Лептин

Виявляється, рівень лептину залежить від фази менструального циклу і досягає максимуму в останній лютеїновій фазі. Дослідники вважають, що цей поліпептид може відігравати певну роль у стимулюванні функціональних змін, пов'язаних з лютеїновою фазою.

Дослідники під керівництвом Франца Гайстовела (Центр гінекологічної ендокринології та репродуктивної медицини, Німеччина) вивчали рівень вільного лептину в сироватці протягом трьох місячних циклів у 30 жінок. Рівень лептину досягав максимуму в останній лютеїновій фазі, знижувався в ранній фолікулярній фазі, а потім знову піднімався в наступній лютеїновій фазі.

Спостережене циклічне змінення рівня вільного лептину в сироватці вказує на те, що прогестерон - найбільш ймовірно в комбінації з естрадіолом - стимулює стійке збільшення концентрації від фолікулярної до лютеїнової фаз, так пояснюють цей феномен автори. Розмірковуючи про фізіологічний ефект лептину, дослідники відзначають, що лептин - низькомолекулярна речовина, і можна припустити, що він проникає в фолікулярну порожнину, де може якось модифікувати клітини фолікула і таким чином поляризувати ооцити.

Лептин і серце.

За даними досліджень, проведених шотландськими вченими, високий рівень лептину (leptin), гормону, що природно виробляється у жирових клітинах, може бути серйозним попередженням про розвиток серцевої хвороби.

Відомий той факт, що люди з надлишковою вагою потрапляють в групу ризику щодо серцево-судинних захворювань. Але г-н Саттар, ендокринолог з Глазго, вважає, що вимірювання рівня лептину може бути більш точним доказом ожиріння, ніж вага людини відносно її зросту, оскільки люди з однаковою вагою насправді можуть мати різні кількості жирових накопичень.

Було встановлено, що зв'язок між кількістю лептину та захворюваннями серцево-судинної системи існує незалежно від інших факторів ризику, таких як куріння, високий рівень холестерину та високий кров'яний тиск.

Лептин - це гормон, який, за припущеннями вчених, передає сигнал в мозок про те, що організм насичений і пора припинити їсти. Але у деяких важких людей цей сигнал не доходить до мозку.

У експерименті, проведеному шотландськими вченими, взяли участь 377 осіб, які перенесли інфаркт протягом останніх 5 років або мають забиті артерії, і 783 людини, у яких немає жодних захворювань серцево-судинної системи. В результаті було виявлено, що рівень лептину у серцевих хворих на 16 відсотків вищий, ніж у іншої групи з 783 людей.

Під час дослідження також було встановлено, що разом із зростанням рівня лептину у важких людей зростає і рівень С - реактивного білка, який свідчить про наявність в організмі запального процесу, пов'язаного з хворобою серця.

У зв'язку з цим лікарі рекомендують активно займатися фізичними вправами і тримати свою вагу під контролем, оскільки таким чином можна знизити рівень лептину.

Лептин як регулятор кількості жирової тканини

Історія відкриття лептина була закладена експериментами з парабіотичними тваринами, над якими працював Херві.

Парабіоз - штучне зрощення двох (рідше трьох) тварин з встановленням загального кровообігу та потоку лімфи; використовується для вивчення взаємних гуморальних впливів (гормонів та ін.) а також органів і тканин зрощених організмів (парабіонтів). - Примітка редакції.

Його цікавило картирування зон гіпоталамусу, відповідальних за різні функції, і фактор, що виділяється жировою тканиною та регулює вагу тіла, як це часто трапляється, був виявлений випадково. З 1958 року вивчення лептина ведеться дуже інтенсивно, щорічно з'являється велика кількість оригінальних статей, а в 1998 році було опубліковано чудовий огляд Фрідмана та Халаас (саме повідомлення Джеффрі Фрідмана з Рокфеллерівського університету про успішну терапію мишей з дефіцитом лептину рекомбінантним лептином викликало великий інтерес, що знайшло відображення у засобах масової інформації по всьому світу), а також оглядна стаття Каро, яка має назву: "Лептин: з 1958 року до наших днів". У огляді Оверкса та Сталса, який, до речі, також був опублікований в 1998 році, підкреслюється, що лептину вже присвячено понад 600 статей (за останні три роки ця цифра, звичайно, значно зросла). Можливо, це випадкове сумісне збігання, а можливо, дослідники, що займаються вивченням лептина, таким чином відзначили сорокалітній ювілей відкриття цієї унікальної речовини.

