozitele de grăsimi (adipocite) către centru și, în plus, că MSH reglează apetitul. Cu toate acestea, există aspecte semnificative ale fenotipurilor mutante care sugerează atât o mai mare complexitate a homeostaziei greutății corporale, în special integrarea poftei de mâncare și a metabolismului, cât și un factor de la sistemul nervos central (SNC) la periferia care mediază această integrare.

În primul rând, mutanții pomc/pomc cărora le lipsește complet peptidele POMC, inclusiv MSH, prezintă un fenotip al metabolismului lipidic modificat pe lângă hiperfagie. Pe măsură ce conținutul de grăsimi al dietei crește, șoarecii câștigă în greutate în mod proporțional cu aportul de alimente (17). Acest lucru arată o incapacitate specială de a utiliza grăsimile dietetice pentru susținerea ratei metabolice. Și când acești mutanți pomc/pomc sunt tratați prin administrarea periferică a unui analog a-MSH șoarecii pierd în greutate și mănâncă mai puțin, dar pierderea în greutate este mult mai mare decât scăderea poftei de mâncare (17). Din nou, acest rezultat este în concordanță cu rolul MSH în mobilizarea depozitelor de grăsime periferice.

În al doilea rând, șoarecii cu deficit de leptină (ob/ob) prezintă o rată metabolică scăzută (eficiență metabolică crescută; ref. 25), care precede apariția obezității. În special, acești mutanți prezintă: (i) creșterea în greutate atunci când sunt hrăniți în pereche cu controale normale (25); (ii) supraviețuire mai lungă la șoareci repezi decât normali cu greutate inițială egală (26); și (iii) capacitatea scăzută de a menține temperatura corpului la 4 ° C (27). Luate împreună aceste date arată că șoarecii ob/ob și-au ajustat metabolismul pentru a se conforma depozitelor percepute de grăsime; în mod specific, în absența leptinei, nu simt depozite de grăsime și scad metabolismul în consecință. Mecanismul pentru o astfel de ajustare a rămas neelucidat.

Pentru a rafina acest model de homeostazie a greutății corporale, în special integrarea poftei de mâncare și a metabolismului, am pus următoarele întrebări: Injecția cu leptină a mutanților ob/ob duce la creșterea nivelului de MSH circulant; și administrarea periferică a unui analog MSH la șoareci ob/ob (i) afectează creșterea în greutate și/sau aportul de alimente, (ii) influențează greutatea în absența aportului de alimente, adică în timpul unui post, (iii) crește capacitatea de mutanți ob/ob pentru a-și regla temperatura la 4 ° C și (iv) pentru a regla nivelurile de acid gras fără ser (FFA)?

Proceduri experimentale

Șoarecii mutanți Ob/ob (C57BL/6J-Lep ob) și controalele congenice au fost achiziționate de la Laboratorul Jackson. Șoarecii au fost adăpostiți cu un ciclu de lumină-întuneric de 12 ore, cu hrană și apă ad libitum (dacă nu se indică altfel). Sângele a fost colectat retroorbital după proceduri aprobate. Temperaturile miezului corpului au fost măsurate folosind un termometru digital echipat cu o sondă rectală (Atkins Technical, Gainesville, FL). Toate procedurile au fost aprobate de Comitetele de îngrijire și utilizare a animalelor de la Universitatea din Colorado Health Sciences Center sau de la Oklahoma Medical Research Foundation.

Hormoni.

Analogul MSH [Ac-Cys 4, D-Phe 7, Cys 10] α-MSH (4-13) (28) a fost achiziționat de la Peninsula Laboratories. Leptina recombinantă murină a fost furnizată cu amabilitate de A. F. Parlow prin Programul Național de Hormoni și Hipofiză, Centrul Medical Harbor-UCLA, Torrance, CA. Hormonii au fost diluați la 70 μg per ml în PBS.

Analize serice.

EDTA-plasma a fost analizată pentru MSH de către RIA urmând instrucțiunile producătorului (Euro-Diagnostica Kit, IBL, Hamburg, Germania). Nivelurile de FFA în probele de ser au fost determinate de Anilytics (Gaithersburg, MD).

Rezultate

Inducerea leptinei MSH circulant.

Leptina induce MSH circulant și mutanți ob/ob. Șoarecii mutanți ob/ob (ob/ob) și martorii de vârstă (tip sălbatic și heterozigoți, + /?), 10 pe grup, au fost injectați i.p. cu 0,1 ml fie de 7 μg de leptină (lep), fie de vehicul (PBS) singur (veh.). La o oră după injecția cu leptină, sângele a fost colectat retroorbital în tuburi care conțin EDTA. Plasma a fost testată pentru MSH de către RIA.

Efecte MSH periferice Creșterea în greutate mai mult decât consumul de alimente.

