RAS Kachexie, adrenergní receptory VKP 23. 3. 2018 Současný pohled na systém renin-angiotenzin: RPR, renin/prorenin receptor; Mas, mas oncogene receptor for Ang 1–7; AT2R, angiotensin type 2 receptor; AT1R, angiotensin type 1 receptor, IRAP, insulinregulated aminopeptidase; Ang IV receptor AMPA, aminopeptidase A; AMPM, aminopeptidase M; ACE, angiotensin-converting enzyme; ACE2, angiotensin-converting enzyme 2; NEP, neutral endopeptidase. Geny jsou na chromosomu X !!! J Intern Med. 2008 Sep;264(3):224-36. Renin-angiotensin system revisited. Fyhrquist F, Saijonmaa O. RAS RAS Metabolické podobnosti a rozdíly mezi dvěma ACE Zkratky: ACE, angiotenzin-convertující enzym; a Bk, bradykinin The vasoconstrictor/proliferative and the vasodilator/antiproliferative actions of the RAS mediated by Ang II and Ang(1–7), respectively, depend on the ACE/ACE2 ratio balance Abbreviations: ACE, angiotensin-converting enzyme; and Ang, angiotensinogen . Schematic representation of the main actions of Ang(1–7) in the heart, vessels, kidneys, brain and liver Ther Adv Cardiovasc Dis. 2015 Aug;9(4):209-16 Ther Adv Cardiovasc Dis. 2015 Aug;9(4):209-16 Kosterní svalstvo  Kosterní svalstvo je nejobvyklejší tkáň lidského těla.  Syntéza a odbourávání jsou dány sítí regulačních cest vedoucích k regulaci transkripce.  Dvě základní patologie: sarkopenie a kachexie.  Zvýšená exprese genů (geny ubiquitin– proteasomového systému, myostatin, faktory indukující apoptózu),  Down regulace jiných faktorů (insulin-like growth factor 1).  Fyzická aktivita a cvičení jako léčebná opatření velkého významu. Kachexie  Kachexie je komplexní metabolický syndrom spojený se základním onemocněním, charakterizovaný ztrátou svalové hmoty se ztrátou a nebo bez ztráty tukové tkáně.  Typicky se manifestuje u chronických nemocí jako je rakovina, COPD), chronické srdeční selhání, chronické selhání ledvin.  Klinickým příznakem je ztráta hmotnosti u dospělých, korigovaná na retenci vody nebo selhání růstu u dětí (při vyloučení endokrinopatií. Ztráta alespoň 5% hmotnosti (bez edémů) během 12 nebo méně posledních měsíců. Sarkopenie  Sarkopenia je degenerativní kosterní svalové hmoty a síly svalstva spojená s věkem.  Ztráta 5% svalové hmoty za 10 let od 4. dekády, s potenciálním nárůstem po 65. roku věku.  Histologicky je sarkopenie charakterizovaná poklesem počtu a velikosti svalových vláken. Etiologické faktory, které vedou ke kachexii nebo sarkopenii a ztrátě svalové hmoty Cvičení jako intervence je schopno modifikovat tento průběh. Úbytek svalové hmoty  Nerovnováha mezi katabolismem a anabolismem proteinů.  Přinejmenším 4 velké proteolytické cesty (lysosomální, Ca2+-dependent, caspasedependent a ubiquitin–proteasomedependent) mohou být alterovány u kachexie a sarkopenie.  Autofagická/lysosomální cesta navíc: části cytoplasmy a buněčných organel jsou sekvestrovány do autofagosomů, které následně fúzují s lysozomy –proteiny jsou rozloženy. Kachexie  Ubiquitin–proteasome-dependentní (UPS) cesta je systematicky aktivovaná. mRNA hladiny pro ubiquitin a 20 S proteasomové podjednotky jsou 2-4 vyšší ve svalech pacientů s rakovinou ve srovnání s kontrolními osobami.  