Ch3. hormone action 에 대한 general mechanism

 

*cellular receptors and hormone action

 

-receptor : “receptive substance 다. -> hormone-cell interaction 을 위한 specificity 를 제공해 준다.

-plasma membrane , cytosolic or nuclear elements

 

 

horone receptors 는 specific hormones 을 binding 한다.

 

-      specificity : one specific hormones 에만 binding 할 수 있는 능력 : ligand binding specificity

-      affinity : ligand 와 receptor 사이의 noncovalent interactions

-      agonists : hormone 의 action 을 mimic 한다. -> potency 를 증강시킨다.

-      Antagonists : hormone 에 의한 activation 을 막는다.

 

*hormone binding receptor 의 chemical kinetics

 

 

l  characteristics of physiological receptors

 

1.     a hormone 이 its receptor 에 binding 하는 것은 high affinity 로 일어나는 process 다.

2.     a receptor 에 의해 a hormone 이 binding 하는 것은 , a high degree of specificity 를 지닌 채 일어난다.

-      vasopressin 과 oxytocin 은 their respective receptors 에 대해 greater affinity 를 지닌다.

3.     each hormone responsive cell 은 a finite number of receptors 를 만들어 낸다.

-      2000~100,000 receptor molecules : high affinity receptor sites 는 low affinity binding receptor 에 의해 vastly outnumbered 되어 있다.

4.     receptor binding process 는 reversible 하다는 특징을 지닌다.

5.     a receptor 에 의한 a hormone 의 binding 은 target cell 에서 physiological response 로 간주된다.

 

l  plasma membrane receptors 에 binding 하는 hormone molecules

 

l  a Scatchard plot 의 Schematic representation

 

l  hormones 의 Nonadditive and additive effects

 

l  plasma membrane hormone receptors

-      membrane receptors 는 macromolecules 이다. 그리고 종종 glycoprotein 이다. -> 이것은 a specific hormone ligand 를 위해 high affinity 를 display 한다.

-      Membrane receptors families 는 characteristic structures 과 functional properties 를 지닌다.

-      Membrane-bound receptors 의 4가지 main classes

1)     G(GTP-binding) 에 coupled 된 receptors 의 superfamily

2)     Enzymes 이기도 한 receptors (ex) tyrosin protein kinase , serin/threonine kinase , guanylate cyclase)

3)     Enzymes 과 연관된 receptors (ex) tyrosine kinase 와 연관된 cytokine receptors)

4)     Ion channel 과 coupled 된 receptors

 

 

l  multi- and single- transmembrane receptors 의 schematic representation

 

l  G-protein coupled receptors 의 insertion 을 위한 schematic model

 

l  hormone action 의 second messenger

-      cyclic nucleotides 는 many hormone 의 action 에서 second messenger 로 작용한다.

(c AMP : 3’5’-cyclic adenosine monophosphate -> hormone binding signal 을 increased adenylate cyclase activity 로 conversion 하는데 key 가 되는 것이다.

(c GMP : some hormone 은 guanylate cyclase 를 activate 시킨다.)

(phosphodiesterase : nucleotides 의 cyclic ring 을 cleavage 시키는 enzyme)

(methylxanthines 은 c AMP and c GMP-dependent phosphodiesterase activity 를 inhibit 시킨다.)

 

l  cyclic nucleotide synthesis 와 inactivation

 

l  c AMP production and action

 

l  c AMP production 과 action 에서의 cellular events

 

l  phosphodiesterase activity 의 inhibitors

 

l  c AMP and related analogs

 

l  membrane receptor signal transduction

G protein 은 dual control of adenylate cyclase 를 mediate 한다.

- G proteins 은 membrane-bound receptors 를 coupling 함으로써 , transducers 로 작용한다.

- heterotrimers 다. 그리고 a subunit 으로 liberate 하기 위해 dissociate 한다. (알파,베타,감마 subunit)

- 20 알파 subunit , 4 베타 subunit and 4 감마 subunit 은 diverse combination of G protein family 를 만든다. (20x 4 x 4 = 320 가지 families)

- Receptor/G protein interaction 은 membrane ion channels 의 direct activation 을 초래할지도 모른다. (ex) K+ , Ca2+)

 

Receptor “ cross talk” 는 different signal transduction pathways 사이에서 일어날지도 모른다.