Деталі про ген ob (obese)

Почали з'являтися нові докази, що підтверджують припущення про циркулюючий у крові фактор насичення. Після Герві, інші дослідники, які вже працювали з конкретними мутантними лініями тварин, продовжили експерименти з парабіотичними тваринами. У гризунів гомозиготні мутації в гені, що кодує лептин або його рецептор, призводять до раннього початку патологічного ожиріння, що супроводжується гіперфагією, зниженням енерговитрат, гіпотермією та непереносимістю холоду. У таких тварин спостерігається також безпліддя, гіпергідрокортизонемія та інші ендокринні та метаболічні порушення (включаючи обмін глюкози). Попередні дані свідчили про те, що лептин може бути аферентним сигналом негативної зворотного зв'язку, що регулює кількість жирової тканини. Для цього було необхідно виконання наступних умов:

• лептинова мРНК повинна експресуватися в адипоцитах;
• лептин повинен циркулювати в крові, причому його рівень повинен корелювати з кількістю жирової тканини;

ін'єкції рекомбінантного лептину мишам ob/ob і мишам дикого типу повинні зменшувати об'єм жиру, але не впливати на стан db/db мишей, які мають дефектний рецептор (ген db [діабет], що кодує рецептор до лептину, у щурів - це ген fa). Всі ці положення отримали експериментальне підтвердження, що дозволило закріпити за лептином статус регулятора об'єму жирової тканини. Очень важливим було відкриття здатності лептину індуковувати втрату ваги у мишей та підтвердження нечутливості до лептину db/db мишей, передбачене Коулманом і Гуммелем. Ін'єкції рекомбінантного лептину, а з ще більшим ефектом - постійні підшкірні вливання, призводили до дозозалежної втрати ваги. При цьому як у мишей ob/ob, так і у мишей дикого типу зменшувався лише об'єм жиру, а худа маса залишалась без змін. Ін'єкції лептину мишам з дефектним рецептором до лептину (генотип db/db, ожиріння + діабет), і щурів лінії Зукер з ожирінням не впливали на їх апетит та вагу.

У 1994 році Чжан з співавт. ідентифікували ген ob, відповідальний за розвиток ожиріння у мишей ob/ob, гомозиготних за цим геном. Пізніше було виявлено, що лептин експресується не лише в жировій тканині, але й, в набагато менших кількостях, в шлунковому епітелі та плаценті. Пізніше експресію гена ob та рецептора до лептину виявили в багатьох тканинах, включаючи скелетні м'язи, легені, смакові рецептори і т.д. (таблиця 1).

Таблиця 1. Досьє на лептин

МРНК продукту (~4,5 тис. пар основ) мишиного гена ob відповідає дуже консервативний білок з 167 амінокислотними (а. к.) залишками (у зрілому лептині відсутній сигнальний пептид з 21 а. к. залишком, необхідний для транспорту молекули в клітці з місця синтезу до місця зберігання). Аналіз структури гена для кліток підшкірного жиру людини був проведений у 1995 році. У мишей дефектний ген ob завжди асоціюється з важкою ожирінням, і, звичайно, важливо було отримати відповідь на питання, чи пов'язана ожиріння у людини з мутаціями в цьому гені. Порівнюючи структуру гена ob у худих і товстих людей, відмінностей не виявлено. Більше того, Каро та співавтори звернули увагу на той дивний факт, що у досліджених ними товстих суб'єктів рівень лептинової мРНК був дуже високим. Це дало їм підставу припустити, що природа ожиріння у цьому випадку не пов'язана з дефектом самого лептину, а визначається нечутливістю до нього кліток-мішеней.

