Hormony bezobratlých
Physiological systems in insects: Marc J. Klowden. Second edition, ISBN: 978-0-12-369493-5.
Fyziologie hmyzu: Dalibor Kodrík. JU.
Insect Endocrinology: Lawrence I. Gilbert. First edition 2012, ISBN: 978-0-12-384749-2.
Nejdokonalejší soustava žláz s vnitřní sekrecí se mezi bezobratlými vyvinula
u korýšů a hmyzu.
 bezobratlí mají mnoho neurohormonů, obratlovci jen pár (např. oxytocin nebo
vasopresin)
 bezobratlí mají málo pravých hormonů
 obě skupiny mají mnoho peptidických hormonů
 stejné strukturní typy hormonů
 množství stejných látek má i stejný účinek (hormony mohou mít vliv i na
jedince z jiné živočišné skupiny)
Hormony bezobratlých a obratlovců
Nervy – neurotransmitery
Neurosekreční buňky – neurohormony
Endokrinní žlázy – pravé hormony
1) Steroidní hormony (ekdysteroidy - ekdyson, 20-hydroxyekdyson,
makisteron A a další)
2) Sesquiterpeny (juvenilní hormony)
3) Peptidové hormony (MIH, RPCH)
4) Biogenní aminy (oktopamin, tyramin, serotonin – primárně neurotransmitery,
ale mají v organismu rozsáhlejší účinky)
5) Eikosanoidy (prostaglandin a další)
Modulace: syntéza, uvolňování, degradace, množství a specificita receptorů
Typy hormonů bezobratlých a jejich tvorba
Endokrinní soustava korýšů
Endokrinní soustava korýšů
1) Neurosekreční komplex očního stvolu:
 X-orgán (neurosekreční buňky) >
axonální transport > sinusová
(splavová) žláza (neurohemální) >
hemolymfa
2) Suboesophageální - postkomisurální
soustava:
 suboesofageální ganglium > axony
> postkomisurální žláza
(neurohemální) > hemolymfa
3) Perikardiální soustava:
 osrdečník > perikardiální orgán
(neurohemální)
4) Párový Y-orgán (epiteliální endokrinní
žláza)
 20-hydroxyekdyson
5) Androgenní žláza
 samci
 X-orgán: moult inhibiting hormone (MIH) > inhibice Y-orgánu
hormon inhibující androgenní žlázu > inhibice spermatogeneze
a vývoje sekundárních pohlavních znaků
 Y-orgán: 20-hydroxyekdyson (stejná funkce jako u hmyzu; MIH x PTTH)
 X-orgán + postkomisurální soustava: chromatoforotropiny (RPCH)
Endokrinní soustava korýšů
Moult inhibiting hormone (MIH)
 polypeptidový neurohormon (74-79 AMK v závislosti na druhu + signální
peptid 22-35 AMK)
 MIH receptor v plazmatické membráně buněk Y-orgánu (ligand-binding
studie); nebyl však zatím strukturně popsán
 vnitrobuněčný signál přes cGMP, cAMP nebo obojí
 odtok Ca2+ z Y-orgánu blokuje tvorbu ekdysteroidů
 v cílové buňce ovlivňuje aktivitu PDE (Ca2+/kalmodulin závislá) >
ekdysteroidy se tvoří, pokud je aktivní
Red pigment concentrating hormone (RPCH)
 oktapeptid (pGlu-Leu-Asn-Phe-Ser-Pro-Gly-Trp-NH2)
 RPCH/AKH rodina
 RPCH-imunopozitivní buňky očního stvolu, mozku a břišního nervové pásky
(suboesophageální, hrudní a abdominální ganglion)
 přesuny pigmentů, regulace zrání vaječníků, vitellogeneze, mobilizace
energetických zásob
Endokrinní soustava korýšů
Endokrinní soustava hmyzu
Endokrinní soustava hmyzu
1) Retrocerebrální komplex
 neurosekretorické buňky mozku, corpora
cardiaca, corpora allata
 někdy propojeny i s prothorakální žlázou
v tzv. ring gland (Weismann's ring)
 monopolární neurony – tvorba hormonů
v těle neuronu > asociace s proteiny
a tvorba membránově vázaných
sekrečních granul > exocytóza
(synaptoidy) > uvolnění v místě syntézy
nebo v neurohemálních orgánech
2) Prothorakální žláza (PG)
 párová
 prothorax a hlava; chybí u imag
3) Neurosekretorické buňky ostatních ganglií
4) Endokrinní buňky střeva
5) Epitracheální buňky (ecdysis triggering
hormone)
Corpus cardiacum (corpora cardiaca, kardiální tělíska)
 hlavní neurohemální orgán z ektodermu
 posteriorně od mozku, v kontaktu s aortou
 axony mediálních (MLC; pars intercerebralis) a laterálních (LNC; umístění
variabilní) neurosekrečních buněk mozku
 storage lobe a glandular lobe (tvorba vlastních h.)