-      one second messenger 의 concentration 의 변화는 종종 another 것의 concentration 의 변화를 초래한다.

 

l  receptor G protein-mediated signal transduction

 

l  multiple membrane messengers

(1)     phosphoinositides 는 eukaryotic cells 의 plasma membrane 내에 존재하는 phospholipids 다.

(2)     Three different messengers 는 1) arachidonic acid 에서도 만들어 지고 , 2) IP3 에서도 만들어 지고 , 3) DG , diacyglycerol 에서도 만들어 진다.

(3)     G proteins 과 IP3 and DG formation

-      G protein 은 a specific phospholipase (PLC) 를 activate 시킨다. PLC 는 phosphatydylinositol 4,5-biphosphate 의 phosphodiester bond 를 hydrolyze 시킨다. -> 그래서 IP3 와 DG 를 만들어 낸다.

-      DG 는 PKC 를 activate 시키고 , IP3 는 ER 의 Ca2+ channel 을 activate 시킨다.

 

l  signal transduction 에서의 PKC 의 역할

-      cell proliferation 과 cell differentiation 에서의 factors 로 작용하는 components 들이다.

 

l  inositol phosphatase 와 receptor signal transduction

 

l  eicosanoids 와 hormone action

(1)   1930년: human semen 과 동물에서 얻은 seminal vesicles 의 extracts -> contract or relax 하기 위한 uterine tissue (prostaglandin , PG)

(2)   PGs: phospholipase A2(PLA2) 에 의한 arachidonic acids 로부터 만들어짐

(3)   PGE2 , PGF2알파 , prostacyclin I2 or thromboxane A2 (TXA2) 로 converted 된다.

(4)   Arachidonic acid 는 5-lipoxygenase 에 의해 leukotrienes 을 만들어 낸다. -> LTA4 , LTB4 , LTC4 , LTD4 and LTE4

(5)   Arachidonic acids :

-      cyclic endoperoxide intermediates 로 converted 된다. 그리고 cyclooxygenase system 에 의해 PGs 를 만들어 낸다.

-      5-lipoxygenase 에 의해 leukotrienes 으로 converted 된다.

 

 

 

l  prostaglandins

(1)  prostaglandins :

-      hairpin 을 형성하기 위해 bent 된 20 carbon carboxylic fatty acids 다.

-      PGF2알파 와 PGE2 : vascular smooth muscle activity 를 control

(smooth muscle relaxation : PGE2)

(Smooth muscle contraction : PCF2알파 and PGI2)

 

 

(2)  Prostacyclins :

-      blood vessel wall(endothelial cells) 에 의해 만들어 진다.

(blood platelet aggregation PGI2 의 most potent inhibitor)

 

(3)  thromboxans:

-      thromboxans A2 는 calcium ionophore 로 작용한다.

(platelet aggregation 을 야기하면서)

(vascular and bronchiolar smooth muscle 의 constriction 을 induce 한다.)

l  leukotrienes

(1)   leukocytes 에 의해 만들어진다. 그리고 three conjugated double bonds 를 포함한다.

(2)   Vascular contraction 을 extremely potent 하게 일으킨다. 그리고 vascular permeability 를 induce 한다.

-      glucocorticoids 의 anti-inflammatory actions 은 phospholipase activity 를 inhibit 시킨다. 그리고 leukotriene formation 을 위한 arachidonic acids 를 restricts 한다.

(3)   leukotrines: the site of injury or invasion 에서 inflammation or allergic response 를 induce 한다.

-asthma , chronic bronchitis , cystic fibrosis , septic shock , inflammatory bowel disease 와 같은 disorders 들은 the increased levels of leukotrienes 과 연관되어 있다고 보고되어 있다.