MSH încetinește creșterea în greutate la mutanții ob/ob. Șoarecii mutanți ob/ob (ob/ob), 10 pe grup, au fost injectați i.p. cu 0,1 ml fie de 7 μg de leptină (Leptină), de 7 μg de analog MSH (MSH), ambele (MSH + Leptină), fie de vehicul singur (martor), o dată pe zi timp de 10 zile. Greutatea și aportul de alimente au fost măsurate zilnic. (A) Graficul arată creșterea în greutate, în g, pe șoarece, după 10 zile. (B) Totalul de grame de alimente consumate la 10 șoareci în 10 zile sunt listate lângă creșterea în greutate pentru fiecare grup de șoareci. (C) Sunt enumerate diferențele în ceea ce privește creșterea în greutate împărțite la diferențele în aportul de alimente pentru comparații ale șoarecilor martori și tratați.

MSH periferic accelerează pierderea în greutate în timpul unui post.

MSH accelerează pierderea în greutate în timpul unui post la mutanții ob/ob. Șoarecii mutanți ob/ob (ob/ob) și controalele potrivite vârstei (tip sălbatic și heterozigoți, + /?), Câte cinci pe grup, au fost injectate i.p. cu 0,1 ml fie de 7 μg analog MSH (MSH), fie de vehicul singur (veh). La momentul injectării, au fost luate greutăți și mâncarea a fost îndepărtată. Cinci ore mai târziu, greutățile au fost luate din nou. Graficul prezintă pierderea în greutate în diferitele grupuri la sfârșitul postului de 5 ore.

MSH periferic atenuează deteriorarea reglării termice.

MSH atenuează defectul termogenic la mutanții ob/ob. Șoareci mutanți ob/ob găzduiți individual (ob/ob) și controale potrivite în funcție de vârstă (tip sălbatic și heterozigoți, + /?), Cinci pe grup, au fost injectați cu 7 μg analog MSH sau vehicul singur i.p. Temperaturile rectale au fost luate și mâncarea a fost îndepărtată în acel moment. Cinci ore mai târziu, temperaturile au fost luate din nou și șoarecii au fost apoi plasați într-o cameră rece (4 ° C) timp de 90 de minute; temperaturile rectale au fost luate la rece după 30, 60 și 90 de minute.

MSH periferic stimulează nivelurile FFA.

Rezultatele noastre anterioare (17) și rezultatele de mai sus sugerează cu tărie că MSH acționează asupra depozitelor de grăsime atunci când încetinește creșterea în greutate cu alimentarea nelimitată, atunci când accelerează pierderea în greutate într-un post și când inversează parțial defectul termoreglator ob/ob într-o provocare rece. Un parametru care indică modificări în metabolismul grăsimilor este nivelul FFA din ser. Lipoproteinele lipazice de pe suprafața celulelor adipoase hidrolizează triacilglicerolii care intră pentru a produce FFA, care sunt apoi importați în celula grasă. Prin urmare, o creștere a metabolismului lipidic se poate reflecta în mai puține FFA care se încrucișează în adipocite și niveluri serice mai ridicate.

În consecință, am măsurat nivelurile de FFA serice la șoareci ob/ob și de control, tratați cu un analog MSH sau cu un vehicul singur. Rezultatele sunt prezentate în Fig. 5. Șoarecii martori arată o creștere a FFA cu tratament analog MSH cu 11,4% (1,277 ± 95 μmol/litru față de 1,423 ± 92 μmol/litru) (Fig. 5); din nou, analogul MSH administrat periferic anulează scăderea fiziologică normală a nivelurilor MSH în timpul postului. La șoarecii ob/ob, nivelurile FFA cresc cu un 18% semnificativ statistic cu tratamentul analogic cu MSH (de la 1.561 ± 180 μmol/litru la 1.834 ± 150 μmol/litru; Fig. 5). Descoperirile noastre că un analog MSH stimulează nivelurile serice de FFA sugerează că metabolismul modificat la șoarecii ob/ob și metabolismul lipidelor sunt legate.

MSH afectează nivelurile serice de FFA la mutanții ob/ob. Șoarecii mutanți ob/ob (ob/ob) și controalele potrivite în funcție de vârstă (tip sălbatic și heterozigoți, + /?), 10 pe grup, au fost injectate i.p. cu 0,1 ml fie de 7 μg analog MSH (MSH), fie singur vehicul (veh). O oră mai târziu sângele a fost colectat prin puncție retroorbitală. Serul a fost testat pentru FFA.