Uvolňuje a syntetizuje:
 PTTH
 AKH
 ovarian ecdysteroidogenic hormone
 neuroparsiny
 myotropiny
 pheromone biosynthesis activating neuropeptide (PBAN)
Neurohemální orgány hmyzu
Corpus allatum (corpora allata, přilehlá tělíska)
 posteriorní oblast hlavy v blízkosti hltanu
 někdy splývá v ring gland/prstencovou žlázu (Diptera, Hemiptera)
 ektodermální původ
 buňky s hladkým ER (cholesterol, terpenoidy)
 inervace z mozku a suboesophageálního ganglia
Produkce:
 juvenilní hormony (JH)
Neurohemální orgány hmyzu
Steroidy:
 ekdysteroidy (PG, gonády, epidermis)
Terpenoidy:
 JH (CA)
Peptidy a proteiny:
 PTTH (protein; mozek)
 eklozní hormon (EH; mozek)
 pre-ecdysis triggering h. (PETH; Inka cells)
 ecdysis triggering h. (ETH; Inka cells)
 burzikon (mozek a nervová páska)
 pheromone biosynthesis activating n. (PBAN)
 AKH (CC)
 crustacean cardioactive peptide (CCAP)
a mnoho dalších (popsány stovky)
Endokrinní systém hmyzu – hlavní hormony
Skupiny neuropeptidů podlé kódování v genomu:
1) Preprohormony obsahující signální peptid a neuropeptid (EH,
neuroparsin)
2) Preprohormony obsahující signální peptid, neuropeptid a další strukturně
nepříbuzné peptidy (AKH + bombyxiny)
3) Preprohormony obsahující signální peptid a řadu kopií stejného nebo
podobného neuropeptidu (izoformy; např. allatostatiny)
Skupiny neurohormonů podle funkce:
 adenotropní, gonádotropní, morfogenetické, chromotropní, metabolické a
homeostatické, myotropní, etotropní atd.
 obvykle pleiotropní účinek
Endokrinní systém hmyzu – neuropeptidy
Metamorfóza hmyzu
Metamorfóza hmyzu
Metamorfóza hmyzu
 první objevený hmyzí hormon
 produkce neurosekreční buňky v mozku
 axonální transport
 vyléván v neurohemálních orgánech (corpora cardiaca/allata)
 vývoj a kontrola metamorfózy
Prothoracikotropní hormon (PTTH)
 signální peptid + 2kDa peptid + 6kDa peptid + PTTH sekvence
 z prekurzoru 224 AMK odštěpena podjednotka 109 AMK (22-30 kDa)
 podobný inzulinu, polární
 aktivní molekula je homodimer o dvou identických řetězcích
 disulfidické vazby
 neurohemální orgán CC nebo CA (Lepidoptera)
 Rhodnius: napití krve (důležitý objem, ne výživná hodnota) > roztažení
zadečku > podráždění receptorů > produkce PTTH v mozku
 fotoperioda (Manduca sexta; diapauza kukel), teplota (Hyalophora cecropia),
nervové stimuly
Prothoracikotropní hormon (PTTH): syntéza a uvolnění
Prothoracikotropní hormon (PTTH): působení
 aktivuje prothorakální žlázu a produkci ekdysonu
 receptor PTTH zatím není znám; jeden nebo více druhých poslů (cAMP /
Ca2+ / kalmodulin a fosforylace specifických proteinů, např. ribozomální
protein S6 a ß-tubulin > ovlivnění translace a buněčného dělení)
Prothoracikotropní hormon (PTTH): působení
Co dokáže jeden mozek? (Williams 1952)
Přeměnu (B) vyvolala implantace jednoho mozku do první kukly bez mozku (A).