Кристали лептину, придатні для його вивчення, вперше були отримані Чжаном та співавт. у 1997 році. Роботи були виконані з людським мутованим білком OB (leptin-E100), оскільки "дикий" лептин кристалізувався не дуже добре, а цей мутант за біологічними властивостями практично не відрізнявся. Структура молекули представляла собою тяж, маючи чотири спіральні ділянки, тому лептин був віднесений до сімейства довголанцюгових спіральних цитокинів. Щоб охарактеризувати відмінності в генотипах мишей ob/ob і дикого типу, був проведений моніторинг 6500 генів у різний час на тлі лептинової терапії або обмеженої дієти. У мишей ob/ob у генах кліток жирової ткани було виявлено 8 кластерів, експресія яких відрізнялась в умовах цієї експериментальної моделі (терапія лептином або дієта), а також 10 таких кластерів у мишей дикого типу. Гени одного кластера специфічно пригнічувалися лептином як у тих, так і у інших мишей. Подальше вивчення генів, які регулюються лептином, допоможе з'ясувати механізми запуску програми лептину, що знижує вагу.

Сироватковий лептин — рівень у нормі та патології

У людей з ожирінням, як правило, зафіксовано підвищений рівень сироваткового лептину, що підтверджено численними дослідженнями, проведеними в різних країнах. При цьому зв'язок між масою тіла та сироватковим лептином має лінійний характер. Однак у деяких пацієнтів з ожирінням рівень лептину залишається у межах норми.

Для вимірювання концентрації лептину, який циркулює у крові, був розроблений радіоімунний аналіз (при цьому виявляється лише імунореактивний лептин, тобто лептин, який має збережені епітопи для визначення). З його допомогою була виявлена чітка позитивна залежність між концентрацією сироваткового лептину та кількістю жиру в організмі, а також змінами, пов'язаними з голодуванням або переїданням. Зменшення кількості жирової тканини (втрата ваги на 10% призводить до зниження рівня лептину на 53%), але голодування має набагато сильніший вплив, різко знижуючи цифри до критичних рівнів. З іншого боку, набір ваги на 10% призводить до збільшення рівня сироваткового лептину на 300% (!). Одноденне переїдання на 40% підвищує рівень лептину, хоча вага так швидко не збільшується.

Саме зниження рівня сироваткового лептину в результаті захворювання або радикальних дієт викликає компенсаторний механізм, який знижує термогенез і збільшує споживання їжі до тих пір, поки не буде досягнуто рівня лептину, що є нормою для даної людини. В результаті, особи, які одужують або, на жаль, прагнуть схуднути, повертаються до попередньої форми (див. Таблиця 2).

Таблиця 2. Рівень лептину у сироватці [16, 17]

Лептиновий рецептор та лептинові мішені

Якщо лептин є єдиним продуктом (з 146 амінокислотних залишків) єдиного гена (з 167 кодонів), то його рецептор представлений кількома різними формами. Варіанти залежать від типу сплайсингу різних транскриптів (шматки [транскрипти] можуть бути вирізані по-різному і потім так само по-різному зшиті). Вперше лептиновий рецептор (Ob-R) був виділений з мишиного хороїдного (судинного) сплетіння та ідентифікований як представник цитокінового сімейства рецепторів. При клонуванні гена db, Ob-R-гена, виявилося, що в результаті альтернативного сплайсингу можуть бути отримані п'ять форм рецептора (а-е): Ob-Ra, Ob-Rb, Ob-Rc, Ob-Rd та Ob-Re. Ob-Rb (також відомий як Ob-RL) має довгий цитоплазматичний домен, необхідний для здійснення сигнальної трансдукції. У інших форм відсутні ті чи інші фрагменти повноцінного рецептора. В результаті мутацій Ob-R реалізується фенотип ожиріння, типовий для мишей ob/ob. І саме ця форма рецептора необхідна для здійснення функцій, що контролюють вагу. Ob-Ra-ізоформа, з коротким цитоплазматичним доменом, виявлена в судинному сплетінні та інших тканинах, але її роль невідома. Припускають, що короткі ізоформи рецептора можуть транспортувати лептин через гематоенцефалічний бар'єр або утворювати гетеродимери з іншими мембранними білками на поверхні клітки. Розчинний рецептор (Ob-Re), що не має трансмембранного та цитоплазматичного регіонів, у нормальних мишей може служити буфером для вільно циркулюючого лептину.