V atrofujících svalech pacientů (cancer cachexia, streptozotocin-induced diabetes mellitus, uremia induced by subtotal nephrectomy) byla prokázána up-regulace degradačních proteinů (polyubiquitiny, Ub fúzní proteiny, Ub ligázy atrogin-1/MAFbx a MuRF-1, některé podjednotky 20 S proteasomu a jeho regulátoru 19 S a cathepsin L). Sarkopenie a ROS  Teorie stárnutí v důsledku nárůstu ROS: stárnutí a asociovaná degenerativní onemocnění mohou být dána efektem ROS.  Teorie oxidativního stresu jako příčiny stárnutí: chronický stav oxidačního stresu existuje i u zdravého jedince a prohlubuje se během života. Ve stáří dochází k nerovnováze mezi tvorbou a odbouráváním ROS. Kachexie a ROS  ROS jako klíčoví hráči. Cesta: stimulace UPS.  U kachexie výrazně nižší aktivity antioxidačních enzymů: superoxid dismutázy a glutathion peroxidázy. Sarkopenie a zánět  Vyšší hladiny prozánětlivých markerů jsou asociovány s poklesem fyzických schopností, možná díky katabolickým efektům prozánětlivých markerů ve svalu.  TNF-α – prokázána asociace s poklesem svalové masy a síly.  Ztráta svalové hmoty při zánětu nízkého stupně (low-grade inflammation) je možná dána ztrátou stimulace syntézy proteinů jídlem (insulin?) při nezměněné proteinové degradaci. Kachexie a zánět  TNF-α, interleukin-1 (IL-1), IL-6 a IFN-γ se účastní v indukci ztráty svalové hmoty v průběhu rakoviny.  Akcelerovaná proteolýza svalů během růstu maligního tumoru je řízena aktivací non-lysosomální ATPdependentní ubiquitin proteasomovou cestou.  Prozánětlivé cytokiny ovlivňují expresi funkčních enzymů u srdeční kachexie.  TNF-α, IFN-γ a IL1-β, jejichž hladiny bývají u kachektických pacientů zvýšeny, jsou mocnými aktivátory exprese iNOS.  To vede k produkci toxických hladin NO schopných inhibovat klíčové enzymy oxidativní fosforylace. NO je schopen in vitro snížit kontraktilitu kosterních svalů. Faktory, které se účastní v regulaci svalové hmoty (a) a vliv cvičení na tyto faktory (b). Faktory ovlivněné cvičením zobrazeny šedě Sarkopenie a anabolické hormony  Primární pro ztrátu svalové hmoty je je deficit anabolických hormonů v důsledku věku, což je prostředí katabolické.  E2 u žen  Te u mužů  dihydroepiandosteron (DHEA) a růstový hormon u obou pohlaví Přímé a nepřímé efekty estradiolu na fyziologii pankreatických ostrůvků. GSIS, glucose-stimulated insulin secretion; WAT, white adipose tissue; PIC, proinflammatory cytokine. Kachexie a anabolické hormony  Relativní nedostatek nebo rezistence na anabolické hormony  Až 50% mužů s metastatickým tumorem před chemoterapií má nízké koncentrace testosteronu. To může vést k redukci kostní hutnosti, svalové síly i sexuální funkce.  Hlavními přispěvateli ke kachexii vedoucí ke ztrátě kosterního svalstva jsou nízké koncentrace testosteronu a dalších anabolických hormonů. Molekulárně biologické efekty cvičení  Anabolické efekty cvičení jsou zřejmě ovlivněny cytokiny, zejména IL-6. IL-6 je uvolňován při svalové kontrakci zdravých i nemocných. Cvičení zřejmě zvyšuje i kapacitu ROS vychytávacích enzymů.  Zvýšená svalová aktivita indukuje produkci PGC-1α, která ochraňuje kosterní sval před atrofií tím, že suprimuje akci FoxO3 a genovou transkripci specifickou pro atrofii. Progresivní izotonický trénink vede ke zvýšené syntéze svalových proteinů zvýšením fosforylace mTOR a p70S6k.  