Discuţie

În rezumat, am arătat: (i) că injecția cu leptină crește nivelurile de MSH circulant la mutanții ob/ob; (ii) că analogul MSH administrat periferic încetinește creșterea în greutate la mutanții ob/ob prin metabolismul modificat; (iii) că analogul MSH administrat periferic accelerează pierderea în greutate în timpul unui post la mutanții ob/ob; (iv) că analogul MSH administrat periferic crește homeostazia termică la mutanții ob/ob într-o provocare rece; și (v) că analogul MSH administrat periferic induce niveluri serice de FFA în mutanții ob/ob.

Din aceste rezultate propunem că există două efecte distincte ale MSH indus de leptină (vezi Fig. 6A): (i) MSH produs în hipotalamus ca răspuns la leptină inhibă apetitul prin interacțiunea cu neuroni care exprimă MC4-R în nucleul arcuat, și (ii) MSH produs în SNC difuzează la periferie, unde modifică metabolismul lipidic, descurajând sechestrarea în adipocite și încurajând catabolismul. Deoarece eliberarea centrală a MSH este parțial reglementată de leptină, propunem un control integrat al apetitului și al metabolismului grăsimilor prin calea leptină-POMC.

Schema propusă pentru controlul apetitului integrat și metabolismul grăsimilor prin calea leptină-POMC. (A) Într-o situație de homeostazie, aportul (hrănirea) și utilizarea (metabolismul) combustibilului sunt echilibrate. Adipocitele eliberează leptina, care se leagă de receptorii leptinei de pe neuronii producători de melanocortină centrală. Eliberarea MSH indusă de leptină permite legarea MSH de neuronii care poartă MC-R centrale și o scădere a aportului de alimente și permite difuzia MSH centrală la periferie, unde se leagă de MC-R pe adipocite, provocând o mobilizare a grăsimilor magazine. La mutanții obezi, această homeostazie este dezechilibrată: la mutantul pomc/pomc (B) adipocitele eliberează cantități mari de leptină; cu toate acestea, nu se eliberează MSH ca răspuns la aceasta. Atât lipsa centrală, cât și periferica de semnalizare a MSH duce la hiperfagie și la sechestrarea combustibilului în depozit. În mutantul ob/ob (C) nu este disponibilă o leptină funcțională, determinând eliberarea unei cantități mai mici decât suficiente de MSH, contribuind astfel atât la hiperfagie, cât și la sechestrarea combustibilului în depozit. Administrarea periferică a MSH duce la mobilizarea depozitelor de grăsime și la scăderea în greutate sau încetinirea creșterii în greutate prin reconstituirea MSH care lipsește în mutantul pomc/pomc sau prin creșterea cantității insuficiente de MSH în mutantul ob/ob (D).

Este puțin probabil ca analogul MSH administrat periferic să acționeze prin SNC, în special printr-o scădere directă a poftei de mâncare. În primul rând, studiile autoradiografice privind distribuția de organe a α-MSH marcate radioactiv injectate intravenos la șoareci nu au arătat radioactivitate detectabilă în SNC (32). Acest lucru a fost confirmat recent la șobolani prin utilizarea analogului MSH-radiomarcat MT-II (33), care a dezvăluit o etichetare specifică care a avut loc în principal la organele circumventriculare (Lex Van der Ploeg și Xiaoming Guan, comunicare personală). Rămâne o posibilitate formală, dar puțin probabilă, ca analogii MSH administrați periferic să activeze neuronii în regiuni cu barieră hematoencefalică defectă, care la rândul lor se proiectează direct sau indirect către hipotalmus. În al doilea rând, experimentele noastre au fost efectuate în absența consumului de alimente.

Diferențele în ceea ce privește creșterea în greutate între șoarecii ob/ob tratați cu leptină și analogii tratați cu MSH sunt în concordanță cu două efecte ale MSH, unul central (suprimarea poftei de mâncare), declanșat de injecția cu leptină și unul periferic (metabolic), declanșat fie prin injecția cu leptină sau injecție periferică de MSH. În plus, incapacitatea analogului MSH periferic de a suplimenta efectul de reducere a greutății la șoarecii ob/ob a unei doze de leptină suficientă pentru a induce niveluri normale de MSH este în concordanță cu capacitatea leptinei de a induce niveluri de MSH central și periferic echilibrat pentru apetit și metabolism. Ori de câte ori acest lucru nu este cazul (de exemplu, mutanții ob/ob și pomc/pomc) administrarea periferică a unui analog MSH permite o rată metabolică crescută prin mobilizarea depozitelor de grăsime.

Scăderea în greutate a postului îmbunătățită, termoreglarea și nivelurile serice de FFA - toate fără aport alimentar - ale mutanților ob/ob tratați cu analogul MSH sunt în concordanță cu o accesibilitate crescută a depozitelor de grăsime în absența diferențelor de hrănire.