 nepolární (vstupují do buněk a vážou se na jaderné receptory)
 odvozeny od cholesterolu (ekdyson, 20-hydroxyekd., makisteron A a další)
 řídí přeměnu, svlékání embryí, larev, nymf a reprodukci dospělců
Ekdysteroidy (moulting hormones)
 ekdyson (E) ketoskupina na B kruhu a 5 OH skupin
 E prohormonem 20-E (pravý svlékací hormon)
 E homolog makisteronu A (24-metyl-20-hydroxyekdyson; např. Heteroptera,
Hymenoptera, Diptera)
Syntéza a transport:
 zdrojem cholesterol
 zoofágové x fytofágové (sitosterol, stigmasterol, kamposterol > dealkylace
nebo využití jen makisteronu A)
 PTTH > PG > exocytóza do hemolymfy
 larvy: prothorakální žláza
 dospělci: akcesorické žlázy (hlavní zdroj E), epiteliální buňky a ovariální
folikuly
 transport ve vazbě na přenašeč i volně (↑OH > dostatečně rozpustné)
 přeměna E na 20-E ve tkáních (tukové těleso, střevo, ovária…)
Ekdysteroidy: syntéza a uvolnění
makisteron Aekdyson
Účinek:
 u larev cílová tkáň epidermis, dospělci tukové těleso
 typicky steroidní působení
 jaderné receptory (ecdysteroid receptor) – nekovalentní
dimery EcR/USP (ultraspiracle protein, homolog RXR)
 kontrola exprese stovek genů (např. DOPA
dekarboxyláza)
Regulace:
 stimulem PTTH z CA (aktivace RAS/ERK dráhy)
 ovariální ekdysteroidogenní hormon (OEH) u samiček
 u některých druhů Sarcophaga a Lepidoptera inhibiční
hormon prothoracikostatin (PTSH)
 složité molekuly = rozsáhlý metabolismus (hydroxylace,
oxidace, redukce, štěpení postranního řetězce, tvorba
konjugátu a hydrolýza konjugátu ze zásoby)
 u fytofágů část metabolismu jako nutná ochrana před
fytosteroidy
 exkrece
Ekdysteroidy: působení a regulace
Metamorfóza:
 u larev roste titr v hemolymfě před apolýzou staré kutikuly, maximum během
apolýzy
 cirkadiální změny souvisí s titrem PTTH
 larva-imago: Hemimetabola - velká dávka ekdysteroidů
Lepidoptera - často dvě dávky ekdysteroidů (E : 20-E, 1 : 1 >
reprogamace larválního vývoje a změna chování; 1 : 5 > spouští svlékání larvy
a přeměnu na pupu)
 u kukel spouští dávka ekdysteroidů přeměnu v imago; během diapauzy je
tato dávka pozdržena
Ekdysteroidy: funkce
Reprodukce:
 syntéza v ováriích a ukládání konjugátů do vajíček > embryonální svlékání
 zvýšení syntézy vitellogeninů v tukovém tělese a jeho sekrece do hemolymfy
(20-E; Diptera)
 stimulace meiózy, zrání oocytů a ovipozice
 spermatogeneze a tvorba spermatoforu (samci mají ekdyst. obvykle méně)
Metabolismus a diapauza:
 stimulace proteosyntézy apod.