Cvičení u kachektických a nekachektických pacientů s COPD vede ke zvýšené tvorbě IGF (insulin-like growth factor) a ke zvýšené koncentraci MyoD (protein regulující diferenciaci svalu). Uvolnění inzulínu  Dvě fáze:  1. fáze: rychlá reakce na hyperglykémii  2. fáze: pomalá tvorba, méně závislá na hyperglykémii  Podobně AK (alanine, glycine and arginine) depolarizují membránu beta buňky.  Parasympatikus aktivuje, sympatikus (cestou α2-adrenergní stimulace) inhibuje uvolnění insulinu. Scheme illustrating the translocation of granules from reserve pools to exocytosis: The process of insulin secretion involves translocation of granules from reserve pools to docking sites at the plasma membrane, tethering or docking, priming to release competence, and formation of the readily and immediately releasable pools. Granules in the immediately releasable pool will undergo exocytosis in response to glucose stimulation, depolarization and resulting increased [Ca2+]i. The rate-limiting step for the second phase of glucose-stimulated insulin release lies in the conversion of readily releasable granules to the immediately releasable pool. Adrenergní receptory Vegetativní nervový systém Signální transmise Sympatikus: pregangliální neurony > parevertebrální / prevertebrální / orgánová ganglia > postgangliální neurony > efektor Parasympatikus: kraniální – hlavové nervy III, VII, IX a X / sakrální - S2-S4 > ganglia blízko k efektorům > krátké postgangliové neurony > efektor Mediátory a receptory: ganglia : acetylcholin aktivující nikotinový receptor efektor parasympatiku : acetylcholin aktivující muskarinový receptor M1 receptor aktivuje PLC M2 receptor inaktivuje AC efektor sympatiku: noradrenalin a adrenalin Aktivován acetylcholinem Na+/ K+ kanál: při otevření tok Na+ do buňky a výtok K+ z buňky 5 proteinových podjednotek se 4 transmembránovými doménami lokalizace: neuromuskulární spoje vegetativní ganglia sympatiku a parasympatiku, CNS Stimulace nikotinem: nižší dávky stimulují ganglia, vyšší dávky NM junkce Excitace CNS Podtypy adrenergních receptorů a1Adrenoceptory = a1AAR, a1BAR, a1DAR a2Adrenoceptory = a2AAR, a2BAR, a2CAR b-Adrenoceptory = b1, b2, b3 Jedná se o skupinu metabotropních G-protein coupled receptorů, které jsou cílové pro adrenalin a noradrenalin Podtypy adrenergních receptorů Syntéza katecholaminů Vazba NA na -receptor Agonista Receptor Norepinefrin 1, , 1 Epinefrin 1, , 1,  Dopamin DA1, , 1, 1 Pulzní rychlost (BPM) 100 50 Norepinefrin Epinefrin Izoproterenol Krevní tlak (mmHg) 60 180 Periferní odpor 0 15 0 15 0 15 Time (min) Charakteristiky podtypů adrenergních receptorů Receptor Agonisté Antagonisté Tkáň Odpovědi 1 Epi≥NE>>Iso CHSB HSBRV Játra Střevní svalovina Srdce Kontrakce Kontrakce Glykogenolýza; Glukoneogeneze Hyperpolarizace a relaxace  kontraktilita arytmie CHSB= cévní hladké svalové buňky HSBRV-hladké svalové buňky reprodukčního a vylučovacího systému Charakteristiky podtypů adrenergních receptorů Receptor Agonisté Antagonisté Tkáň Odpovědi  Epi≥NE>>Iso CHSB  buňky pankreatu Destičky Nervová zakončení Kontrakce  Sekrece inzulinu Agregace  uvolnění NE CHSB= cévní hladké svalové buňky Charakteristiky podtypů adrenergních