 

l  general scheme of eicosanoid biosynthesis and mechanisms of action

 

l  nuclear hormone receptor

steroid/thyroid hormone receptors

-      the hormones 은 simple diffusion(단순 확산) 을 통해 , cells 로 들어간다.

-      The steroid hormones 은 its cytosolic/nuclear protein receptor 에 binding 한다. -> intracellular receptors 는 a heat shock protein 과 complexed 된 dim er 로 존재한다.

-      Receptors 가 DNA-binding form 으로 activation 된다. (transcription factor)

-      The receptor/steroid hormone complex 는 cell 의 nucleus 로 translocated 된다.

-      The receptor/steroid complex 는 DNA HREs and m RNA synthesis 에 binding 한다. (transcription) results

-      M RNA 는 cell-specific proteins 으로 translated 된다.

 

l  steroid hormone action 의 mechanisms

 

l  hormones 의 permissive , additive , synergistic actions

permissive action : 호르몬은 자신들의 effects 를 행사하기 위해 other hormones 을 위해 존재할 것임에 틀림 없다.

 

 

Steroid or thyroid hormones 의 permissive actions

1.     specific m RNA synthesis 에서 their actions 을 통한 이와 같은 hormones 은 membrane receptors 의 숫자를 늘어나게 만들 수 있다.

2.     thyroid or steroid hormones 은 cyclic nucleotide-dependent protein kinase 의 양을 증가시키거나 , 감소시킬 수 있고 , 또는 c AMP or c GMP-dependent protein kinases 에 의한 phosphorylation 을 위해 이용 가능한 substrate 의 양을 증가시키거나 감소시킬 수 있다.

3.     thyroid or steroid hormones 은 cyclic nucleotide action 에 대해 antagonistic 한 actions 을 지닌 another protein 에 대한 inhibitor 로서 작용할 수 있는 proteins 의 synthesis 를 증강시킬 수 있다.

 

l  steroid hormones 의 permissive actions

 

l  a protein substrate 의 protein kinase phosphorylation

 

l  protein kinases 와 phosphoprotein phosphathases 의 역할

 

l  receptor regulation

(1)   hormones 은 receptor number 를 조절할 수 있다.

-      their own(homologous) or other(heterologous) receptors 를 조절한다. -> down , or up- regulation

(2)   receptor 는 협력적으로 hormones 에 대한 반응을 조절할 수 있다.

-      noncooperative , positively cooperative , or negatively cooperative

(3)   spare receptors 는 hormone-responsive cells 에서 흔히 존재한다.

-      maximal stimulation 은 receptors 를 지닌 cell 의 1%만 충족시킬 뿐이다.

(4)   hormone action 의 termination

-      c AMP 는 cytosolic phosphodiesterase action 에 의해 빠르게 destroyed 된다.

 

l  G-protein-coupled receptors(GPCRs) 에 의해 signaling 을 약화시키는 mechanisms

 

l  hormone action 의 pathophysiological correlates

(1)     hormone deficiency 에 의한 syndrome : missing hormone 에 대한 increased sensitivity 와 관련이 있다. -> 그 cell 이 elevated levels of a hormone 에 exposured 되면 , target tissue receptors 에서 decrease 를 초래할지도 모른다.

(2)     Thryoxine : cardiac muscle and vascular tissue 에서 베타-adrenergic receptors 의 숫자를 증가시킨다. -> sympathetic nervous activity 가 증강 된다. (=hyperthyroidism)

(3)     Myasthenia gravis : autoimmune disease 다. -> cholinergic(콜린 효능성의) receptor 에 대한 antibody 는 acethycholine receptors 를 막는다. 그러면 , muscle dysfunction 이 일어난다.

(4)     Graves’ disease : thyrotropin receptors 에 binding 하는 circulating immunoglobulins 은 T4-T3 production 을 증강 시킨다. (=hyperthyroidism)

(5)     Cholera toxin : guanylyl nucleotide regulatory protein 에 binding 한다. -> c AMP 를 생산하기 위해 adenylyl cyclase 가 continuous activation 된다.

(6)     G protein 의 mutation : some specific cell types 에서 oncogenes 으로 작용한다.