 ve spojitosti s výše uvedenými funkcemi
Ekdysteroidy: funkce
Juvenilní hormony (JH)
 dříve neotenin
 patří mezi terpenoidy (sesquiterpeny, deriváty farnezolu)
 nepolární (vstupují do buněk a vážou se na jaderné receptory)
 JH-I, JH-II, JH-III, JH-0, 4-methyl-JH-I, kyselina juvenilního hormonu, methyl
farnezoát (výskyt podle druhu)
 strukturně a účinkem podobné retinoidům (také sesquiterpeny)
Juvenilní hormony (JH): syntéza a uvolnění
Syntéza a transport:
 CA
 sesquiterpenoid + epoxidová skupina + metylesterová skupina
 biosyntéza podobná syntéze cholesterolu
 citrát, acetyl-CoA, ATP, mevalonát… farnesyl difosfát > difosfatáza > farnesol
> NAD+ dependentní dehydrogenáza > pharnesoic acid > metylace
(pharnesoic acid methyl transferase) a epoxidizace (P450 dependent methyl
transferase)
 rozdílná biosyntéza pro homoisoprenoidy (Lepidoptera) a isoprenoidy (JH-III)
 neukládají se, ale jsou přímo uvolněny do hemolymfy (mechanismus není
zatím znám)
 lipophorin juvenile hormone binding/carrier protein (JHBP/JHCP)
 ve vazbě transportovány téměř všechny JH (ochrana před degradací)
Juvenilní hormony (JH): působení a regulace
Účinek:
 receptory pro JH zatím všechny přesně neidentifikovány (intracelulární
proteiny methoprene-tolerant / germ cell-expressed)
 předpokládá se stejný mechanismus jako u steroidních hormonů
Regulace:
 allatostatin blokuje transport citrátu z mitochondrií a tedy i syntézu JH
(parakrinní neurosekrece v mozku)
 allatotropin stimuluje syntézu JH
 vysoká koncentrace JH působí negativně zpětnovazebně (přes allatostatin)
 stimulační vliv gonád a páření
 nervové stimuly mohou být pozitivní i negativní v závislosti na druhu (např. u
D. melanogaster: nervový signál > TGFβ > exprese genu pro enzym JH
syntézy)
 deaktivovány v hemolymfě JH esterázami na kyselinu JH, u které je
epoxidová skupina štěpena na diol JH epoxid hydrolázami. JH diol kináza
dále zvyšuje rozpustnost produktu štěpení a napomáhá exkreci (Malpighické
trubice).
 epoxidová hydratace, oxidace a konjugace ve tkáních
Juvenilní hormony (JH): funkce
Metamorfóza:
 embryogeneze, larvální svlékání, metamorfóza, larvální a imaginální
diapauza (ukončení)
 JH brání reprogamaci mozku a tím nástupu metamorfózy, udržuje jedince v
larválním stádiu
 přítomnost JH v kritických bodech vývoje x exprese genů pro metamorfózu
 kritická velikost těla > snížení titru JH
 musí být překonána jeho prahová koncentrace, ale pak už na konc. nezáleží
 autonomní účinek pouze na buňky v kontaktu
Juvenilní hormony (JH): funkce
Reprodukce:
 během larválního stádia inhibiční funkce, pak stimulují genovou expresi
 syntéza vitellogeninů, vývoj ovárií a oocytů
 stimulace akcesorických žláz dospělých samců k růstu a sekreci
 tvorba feromonů u samců a reprodukční chování obou pohlaví
 stárnutí (D. melanogaster)
Polymorfismus:
 sociální-kastový: vyšší titr při vývoji dominantních jedinců (včelí královny);
primární jsou však zřejmě trofické stimuly (spolupráce s ekdysteroidy a
neurohormony)
 fázový: solitérní x gregarinní sarančata (např. rozdílné zbarvení nebo velikost
ovárií); vývoj partenogenetických samiček mšic
↓JH↑JH
Juvenilní hormony (JH): funkce
 tvorba vitellogeninů u Aedes aegypti
 polární peptid (62 AMK Manduca sexta)
 syntéza v mozku a břišní nervové pásce; část vylévána v hindgut
 stimulace vylitím a následným poklesem titru ekdysteroidů
 D. melanogaster:
97 AMK se signální peptidem > prohormon 73 AMK > produkty 36 a 62 AMK
(dva peptidy odvozené od stejného prekurzoru, stejný nebo různý účinek?)