receptorů Receptor Agonisté Antagonisté Tkáň Odpověď 1 2 Iso > Epi  NE Iso>Epi >>NE Srdce Juxtaglomerulární buňky Hladká svalovina: Bronchiální, GIT,CHSB, Příčně pruhovaný sval Játra  síla a rychlost kontrakce & AV nodálního vedení  Sekrece reninu Relaxace Glykogenolýza; K+ uptake Glykogenolýza Glukoneogeneze Charakteristiky podtypů adrenergních receptorů Receptor Agonisté Antagonisté Tkáň Odpovědi 3 Iso=NE>E pi Tuková tkáň Lipolýza Adrenergní receptory a jejich efektorové systémy Adrenergní Receptor G protein Biochemický efektor 1 podtypy Gq Gq Gq, Gi/Go Gq  Fosfolipáza C  Fosfolipáza D  Fosfolipáza A2  aktivita Ca2+ kanálu Adrenergní receptory a jejich efektorové systémy Adrenergní receptor G Protein Biochemické efektory 1 2 3 GS GS GS  Adenylát cyklázová aktivita  Ca2+ vstup cestou kalciových kanálů L-typu  Adenylát cyklázová aktivita  Adenylát cyklázová aktivita AR AT-1, ET, AR Gi G S AC cAMP PKA (- ) (+) Gq PLC IP3 PKC DAG Ca R2C2-homodimer regulační podjednotky R + katalytické podjednotky C Desenzitizace  Po dlouhodobé stimulaci receptoru dochází k jeho desenzitizaci, kdy receptor disociuje z G-proteinu, což vede k zábraně další aktivace efektorových enzymů.  Mechanismy desentizace:  Fosforylace: může být řízena:  second messenger kinázami (heterologní desenzitizace nebo non-agonist-specifická desenzitizace  G-protein-coupled receptor kinázami (GRKs), které se vyznačují fosforylací pouze u receptorů obsazených agonisty, takže dochází k „pro agonistu-specifické’ neboli homologní desenzitizaci. Heterologní desenzitizace A + R AR + G ARG + GTP G-GTP aktivuje AC AC aktivuje PKA AR-P AR AR + G-GTP α-Adrenoceptory  αAR fungují jako most mezi sympatickým nervstvem a kardiovaskulárním systémem.  α1AR se exprimují v mnoha tkáních a hrají roli v mnoha regulačních procesech, např. při regulaci krevního tlaku.  Všechny subtypy α1 adrenoceptorů jsou schopny aktivovat signalizaci Ca interakcí s G proteiny rodiny Gq, což vede k aktivaci fosfolipázy C (PLC) a k hydrolýze fosfoinozitol-4,5-bisfosfátu vázaného v membráně, což vede k tvorbě diacylglycerolu (DAG) a inositol-(1,4,5)trisfosfátu [Ins(1,4,5)P3].  α2AR: hladké svalové buňky cév, rostrální ventrolaterální medulla oblongata, nervová zakončení. -1-adrenergní receptory  Jsou členy G protein-coupled receptorové superrodiny.  aktivují mitogenní odpovědi  regulují růst a proliferaci mnohých buněk.  Gen pro -1D-adrenergní receptor obsahuje 2 exony a 1 intron mezi nimi, který rozděluje kódující sekvenci.  (1A)- a (1D)-adrenergní receptory ovlivňují zastavení fáze G(1)-S buněčného cyklu. -1A-adrenergní receptor ADRA1A  Alternativní sestřih genu pro alfa – 1A adrenergní receptor vytváří 4 transkripční varianty, které kódují 4 různé izoformy s odlišnými C-konci, ale podobnými vaznými vlastnostmi pro ligandy.  -1B adrenergní - receptor ADRA1B  -1B-adrenergní receptor indukuje neoplastickou transformaci v některých buněčných liniích. Je proto považován za protoonkogen. Exprese (1B)adrenergního receptoru způsobuje progresi buněčného cyklu a může indukovat transformaci citlivých buněčných linií.  