 

 

Ch 4. Methodologies

 

l  Endocrine methodologies

(1)   General considerations

1.     Source : hormone 의 distribution -> hormone 은 a single organ 이상에서 발견될지도 모른다.

2.     Structure determination and synthesis : peptide hormones -> amino acid sequence 가 determined 된다.

3.     Biosynthesis : hormone production 의 biosynthetic pathway 는 delineated 되어야 한다.

4.     Secretion 을 control : nervous system 은 hormone secretion 을 조절할 수 있다.

5.     Secretion 의 Cellular mechanisms : second messengers 와 structural elements 의 natures.

6.     Circulation and metabolism : hormones 의 half-life

7.     Biological actions 과 roles : replacement therapy

8.     Action 의 mechanisms : hormone action 에 관련된 receptor 와 signal transduction mechanisms

9.     Pathophysiological aspects : hormone 의 existence 는 a human pathological condition 에 의해 발견된다.

10.   Comparative endocrinology : some hormones 은 structure and/or function 에서 conserved 된다. -> 이러한 관계의 adaptational significance 를 결정한다.

 

l  Histological-cytological studies 1

(1)   Light microscope : endocrine glands 의 histological nature 를 결정한다.

(2)   Electron microscope : ultrastructural level 에서 cellular function 을 체크 -> scanning electron microscope ; electron microscope 와 light microscope 의 gap 에 bridge 를 놔 준다.

(3)   Gross observation : anatomical localization , organ size , vascularization , innervation -> goiter , thyroid gland 는 enlarged 된다.

(4)   Hypertropic (enlarged ) -> hyperactive

-       Atropic (더 작아 진다. ) -> hypoactive

(5)   Hyperplasia : cell number 의 증가

(6)   Histological staining : hematoxilin , a basic dye , blue -> DNA, RNA 와 interact 함 ; eosin , an acidic dye , pink -> basic elements , cytoplasm , 와 interact 한다.

 

l  Histological-cytological studies 2

(1)   Immunocytochemistry :

-       Peptide or protein hormone 에 대한 antibodies 가 fluorescence dye 에 conjugated 된다. -> hormone-producing cell 을 identify 하기 위해서 말이다.

-       Immunoenzyme histochemistry  : a hormone 에 대한 an antibody 가 an enzyme(peroxidase) 에 conjugated 된다.

-       Immunoperoxidase methods 와 electron microscope : cell 의 secretory vesicles 에 the sites of the enzyme activity 를 localize 시키는 게 가능하다.

 

(2)   Surgical methods :

-       A endocrine glands 의 surgical removal 과 physiological alterations 의 assessment

è  A change 는 endocrine function 을 제안한다.

-       Parabiosed animal test: removal of organ 은 another organ 의 hypertrophy 를 야기시킨다.

 

l  Compensatory ovarian hypertrophy

 

[그 다음 슬라이드]

(1)   Hormone replacement therapy :

-       Menopause 에서 ; bone mineral loss 생기므로 -> estrogen replacement therapy 를 시행

(2)   Hormone activity 의 immunological neutralization :

-       Antibodies 는 endogeneous hormones 의 biological activity 를 neutralize 시킨다. -> zona pellucida 에 대한 antibodies 는 contraceptive vaccines 으로 사용 가능한 potential 을 지닌다.

(3)   Tissue extracts 와 purifications :

-       Pigs , bovine , equine 등으로부터 insulin 얻기.

(4)   Chemical identification and synthesis :

-       Purified hormones 은 사용하기 위해 chemically identified 되고 synthesized 되어야 한다.

(5)   Bioassay

-       Muscle contraction 과 relaxation , 또는 glandular secretion 과 같은 physiological responses

-       The frog skin bioassay : MSH hormone 을 위한…

-       The steroid-primed uterus : this organ 의 oxytocin-induced contractions 을 위해 사용 된다.

 

[Table 4.1]

l  Radioisotope studies

(1)   Various elements 의 radioisotope (125I , 45칼슘 , 35S , 32P , 23나트륨 , 14칼슘 , 3H+) : 생리학적 그리고 생물학적 responses 를 결정한다.

