Molecular Mechanism of Growth Hormone - Involvement of Janus Kinase 2, Insulin Receptor Substrate-1 and -2 and Phosphatidylinositol 3-Kinase In the Acute Insulin-Like Effects of Growth Hormone In Primary Rat Adipocytes

Abstract

Originally studying the molecular mechanisms for the insulin-like effects of growth hormone (GH), lipogenesis and antilipolysis, in isolated rat adipocytes we found that the GH receptor (GHR) was tyrosine phosphorylated in response to GH in cells that were responsive to these effects. Then, as Janus kinase 2 (JAK2) was described as a GH-stimulated and GHR-associated tyrosine kinase, we found that JAK2 was tyrosine phosphorylated in response to GH in responsive cells. These phosphorylations were only marginally observed in response to GH in cells that were refractory to the insulin-like effects.



Subsequent to the discovery of phosphatidylinsositol 3-kinase (PI3-kinase) being essential for the insulin stimulated uptake of glucose in adipocytes, PI3-kinase-inhibitor wortmannin was shown to inhibit GH-induced lipogenesis and antilipolysis. Tyrosine phosphorylated proteins binding and thereby activating PI3-kinase in response to GH were identified as insulin receptor substrate-1 and -2 (IRS-1 and IRS-2). As was the case for the tyrosine phosphorylation of GHR and JAK2, these effects dominated in responsive as compared to refractory cells. The activity of PI3-kinase was increased in IRS-1 immunoprecipitates from GH treated cells.



In contrast, equally in both responsive and in refractory cells, GH stimulated the tyrosine phosphorylation of a 95 kDa protein (pp95) which we identified as Signal Transducer and Activator of Transcription 5 (STAT5), or a protein immunologically related to STAT5. In addition, while inhibiting both other GH-stimulated cellular tyrosine phosphorylations as well as the insulin-like effects, the tyrosine phosphorylation of STAT5 was not inhibited by tyrosine kinase- and JAK2-inhibitor staurosporine. Nor was the ability of GH to stimulate tyrosine phosphorylation of pp95/STAT5 desensitized by prior treatment with GH as is the case for the tyrosine phosphorylation of GHR, JAK2, IRS-1 and IRS-2 as well as the insulin-like effects.



In conclusion, the data presented here suggest a role for JAK2 activation and thereby tyrosine phosphorylation of GHR, JAK2, IRS-1 and IRS-2 in the insulin-like effects of GH but also that there possibly are actions of GH mediated by kinases other than JAK2. Alternatively the kinetics of JAK2 activation are different in refractory as compared to responsive cells and a model supporting this hypothesis is outlined.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Kroppens viktigaste hormon för längdtillväxt har följdriktigt kallats tillväxthormon (GH efter engelskans growth hormone). GH produceras i hypofysen som är en liten körtel belägen på hjärnans undersida, och utsöndras härifrån till blodbanan och når på så sätt kroppens olika organ, vävnader och celler. Vikten av normal tillförsel av GH illustreras av att överskott på GH leder till gigantism eller jätte-växt hos barn och ungdomar och till ett tillstånd kallat akromegali hos vuxna. Detta tillstånd karaktäriseras bla av ett breddökat och tjockt skelett (eftersom förmågan till längdtillväxt hos benen förloras i samband med puberteten). Avsaknad av GH, å andra sidan, leder till dvärgväxt, dvs utebliven längdtillväxt, hos barn. En annan form av dvärgväxt uppstår då kroppens celler inte förmår svara på GH. Detta kan bla bero på ett strukturellt fel i GH-receptorn, det protein (äggviteämne) på cellens yta som fångar upp GH och förmedlar dess signal till cellens inre. GH:s tillväxtstimulerande effekt uppnås dels genom direkt verkan på celler och dels genom att levern stimuleras till produktion av andra tillväxtfaktorer. Utöver tillväxt påverkar GH även kroppens energiförsörjning. Fettceller (adipocyter) kan reagera på två, märkligt nog, helt motsatta sätt på GH-stimulering. Vid kontinuerlig stimulering bryts fett ner - på så vis mobiliseras enegi. Men vid pulsvis stimulering stängs istället fettnedbrytningen av. Dessutom stimuleras upptaget av socker från blodbanan och uppbyggnaden av fett - på så vis lagras energi. GH delar de senare effekterna med insulin (det felande hormonet vid sockersjuka/diabetes). Därför har de kallats GH:s insulin-lika effekter. Celler som en gång blivit stimulerade av GH blir för en viss tidsrymd okänsliga (refraktära) för förnyad stimularing av de insulin-lika effekterna (flera timmar). De reagerar emellertid normalt på insulinstimulering.