Defectul reglării termice la mutanții ob/ob pare să aibă două componente. În primul rând, temperatura setată este mai mică în toate condițiile. În al doilea rând, capacitatea de a menține acest punct stabilit într-o provocare rece este redusă. Scăderea punctului de referință poate fi hipotalamic, mediat fie direct de neuroni care exprimă receptorii de leptină, fie de neurotransmițători secundari. Incapacitatea de a menține chiar și acest punct de referință mai mic într-o provocare rece reflectă incapacitatea organismului de a mobiliza grăsime fără semnal suficient (MSH) de la centru la periferie; acest semnal MSH depinde de un semnal de leptină care indică depozite suficiente de grăsime. Termoreglarea deficitară poate fi atenuată fie prin leptină exogenă, care la rândul său crește MSH circulant, fie prin administrare directă periferică de MSH exogen.

Am constatat anterior că șoarecii mutanți pomc/pomc nuli aveau un defect specific în metabolismul lipidelor, stocând mai degrabă decât utilizând lipide dietetice în ciuda obezității (17). Prezența MC-Rs 1, 2, 3 și 5 asupra adipocitelor (11, 12, 34) și efectul inductiv al MSH asupra nivelurilor serice de FFA, sunt în concordanță cu un efect direct al MSH asupra metabolismului lipidic în adipocite. Nu este clar în acest moment prin care MC-R MSH semnalizează; este puțin probabil să semnalizeze prin MC5-R, deoarece mutantul nul MC5-R nu este obez (35). De asemenea, este puțin probabil să semnalizeze prin MC2-R [receptorul corticotropinei (ACTH)], deoarece analogul MSH administrat după suprimarea dexametazonei axului hipotalamo-hipofizo-suprarenal nu are, spre deosebire de ACTH, niciun efect asupra stimulării producției de corticosteron mediată prin MC2-R exprimat în glanda suprarenală (datele nu sunt prezentate). Un candidat probabil este MC3-R, a cărui mutație vizată duce la creșterea masei grase în ciuda hipofagiei, în concordanță cu rolul periferic pe care l-am propus sistemului melanocortinei în partiționarea depozitelor de combustibil în grăsimi (36, 37).

Acum 25 de ani, Kastin și colab. (38) a sugerat un rol modificator pentru hormonii hipotalamici și hipofizari în lipoliză, adică mobilizarea lipidelor. Ei au întrebat dacă factorii produși în hipotalamus pot exercita efecte printr-o acțiune directă asupra celulelor adipoase, propunând un factor de mobilizare a lipidelor. Când 50 de peptide și hormoni din hipofiză, hipotalamus, tractul gastro-intestinal și alte origini au fost testați pentru activitatea lipolitică în celule izolate de grăsime de iepure, opt peptide derivate din POMC au stimulat eliberarea glicerinei, în timp ce toate celelalte peptide și hormoni nu au prezentat activitate lipolitică (39 ). Cea mai puternică peptidă lipolitică a fost α-MSH, care avea și cea mai mică doză eficientă minimă. Cu toate acestea, când acest efect nu a fost observat la adipocitele de șobolan în cultură, eficacitatea lipolitică a MSH la iepuri a fost considerată o anomalie a speciei (40).

Activitatea lipolitică observată a MSH la șoareci in vivo este similară cu activitatea lipolitică ridicată a MSH observată la iepuri in vivo (41). În experimentele de iepure i.v. injectarea de MSH la o concentrație de 150 μg/kg a dus la o creștere cu 50% a FFA serice după 1 oră. În experimentele noastre in vivo la șoareci, 7 μg de MSH (140 μg/kg) injectat de i.p. traseul a dus la o creștere a FFA-urilor serice de aproape 20% în decurs de 1 oră. Având în vedere rezultatele noastre, am concluzionat că MSH are o activitate lipolitică puternică la șoareci in vivo și că absența activității lipolitice în celulele de șobolan in vitro a fost o particularitate a mediului de cultură tisulară.

Având în vedere rezultatele noastre, propunem următoarele modificări la schema leptină-POMC prezentată mai sus (vezi Introducere și Fig. 6). În primul rând, MSH contribuie atât la scăderea poftei de mâncare, cât și la creșterea ratei metabolice (Fig. 6A). Acestea sunt răspunsuri complementare la depozitele suficiente de grăsimi. În lipsa unui depozit suficient de grăsimi, se poate aștepta ca un organism să mănânce mai mult și să cheltuiască mai puțină energie. La fel ca mutanții pomc/pomc (Fig. 6B), mutanții ob/ob (Fig. 6C) evidențiază o rată metabolică scăzută, care poate fi inversată prin analogul MSH administrat periferic (Fig. 6D). Un efect direct al MSH asupra suprimării poftei de mâncare este mediat prin intermediul neuronilor care exprimă MC4-R, în timp ce rata metabolică crescută este mediată de celulele periferice, în special adipocite, care exprimă MC-Rs.