-       125I 는 thyroid cells 에 의해 taken up 된다. 그리고 , thyroid hormones (T3 and T4) 로 incorporated 된다.

-       14칼슘 : glucose uptake

-       23나트륨 : 나트륨 uptake 를 measure 한다.

-       35황 : neurohypophysical synthesis?

-       32P : protein phosphorylation 을 monitor 한다.

 

l  Radioimmunoassay :

-       The concentration of hormones 을 결정한다.

 

 

l  Radioreceptor assay :

-       Assay 는 hormone 과 natural membrane receptor 사이의 interaction 을 employ 한다.

 

 

 

[Figure 4.3]

l  Principle of a typical immunometric sandwich assay

l  Scatchard plots 의 comparsions

[Figure 3.2]

l  Gene expression- Autoradiography 에 대한 analysis

l  [3H ] uridine incorporation 의 patterns

l  M RNA level 은 a measure of gene expression 로써 analyzed 된다.

l  In situ hybridization

l  Pharmacological methods

(1)   Ouabine :

-       Na+/K+ pump 를 inhibit 하기 위해 이용 된다. -> active transport systems(Na+/Ka+ ATPase) 는 this hormone 의 secretion mechanisms 에 관련되어 있을 지도 모른다.

(2)   Intracellular enzyme activity 의 inhibitors:

-       Theophylline and caffeine , phosphodiesterase inhibitors ->  c AMP 를 elevate 시킨다.

-       Iodoacetic acids : glycolysis 를 blocks 한다.

-       DNP : oxidative phosphorylation 을 uncouple 시킨다.

-       Colchicine : a plant alkaloid 로서 , tubulin 에 binding 함으로써 microtubule assembly 를 inhibit 한다.

-       Actinomycin D : RNA production 을 inhibit 한다.

-       Puromycin and cycloheximide : protein synthesis 를 inhibit 한다.

(3)   Ionophores :

-       A23187 -> Ca2+ 를 cell 내로 carry 한다.

-       Valinomycin -> K+ ion 에 specific 하다.

(4)   Liposome (phospholipid vesicle ) : vehicle (Ca2+) 을 mast cells 로 이동 시키고 , histamine 을 방출한다.

(5)   Hormone receptor agonists :

-       Carbacol -> enzymatic degradation 에 more resistant 한 , cholinergic activity 를 exhibit 한다.

-       Ergot alkaloids : dopamine receptor 를 stimulate 한다. 그리고 MSH 를 inhibit 한다. 그리고 prolactin secretion 을 inhibit 한다.

(6)   Hormone receptor antagonists :

-       Chlorpromazine 은 dopamine receptor 를 block 한다.

-       Acetylcholine action  은 atropine 에 의해 blocked 될 수 있다.

(7)   Peptide hormones 의 synthetic analogs

-       Receptor occupancy 를 block 한다. -> hormone antagonists 로 act 한다.

(8)   Cobalt chloride and alloxan :

-       Pancreas 의 알파 and 베타 cell 을 destroy 시킨다.

[Table 3.1]

 

l  Insulin 의 microbial production 을 위한 recombinant –DNA technique

l  Genetic engineering

(1)   Genetic engineering 은 transgenic or knock out mouse 를 만들기 위해 이용된다.

(2)   1980년대 초 : mammalian embryos 에 처음으로 foreign genes 이 injected 됨. -> transgenesis approach 는 endocrine research 에서 사용하기 위한 powerful tool 을 제공할 수 있었다. , DNA molecules (rat growth hormones) 을 fertilized eggs 로 microinjection 시킴 => giant mouse 가 developed 됨.

(3)   Commercially important animal 에서의 transgenic technology : metallothionein-베타 promoter 는 full length type 1 GH gene 과 fused 됨 -> 11 fold heavier salmons 이 만들어 짐.

(4)   Gene knock out animals : hormones and their receptors 의 physiological roles 에 대한 vital information 을 제공함 -> gene deletion mutant animal 의 loss of function 은 essential role of a protein 을 confirm 해 줄 수 있다.