Obsahuje 2 exony a 1 velký intron (20 kb), který přerušuje kódující sekvenci. -2-adrenergní receptory  Hrají kritickou roli v regulaci uvolnění neurotransmiterů ze sympatických nervů a z adrenergních neuronů v CNS  Podtyp a  2A inhibuje uvolnění transmiterů při vysokých stimulačních frekvencích, zatímco podtyp  2C moduluje neurotransmisi při nižších hladinách nervové aktivity.  Gen pro podtyp  2C neobsahuje introny. -2-adrenergní receptory   2B subtyp je asociován s eIF-2B, protein pro výměnu guaninového nukleotidu, který se účastní v regulaci translace (posttranslačních úprav).  Polymorfní varianta (se ztrátou 3 kyselin glutamových z repeat elementu kyselin glutamových) má:  Sníženou fosforylaci a desenzitizaci řízenou G proteincoupled receptor kinázou.  Snížený bazální metabolický obrat u obézních.  Gen neobsahuje introny. -2-adrenergní receptory  Tento receptor je přímo spojen s jedním ze svých konečných efektorů, kalciovým kanálem třídy C typu L Ca(V).  Tento receptorově-kanálový komplex obsahuje také G protein, adenylát cyklázu, cAMP-dependentní kinázu a fosfatázu PP2A.  Gen neobsahuje introny.  Různé polymorfní formy genu, bodové mutace a downregulace tohoto genu jsou asociovány s nočním astmatem, obezitou a T2 DM. -3-adrenergní receptor (produkt genu ADRB3)  Lokalizace v tukové tkáni  Účastní se regulace lipolýzy a termogeneze. -3-adrenergní receptor Polymorfismy byly asociovány s typem 2 DM  -3-adrenoceptory jsou exprimovány v endotelu lidských koronárních odporových arterií a účastní se adrenergní vazodilatace přes NO a hyperpolarizaci cév. Polymorfismus Trp64Arg v genu pro  (3)-AR má snad vliv:  na uvolňování leptinu z tukové tkáně  na vznik inzulinové rezistence při redukci fetálního růstu  na nárůst centrální adipozity během metabolického syndromu GPCR - G-protein-coupled receptor GPCR regulace (viz předchozí obrázek)  GPCR regulace srdeční hypertrofie stimulací agonisty G-protein-coupled receptorů (GPCR) [např. endothelin 1 (ET-1), noradrenalin a angiotensin II (ANGII)] vede k aktivaci mnohých „downstream“ cest, včetně cest extracelulárně regulovaných kináz (ERK) a stresem aktivovaných protein kináz (c-Jun N-terminální kinázy (SAP/JNK), které se účastní např. v signalizaci vedoucí k hypertrofii přetíženého myokardu.  Stimulace Gq-coupled receptorů (např. angiotenzin- 1 receptor AT1R) aktivuje malé G-proteiny Ras mechanismem závislým na protein kináze C (PKC).  Ras aktivuje cestu ERK a následně nepřímo aktivuje také JNK a p38 mitogenem-aktivované protein kinázy (MAPK), MEKK (MAPK Kinase Kinase), p21-aktivované kinázy (PAKs), kinázy germinálního centra (GCK), a kinázy mixovaných linií (MLK).  ERK jsou aktivovány MAPK kinázami MKK1 a MKK2, SAPK/JNK jsou aktivovány pomocí MKK4 a MKK7 a p38 MAPK jsou aktivovány MKK3 a MKK6.  MAPK potom fosforylují jiné kinázy a transkripční faktory, které se účastní v hypertrofickém růstu.  Zkratky: cell division cycle 42 (Cdc42), a GTP binding protein; Rac: small GDP/GTP binding protein of the Ras family; PMA, phorbol-12-myristate-13acetate, a phorbol ester. Copyright ©2003 American Physiological Society Korzick, D. H. Advan. Physiol. Edu. 27: 192-200 2003; doi:10.1152/advan.00028.2003 Fosforylační cíle stimulace ß-adrenergního receptoru během spřažení excitace/ kontrakce PLB=fosfolamban A-kinase anchor proteins (AKAPs) Děkuji vám za pozornost