 působí v CNS prostřednictvím cGMP > cGMP-dependentní protein kináza >
fosforylace dvou endogenních fosfoproteinových substrátů
 podporuje sekreci ETH, PETH (stimulace Inka cells), CCAP a bursikonu
 ETH dává signál k masivnímu uvolnění EH (pozitivní zpětná vazba > ekdyse)
 stimuluje svlékání, eklozi a eklozní chování
Eklozní hormon (EH)
 polární peptid (26 AMK M. sexta), homolog kardioaktivních peptidů (CAPs)
 syntéza v endokrinních epitracheálních žlázách podél spirakul (Inka cells)
 mezičlánek sekrece EH a spouštění ekdyse v mozku
 etotropní účinek, působí přímo na CNS
 koordinují svlékání a opouštění staré kutikuly, kritické pro obnovu spirakul
Ekdysi spouštěcí hormon (ecdysis-triggering hormone,
ETH; pre-ecdysis triggering hormone, PETH)
 polární velký protein (cca 30 kDa), heterodimer - podjednotky Burs-α, Burs-β
 ganglia nervové pásky
 ukládán v CC
 působí na kutikulu a epidermis
 tvorba křídel, zbarvení a vytvrzení nové kutikuly (fenoloxidázová kaskáda)
 líhnutí dospělců Glossina morsitans morsitans
Burzikon
Adipokinetické hormony (AKH)
 RPCH/AKH rodina peptidických hormonů
 homologie např. s glukagonem obratlovců
 zprostředkují stresové reakce, aktivují metabolismus pro uvolnění energie
(inhibují syntézu), let a pohyb
Syntéza a transport:
 okta- až dekapeptidy
 glandulární lobus CC, částečně neurosekretorické buňky v mozku
 ukládány v zásobním lobu CC
 specifická mRNA > prepro-AKH (signální peptid + AKH sekvence + sekvence
jiného peptidu)
Adipokinetické hormony (AKH): působení a regulace
Regulace:
 stimulem pohyb
 zpětná vazba podle hladiny metabolitů (moc lipidů ↓ / málo trehalózy ↑)
 membránově vázané endopeptidázy
Účinek:
 specifický AKHR (např. tukové těleso) > cAMP > Ca2+ > PKC > TAG > DAG
aktivované lipázy
Adipokinetické hormony (AKH): působení
 DAG > povrch buněk tukového tělesa > HDLp (ApoLp-I a –II; někdy -III) >
LDLp (po připojení DAG) > svaly s lipophorinovými receptory na membráně >
odbourání mastných kyselin za tvorby energie
 přepnutí sacharidového metabolismu na lipidový
Adipokinetické hormony (AKH): funkce
 aktivace glykogen fosforylázy, stimulace vylučování trehalózy
(hypertrehalosemické hormony) z tukového tělesa, srdeční činnosti, zvýšení
svalového napětí, inhibice syntézy lipidů, proteinů i RNA
Hyperglykemický hormon (hypertrehalosemic hormone
HTH, trehalagon)
 neuropeptid (RPCH/AKH rodina peptidických hormonů)
 tvorba v CC
 cAMP
 energetický metabolismus, mobilizace zásob trehalózy
 aktivace např. před letem
Glycogen phosphorylase
Trehalose 6-phosphate synthase
Trehalose 6-phosphate phosphatase
Glycogen synthetase
Trehalose transporter 1
Uridine diphosphate
Inzulinu podobné peptidy (insulin-like, ILP)
 evolučně konzervované (struktura disulfidových vazeb)
 neurosekreční buňky v mozku a dalších tělních gangliích
 vazba na receptor s tyrozin kinázovou aktivitou > fosforylace
receptorového substrátu > signál přes PI3K a další dráhy
 regulace např. limostatin z CC
 metabolismus, růst, imunita, reprodukce, stárnutí…
 metabolismus glykogenu a lipidů (antagonista AKH)
IPCs - DILP-producing cells
DILP - Drosophila insulin-like peptide
Diuretické (DH) a antidiuretické (ADH) hormony
DH:
 CC, suboesofageální a thorakální ganglia
 stimulují zpětnou resorpci vody z Malpighických trubic a tím i diurézu
1) homology corticotropin releasing factor (CRF; rodina neuropeptidů
obratlovců): 30-47 AMK, zvyšují koncentraci cAMP v Malpighických
trubicích a zřejmě stimulují Na/K transport
2) calcitonin-like (CT-like) peptidy: cAMP, další efektory?