Рівень експресії Ob-Rb в нормі достатньо високий в нейронах гіпоталамуса та клітинах інших типів, включаючи Т-клітки, клітки підшлункової залози, м'язові клітини та ендотелій судин.

Гібридизацією in situ було підтверджено експресію Ob-Rb в ядрах гіпоталамуса: аркуатному (дугоподібному), дорсомедіальному, паравентрикулярному, вентромедіальному, а також латеральному. Ці зони є місцем головної експресії лептинового рецептора в ЦНС, і саме вони відіграють важливу роль у регуляції ваги тіла. Латеральне ядро також називають "центром голоду", а вентромедіальне - "центром насичення". При цьому "центр голоду" більшу частину часу стримує "центр насичення". Електрична стимуляція або руйнування цих центрів призводить до протилежного впливу на харчову поведінку. Руйнування латерального ядра призводить до втрати апетиту, тоді як руйнування вентромедіального ядра викликає гнів та надмірний апетит.

Ті самі гіпоталамічні ядра виділяють різні нейропептиди та нейротрансмітери, які регулюють вагу тіла та споживання їжі (таблиця 3, рис. 2).

Таблиця 3. Гіпоталамічні регулятори харчової поведінки [1]

Підписи:

NPY, нейропептид Y;

MCH, меланінконцентрируючий гормон;

MSH, меланоцитстимулюючий гормон;

CRH, кортикотропін-рилізинг-гормон (фактор), кортиколіберин;

CCK, холецистокінін;

GnRH, гонадотропін-рилізинг-гормон (фактор), гонадоліберин (люліберин);

GHRH, соматотропін-рилізинг-гормон (фактор), соматоліберин.

Ефекти нейропептида Y (NPY) вияють у відповідь на зниження концентрації лептина (або його відсутність), тоді як меланоцитстимулюючий гормон (MSH) і рецептори до меланокортину-4 (MC-4) та, можливо, агути-пов'язаний транскрипт (ART(Ay), також відомий як AGRP), необхідні для відповіді на збільшення концентрації сироваткового лептина. Концентрація NPY та його мРНК підвищена у мишей ob/ob, а після лептинової терапії ці показники нормалізуються. У випадку видалення гена NPY у мишей ob/ob ситуація з ожирінням та іншими проблемами помітно полегшується. Аномалії в меланокортиновій регуляції у жовтих мишей агути Ay та у мишей з видаленим геном MC-4 призводять до розвитку ожиріння та стійкості до лептину. Цікаво, що деякі нейрони виражають як Ob-Rb, так і проопіомеланокортин — попередник меланоцитстимулюючого гормону. Агоністи ?-MSH та MSH зменшують споживання їжі. Усі ці складні взаємозв'язки досліджуються докладно, оскільки зазначені регуляторні молекули та їх антагоністи або агоністи розглядаються як кандидати для терапії ожиріння.

У організмі існує як довгострокова, так і короткострокова система контролю харчової поведінки та споживання енергії. Концентрація глюкози та амінокислот у плазмі, холецистокінін (CCK) та інші речовини гормональної та іншої природи є складовими швидкореагуючої системи. Концентрація лептина після прийому їжі збільшується незначно. Лептин сам по собі не завершує прийом їжі, його вплив на харчову поведінку виявляється в рамках "довгограючої" системи. Хоча лептин, який виділяється в шлунку щурів у відповідь на їжу або CCK, свідчить про те, що він може брати участь і в швидких реакціях [8].

Регуляція продукції лептину

Зміна рівня лептину є фізіологічно дуже важливою, тому регуляція активності гена ob є визначальною. Фактори, що впливають на неї, можуть суттєво впливати на статус жирової ткани в організмі. Зменшення продукції лептину кожним конкретним адипоцитом може призвести до ожиріння на тлі здається нормального рівня лептину.