En generell princip för signalering via tillväxtfaktorreceptorer är att fosfatgrupper överflyttas till speciella aminosyror (proteinernas byggnadsstenar) i proteinet då det aktiveras sitt respektive hormon. Denna reaktion kallas fosforylering och utförs (katalyseras) av speciella proteiner (enzymer=biologiska katalysatorer) som kallas kinaser. Aminosyran i fråga är tyrosin och således fosforyleras receptorerna av tyrosinkinaser. En del tillväxtfaktorreceptorer, som tex insulinreceptorn, är i själva verket sådana tyrosinkinaser. När insulin binder till sin receptor aktiveras detta tyrosinkinas och receptorn sätter fosfatgrupper inte bara på sig själv (autofosforylerar), utan även proteiner i sin omgivning som den får möjlighet att binda via receptorfosforyleringen. Till skillnad från insulinreceptorn är GH-receptorn inte ett tyrosinkinas utan måste rekrytera denna aktivitet från ett annat protein. Detta tyrosinkinas kallas Janus Kinas 2 (JAK2) och tillhör en sk familj av kinaser (därav 2:an) som binder till receptorer som aktiverats av hormoner men som saknar egen tyrosinkinasaktivitet. Dessa receptorer hör också till en familj av proteiner som inbördes har vissa gemensamma drag. GH-receptorn tillhör denna familj, liksom receptorer för hormoner som påverkar bildningen av blodceller inklusive våra immunförsvarande celler och deras aktivitet. För att utföra dessa uppgifter måste hormonernas signaler nå in i cellens kärna, till det genetiska materialet, så att nya proteiner tillverkas efter den mall som generna utgör (gentranskription). Denna uppgift utförs primärt av sk transkriptionsfaktorer vars aktivitet även den regleras av tyrosinfosforylering. I de här hormonernas fall är Janus kinaserna ansvariga för fosforyleringen. Förenklat binder således GH till sin cellytereceptor som i sin tur binder JAK2 som blir aktivt. JAK2 aktiverar transkriptionsfaktorer som i sin tur aktiverar avläsningen av cellens gener. Slutresultatet är nya proteiner vars natur styr cellens vidare öden. Så är dock icke fallet för GH:s insulin-lika effekter. Cellens maskineri för dessa effekter är redan färdigt och väntar på att aktiveras.



