alterations in feedback mechanisms and metabolism-associated signaling pathways

Diploma thesis - University of Veterinary Medicine Vienna - 2021

Diplomarbeit - Veterinärmedizinische Universität Wien - 2021

In individuals with Laron syndrome (LS), a rare autosomal recessive hereditary disease, the complex regulation of the somatotropic axis is disturbed by growth hormone receptor deficiency (GHRD). The resulting phenotype is characterized by reduced insulin-like growth factor 1 (IGF1) and high growth hormone (GH) serum concentrations as well as dwarfism, severe obesity, and increased insulin sensitivity. In order to evaluate the effects of this syndrome on central regulatory mechanisms of endocrine feedback-loops and metabolism, we investigated the activity of signaling cascades in hypothalami and anterior pituitaries of growth hormone receptor-knock out (GHR-KO) pigs. Therefore, we used sodium dodecyl sulfate–polyacrylamide gel electrophoresis (SDS-PAGE) and western immunoblotting techniques. Despite low IGF1 serum levels, we observed an increased activity of insulin receptor substrate 1 (IRS1) related signaling in anterior pituitary and hypothalami of GHR-KO pigs. This suggests that negative IGF1 feedback on GH-production and -release from the periphery is not conveyed by this cascade. Instead this upregulation can be explained by the activation of the leptin receptor, which we have confirmed in hypothalami of GHR-KO pigs. Physiologically, an activation of IRS1 by leptin in the hypothalamus mediates an energy surplus and represents an intact communication of energy stores, while disorders leading to leptin insensitivity are pathologically related to obesity. In contrast to the intact activation of upper signaling, a typical “anti-hunger” effector, the mechanistic target of rapamycin (mTOR), was unchanged and its antagonist, adenosine monophosphate-activated protein kinase (AMPK), was even increased. This leads to an unclear picture of energy shortage and excess in a key regulator of the energy homeostasis of an obese organism associated with increased insulin sensitivity. Since these results touch current research topics such as obesity-associated leptin resistance and GH/IGF1-feedback, further investigations using western blots as well as non-targeted proteome analyzes may be useful and are already being implemented.

Bei Individuen mit Laron-Syndrom (LS), einer seltenen autosomal-rezessiven Erbkrankheit, ist die komplexe Regulation der Wachstumsachse durch eine Wachstumshormonrezeptordefizienz (GHRD) gestört. Der daraus entstehende Phänotyp resultiert aus erniedrigtem insulinähnlichen Wachstumsfaktor 1 (IGF1) bei gleichzeitig hohen Wachstumshormon (GH)-Serumkonzentrationen und ist durch Kleinwüchsigkeit und Fettleibigkeit, aber teilweise erhöhte Insulinsensitivität gekennzeichnet. Um die Auswirkungen dieses Syndroms auf zentrale Regelmechanismen von endokrinem Feedback und Metabolismus zu untersuchen, wurde die Aktivität entsprechender Signalkaskaden in Hypothalami und Adenohypophysen von GHR-knock out (GHR-KO) Schweinen untersucht. Hierfür wurden SDS-Polyacrylamid-Gelelektrophorese und Western Immunoblotting Methoden mit Meerrettichperoxidase konjugierten Antikörpern genutzt. In Adenohypophysen und Hypothalami von GHR-KO-Schweinen wurde, trotz niedriger IGF1 Serumspiegel, eine erhöhte Aktivität von Insulinrezeptorsubstrat 1 (IRS1) oder der IRS1-Signalkaskade gefunden. Dies legt nahe, dass diese Kaskade nicht, wie in anderen Geweben, als Überträger der IGF1-Wirkung dient und somit das negative Feedback auf GH-Produktion und -Ausschüttung aus der Peripherie anderweitig übertragen wird. Stattdessen lässt sich die Aktivierung dieser Kaskade im Hypothalamus durch eine erhöhte Aktivierung des Leptinrezeptors in Zusammenhang mit erhöhten Leptinserumspiegeln begründen. Im gesunden Organismus vermittelt die Aktivierung dieser Kaskade durch Leptin im Hypothalamus einen Energieüberschuss und steht für eine intakte Kommunikation des Energiestatus. Störungen hingegen führen zu Leptininsensitivität und stehen im Zusammenhang mit Adipositas. Im Gegensatz zur Aktivität der oberen Signalwege, war ein typischer Effektor dieser „anti- Hunger“-Kaskade, das mechanistic target of rapamycin (mTOR), jedoch unverändert und ein Leptingegenspieler, Adenosinmonophosphat-aktivierte Proteinkinase (AMPK), sogar erhöht. Dies weist auf eine Entkopplung klassischer Wege der zellulären Wahrnehmung von Energiemangel und Energieüberschuss in einem zentralen Regelzentrum der Energiehomöostase in einem durch Fettleibigkeit bei gleichzeitig erhöhter Insulinsensitivität gekennzeichneten Organismus hin. Da diese Ergebnisse aktuelle Forschungsthemen wie Leptinresistenz in Zusammenhang mit Fettleibigkeit und GH-abhängigen Regelkreisen des Hypothalamus nur anschneiden, sind weitere Untersuchungen mittels Western Blots aber auch non-targeted Proteomanalysen mittels Massenspektrometrie sinnvoll und bereits in der Umsetzung.

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60 Seiten