У цьому випадку жирова тканина зростає до того часу, поки не буде досягнутий необхідний рівень лептину. При цьому вимірювання сироваткового лептину буде вписуватися в норму на тлі вираженого ожиріння. Саме з цим пов'язують схильність до ожиріння у індіанців Піма, які мають порівняно низький рівень лептину в сироватці. Рівень експресії гена ob корелює з вмістом ліпідів у клітині та узгоджується з розміром адипоцита. Механізм, за допомогою якого клітинний жир впливає на продукцію лептину, не зрозумілий. Дивно, але культивовані адипоцити накопичують набагато менше жиру, ніж вони можуть це зробити in vivo, що не дає можливості розібратися з системою внутрішньоклітинних сигналів.

Зовнішні сигнали також можуть модулювати рівень експресії лептину. Про вплив голоду та переїдання вже було сказано вище. Вночі рівень лептину збільшується на ~30%.

Висока внутрішньоклітинна концентрація глюкозаміну збільшує продукцію лептину в жировій тканині та скелетних м'язах, що демонструє тісний зв'язок між доступністю поживних речовин та експресією лептину. Ефект впливу продуктів перетворення гексоз (включаючи кінцевий продукт — UDP-N-Ац-глюкозамін [UDP-GlcNAc]) на експресію гена ob був описаний у 1998 році Вангом та співавт. В тій же роботі вперше згадується про експресію гена ob в скелетних м'язах. Збільшення тканинної концентрації UDP-GlcNAc (яка зростає як при гіперглікемії, так і при гіперліпідемії, що є дуже важливим) активує утворення мРНК та продукцію лептину в міоцитах, хоча показники ці значно нижчі, ніж в жировій тканині. Результати щодо стимуляції продукції лептину in vitro отримані на культурах міоцитів L6 та преадипоцитів 3T3-L1.

Експресію гена ob також модулює безліч інших регуляторних молекул, включаючи фактор некрозу пухлини, інсулін, глюкокортикоїди, інтерлейкін-1.

Транспорт лептину в ЦНС - загадка, яка залишається нерозкритою

Гіпоталамус, часто вважаючи центром регуляції автономної нервової системи, відіграє важливу роль у регуляції гомеостазу. Ця складна структура, розташована в базальній частині проміжного мозку, включає в себе групу структур, які розташовані на дні і по боках третього шлуночка.

Епіталамус, особливо знаменита шишкоподібна залоза, є надзвичайно важливим для регуляції маси тіла. Зона епіталамуса та інших структур, обмежених третім і четвертим шлуночками, що називаються також циркумвентрикулярними органами, знаходиться як би поза гематоенцефалічним бар'єром (BBB).

Ендотеліоцити, що вирівнюють кровоносні судини, мають не занадто щільні контакти між собою, що полегшує транспорт речовин з кровоносного русла в ткани. У мозку міжклітинні контакти ендотелію капілярів настільки щільні, що просочитися між ними дуже складно. Ця специфічна будова судин мозку і лежить в основі дії гематоенцефалічного бар'єру. Тому питання про прохід через BBB є дуже важливим при обговоренні транспорту в мозок (як лікарських засобів, так і отрут). Через BBB легко проходять розчинники жирних речовин, а також молекули, для яких існують спеціальні транспортні системи, наприклад, глюкоза. BBB може бути ослаблений стресом будь-якої природи (підвищене тиск, інфекційні захворювання, травми, запальні процеси, опромінення і т.д.).

Ця зона пронизана численними капілярами, а контакти між ендотеліальними клітинами тут не такі щільні, як в інших областях мозку. В цьому місці мозок може більш вільно обмінюватися речовинами, переносимими кров'ю, як з іншими відділами мозку, так і з спинномозковою рідиною та периферичними органами. Тут судинний лептин може спокійно дифундувати в міжклітинний простір.