3) myokininy s kininovou aktivitou: 6-15 AMK, působí přes Ca2+ a mění
propustnost kanálů pro Cl- (Na, K)
ADH:
 břišní nervová páska
 stimulují zpětnou resorpci vody ze střeva do hemolymfy
 např. neuroparsin - antigonádotropin
- antidiuretická aktivita
- zvyšuje koncentraci lipidů a trehalózy v hemolymfě
- pars intercerebralis > CC
Další metabolické hormony
Diapauzní hormon:
 peptid strukturně podobný PBAN (pheromone biosynthesis activating
neuropeptide)
 podjícnové ganglium samic (ale nalezen i u samců) > ovária
 také feromonotropní a myotropní účinek
 stimulace embryonální diapauzy (např. vajíčka Bombyx mori)
 podpora ukládání glykogenu v oocytech, aktivace trehalázy
 glykogen přeměňován na glycerol a sorbitol (inhibuje vývoj embryí), na konci
diapauzy přeměna zpět na glykogen
Další metabolické hormony
Diapauza je dále kontrolována také PTTH, ekdysteroidy a JH.
 poměr exprese Pdp1iso1 a Cry2 > proteiny (receptory) v cílové buňce >
reprodukční program nebo diapauza
Gonádotropní hormony
 vývoj ovárií, testes, vitellogeneze, transport zásobních látek z tukového
tělesa do ovárií a další
 klíčová role ekdysteroidů a JH, také účast neuropeptidů
1) Stimulační:
 PTTH
 ovary maturing parsin (OMP) – sekrece ekdysteroidů, tvorba vitellogeninů
 folicle cell tropic hormone (FTCH) – produkce ekdysteroidů v ováriích
 egg development neurohormone / ovarian ecdysteroidogenic hormone
(EDNH / OEH) – zastupuje roli PTTH, tvořen v mozku a ukládán v CC
2) Inhibiční:
 neuroparsin – inhibice CA a tvorby JH
 oostatické hormony a trypsin-modulating oostatic factor (folikulostatiny) –
tlumí sekreci ekdysteroidů, JH a EDNH > inhibice proteolýzy ve střevě a
transportu vitellogeninů v hemolymfě
Regulace vittelogeneze
 tvorba vitellogeninů u Aedes aegypti
inhibice proteolýzy
ve střevě
folikulostatiny
Myotropní hormony
Proctolin
 první sekvenovaný hmyzí neuropeptid (Arg-Tyr-Leu-Pro-Thr), pre-proprotein
140 AMK > odštěpení signálního peptidu
 mozek, abdominální ganglium a periferní nervy
 ovlivňuje aktivitu viscerálních svalů (srdce, střevo, rektum) i kosterních svalů
 rytmické kontrakce
 neurotransmiter, neuromodulátor (degradace peptidázami)
Kardiostimulační hormony (např. CCAP)
 AKH/RPCH rodina neuropeptidů
 mozek a ganglia břišní nervové pásky
 řízení srdeční svaloviny
Sulfakininy
 strukturně a funkčně podobné gastrinu a cholecystokininu obratlovců
 sekrece kyseliny v žaludku a kontrakce žlučníku
Myokininy, pyrokininy, tachykininy, periviscerokininy, myoinhibiční
peptidy a další.
Tyramin a oktopamin
 protějšky adrenalinu a noradrenalinu u obratlovců
 jediné nepeptidové hormony nalezené pouze u bezobratlých
 autokrinní v prothorakální žláze (spolupůsobí s PTTH)
 odpověď flight-or-fight, energetický metabolismus, svalová kontrakce, učení
a paměť u včel, citlivost smyslových neuronů (synaptická plasticita)
Biogenní aminy hmyzu
Serotonin (5-hydroxytryptamin)
 hlavně neurotransmiter
 přítomen např. v CNS a gonádách korýšů
 stimuluje reprodukci (pravděpodobně
přes gonády-stimulující hormon, avšak
přesný mechanismus není znám)
Biogenní aminy hmyzu
Další hormony hmyzu
Chromatotropiny
 pigment dispersing factor (PDF), melanization and reddish colorating
hormone (MRCH, identický s PBAN), peptidy z rodiny AKH/RPCH
Bombyxiny
 peptidové hormony (4-5 kDa)
 první popsán jako „malý“ PTTH u B. mori
 není vztah s titrem 20-hydroxyekdysonu > non-PTTH hormon
 homologie s inzulinem obratlovců
 vývoj vaječníků a metabolismus uhlovodíků při zrání vajíček u lepidopter?
Melatonin
 např. ve složených očích saranče
 pravděpodobně funkce ve vnímání fotoperiody, cirkadiálních rytmech (PTTH)
Somatostatin-like peptidy