Den här avhandlingen, bestående av fem delarbeten, handlar huvudsakligen om arbetet med att beskriva signalkedjan som aktiverar detta maskineri. I det första delarbetet beskrivs tyrosinfosforyleringen av GH-receptorn och JAK2 i celler som kan svara på GH med insulin-lika effekter. Dessa fosforyleringar ses praktiskt taget inte i celler som är refraktära för de insulin-lika effekterna trots ett tillsynes intakt signalmaskineri bestående av GH-receptor och JAK2 och ett normalt svar på insulinstimulering. Insulin stimulerar fosforylering av två proteiner som kallats insulin receptor substrat-1 och -2 (IRS-1 och IRS-2). De fosforylerade tyrosinerna på IRS-1 och IRS-2 utgör bindningsställen för andra proteiner varvid dessa aktiveras. Ett av dessa proteiner, phosphatidylinositol 3-kinas (PI3-kinas), är direkt ansvarigt för aktiveringen av sockertransportörer (vilket resulterar i upptag av socker) och aktivering av proteiner som stänger av möjligheten att bryta ner fett (varvid nettoeffekten blir uppbyggnad av fett). I det andra och tredje delarbetena undersöktes GH:s möjlighet att aktivera dessa proteiner i insulins signalkedja. GH stimulerade tyrosinfosforyleringen av IRS-1 och IRS-2. Detta resulterade i inbindning och aktivering av PI3-kinas. Om cellerna behandlades med wortmannin, en PI3-kinas-hämmare, kunde GH inte längre utöva insulin-lika effekter. Således uppnår GH dessa effekter genom att aktivera samma signalkedja som insulin, primärt genom tyrosinfosforylering av insulin receptor substraten. I insulins fall utförs denna fosforylering av insulinreceptorn och i GH:s fall, förmodligen, av JAK2. I det fjärde delarbetet användes specifika hämmare av tyrosinkinaser. Det kunde visas att vid hämning av tyrosinfosforyleringen av GH-receptorn, JAK2, IRS-1 och IRS-2 hämmas även GH:s förmåga att stimulera insulin-lika effekter. Detta stärker argumenten för att JAK2 är ansvarigt för tyrosinfosforyleringen av IRS-1 och IRS-2 som svar på GH. I det femte delarbetet undersöktes skillnader mellan celler som kan svara på GH med insulin-lika effekter och celler som är refraktära för dessa effekter. Tyrosinfosforylering av GH-receptorn, JAK2, IRS-1 och IRS-2 dominerade helt i de icke-refraktära cellerna. I motsats till dessa fynd kunde ingen skillnad ses mellan refraktära och icke-refraktära celler i GH:s förmåga att stimulera tyrosinfosforyleringen av ett protein som identifierades som STAT5, en transkriptionsfaktor. Detta visar på den spännande möjligheten att andra tyrosinkinaser än JAK2 aktiveras i GH:s signalkedja, eller alternativt att det finns skillnader mellan dessa celler gällande aktiveringen av JAK2.



Sammanfattningsvis kan mekanismen för GH:s insulin-lika effekter beskrivas sålunda: GH binder sin cellytereceptor varpå denna aktiverar tyrosinkinaset JAK2. JAK2 tyrosinfosforylerar såväl sig själv som GH-receptorn, IRS-1 och IRS-2. Detta leder till inbindining av PI3-kinas till de två senare proteinerna och därmed till aktivering av PI3-kinas. Slutresultatet av denna aktivitet är upptag av socker, via sockertransportörer, och avstängning av fettnedbrytning. GH-stimulering av denna signalkedja ses förmodligen enbart i celler som kan svara på GH med dessa sluteffekter. I andra celler åter aktiveras andra signalvägar inkluderande GH-stimulerad gentranskription.

• author: Ridderstråle, Martin
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Professor Heldin, Carl-Henrik, Ludwig Institute for Cancer Research, Uppsala, Sweden
• organization: Diabetes - Clinical Obesity (research group)
• publishing date: 1997
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Nutrition and Dietetics
• keywords: insulin receptor substrate-1, insulin receptor substrate-2/phosphatidylinositol 3-kinase, signal transducer and activator of transcription 5, janus kinase 2, phosphotyrosine, receptor, phosphorylation, Growth hormone, Metabolism, Biochemistry, rat, adipocyte, lipolysis, lipogenesis, Biokemi, metabolism, Pharmacological sciences, pharmacognosy, pharmacy, toxicology, Farmakologi, farmakognosi, farmaci, toxikologi, Endocrinology, secreting systems, diabetology, Endokrinologi, sekretion, diabetologi
• pages: 146 pages
• defense location: Hörsal B, Kemicentrum, Lund, Sweden
• defense date: 1997-02-28 13:00:00
• external identifiers: other:ISRN: LUMEDW/MEMK-1056-SE
• ISBN: 91-628-2340-X
• language: English
• LU publication?: yes
• id: c492f7bd-dfa9-44fb-9116-ec433932a680 (old id 28997)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:07:57
• date last changed: 2018-11-21 20:56:57