Фактично механізм транспорту лептину в ЦНС досі не повністю з'ясований. Якщо його транспорт відбувається в ендотелії капілярів, в цьому можуть брати участь Ob-Ra та інші білки. Частина нейронів, позитивних на Ob-Rb, проекціонується на область медіального виступу, яка відноситься до зони циркумвентрикулярних органів, отже, транспорт лептину можливий і оминанням гематоенцефалічного бар'єру. У будь-якому разі, транспортні системи мають межі насичення і також можуть бути порушені. Дані про нечутливість до лептину мишей db/db та мишей з ураженнями гіпоталамуса свідчать про те, що гіпоталамус є головним центром дії лептину. Внутрішньомозкові ін'єкції лептину мишам (в область шлуночків, intracerebroventricular, i.c.v.) мають ефект навіть тоді, коли периферичне подання не викликає ефекту. Тривале i.c.v. введення в дозі 3 нг/год призводить до повної втрати жирової тканини, тоді як для досягнення аналогічного ефекту периферичної подачі потрібні дози, що перевищують 500 нг/год.

Низькі i.c.v. дози лептину мають тимчасовий ефект на споживання їжі, який тримається, доки обсяг жирової тканини не досягне певного рівня. Після цього споживання повертається до норми. Можливо, ослаблення лептинової відповіді відбувається через дію інших сигнальних речовин, наприклад, виділених скелетними м'язами. Ефекти, спричинені ін'єкціями рекомбінантного лептину, якістью відрізняються від спостережуваних в експериментах з парабіотичними тваринами, в яких диких мишей, які отримують гіперлептинемічну плазму мишей db/db, перестають їсти та помирають від виснаження. Одного лептину явно недостатньо, щоб викликати такі драматичні наслідки.

Мутації в гені лептину та його рецепторі у людини

Спочатку повідомлення про мутації в об у пацієнтів з ожирінням з низьким або зовсім не визначаються рівнем лептину в крові з'явилися відносно недавно. У одній роботі описувалася більш коротка молекула лептину (121 а. к. залишок порівняно з "диким" лептином з 146 а. к. залишків) у двох дітей пакистанської сім'ї. В іншому випадку у одного турецького пацієнта з ожирінням мутація виявилася в тому ж кодоні, що й у мишей ob/ob, але, на відміну від мишачої, яка призводить до утворення стоп-кодону, в цьому випадку синтезувався лептин нормальної довжини, який чому-то не виділявся. У двох інших членів цієї турецької сім'ї, гомозиготних за цим ознакою та страждають на ожиріння, імунореактивний лептин у сироватці не виявлявся, тоді як у мають гетерозиготний варіант і рівень лептину та вага були в нормі. Ще одне підтвердження тому, що відсутність імунореактивного лептину у сироватці пов'язано з морбідним ожирінням, було отримано в результаті успішного лікування дефіцитних у лептині дітей рекомбінантним лептином. На сьогодні описано декілька мутацій в гені лептину, які не впливають ані на його розпізнавання, ані на функції. Деякі мутації при збереженні імунореактивності роблять лептин біологічно неактивним.

Лептин, діючи на ЦНС, регулює харчову поведінку. Але яким чином ЦНС реалізує периферійний метаболізм у відповідь на зміну концентрації лептину, залишається поки що в багатьох відношеннях невирішеним. Підвищення рівня лептину стимулює окислювання жирних кислот і редукцію жирової тканини, у той час як дефіцит лептину провокує чрезмерне запасання жиру, як, наприклад, у мишей ob/ob чи у тварин, які отримують антагоністи лептину. І абсолютно неочевидно, що всі аномалії метаболізму у мишей ob/ob пов'язані тільки з роботою системи, яка підвищує споживання їжі - інші фактори, пов'язані з обмеженням споживання, також можуть бути вовлечені в процес накопичення жиру. У той час як обмеження в їжі (жорсткі дієти) призводять до втрати не тільки маси жиру, але і тощої маси, лептин-індукована втрата ваги стосується тільки втрати маси жиру. При цьому метаболічна відповідь на лептин відрізняється від викликаної дієтою, але деталі цих відмінностей поки що невідомі. Зовсім свіжі роботи, присвячені впливу лептину на конкретні тканини, описують зовсім дивовижні ефекти, пов'язані з антиапоптозним та проапоптозним дією лептину, але кожен раз автори підкреслюють, що багато деталей залишаються поза кадром.