Mechanisms of Growth Hormone Signal Transduction - Studies on the insulin-like metabolic effects in primary rat adipocytes

Abstract

Growth hormone (GH) exerts growth-promoting and metabolic effects in mammals. The metabolic effects of GH in adipose tissue are insulin-antagonistic or insulin-like. Cells that just have been exposed to GH are insensitive to the hormone. This study addresses the question of how GH exerts its insulin-like metabolic effects, using primary rat adipocytes as a model system. It is shown that GH increases the phosphorylation of a 46 kDa plasma membrane protein enriched by hGH-Sepharose chromatography and that this phosphopeptide contains phosphotyrosine, suggesting a GH-induced tyrosine kinase activation. We could later immunoprecipitate a 114 kDa phosphopolypeptide that was identified as the GH receptor. This protein was rapidly phosphorylated on tyrosine in response to GH (in GH-sensitive cells) in a dose-dependent manner. GH also induced the tyrosine phosphorylation of the 130 kDa cytosolic protein Janus tyrosine kinase-2 (JAK2). It was also found that GH in GH-sensitive cells induces a rapid turnover of phospholipids which most probably represents the activation of phospholipase C. A low Km cAMP phosphodiesterase (PDE3) has been implicated as a mediator of the metabolic effects of insulin. We used a selective inhibitor of PDE3 to completely block the antilipolytic effects of insulin and GH in rat adipocytes, while the lipogenic effects of the hormones were largely unaffected. The effects of OPC3911 could not be attributed to excessive stimulation of cAMP-dependent protein kinase. In summary the study emphasises the similarity of the mechanisms involved in the regulation of the metabolic effects of insulin and GH in rat adipocytes, where both hormones induce intracellular tyrosine phosphorylations involved in receptor-postreceptor signaling, affect phospholipid turnover and appear to activate a phosphodiesterase that reduces intracellular cAMP.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Tillväxthormon (growth hormone, GH) har en central roll för reglering av tillväxt och ämnesomsättning hos däggdjur. Tillväxthormon frisätts från hypofysen, transporteras i blodet och utövar sina effekter på olika vävnader. Denna avhandling beskriver hur tillväxthormon påverkar ämnesomsättningen i fettceller från råtta, med särskild inriktning på de insulin-lika effekterna av tillväxthormon. Råttfettceller har använts eftersom de utgör en praktisk och väl etablerad modell för studier av hormonella effekter. Dessa celler är känsliga för många av de hormoner som har en viktig roll för regleringen av ämnesomsättningen, t ex insulin, glukagon, adrenalin och tillväxthormon. De har dessutom använts i ett stort antal experimentella studier inom endokrinologisk forskning, vilket underlättar jämförelser med tidigare resultat. Särskilt betydelsefullt för dessa studier är att råttfettceller har den egenskapen att de beroende på om de nyligen utsatts för tillväxthormon eller ej, kan vara okänsliga eller känsliga för tillväxthormons insulinlika effekter. Denna tillväxthormon-orsakade minskning i känsligheten för tillväxthormon kan inte enbart förklaras genom förändrad bindning av tillväxthormon till sin receptor. När ett hormon når sin målcell måste den signal som hormonet i sig själv utgör, på något sätt överföras till de system i cellen som ska påverkas av hormonet. Det första steget i denna signalöverföring är att hormonet under kortare eller längre tid binder sig till en annan molekyl, som kallas receptor. Receptorer kan finnas antingen i plasmamembranen, som utgör cellens yttre begränsning, eller inuti cellen. Hormoner som är fettlösliga (t ex kortisonliknande hormoner och sköldkörtelhormon) kan passera genom plasmamembranen och nå sina receptorer i cellens inre, medan vattenlösliga hormoner som insulin och tillväxthormon påverkar receptorer på plasmamembranen. Då ett hormon har bundits till sin receptor på plasmamembranen förändras receptorns egenskaper på ett sådant sätt att en signal sänds in i cellen. Detta kan för olika receptorer ske på olika sätt. Sedan mer än ett decennium känner man till att insulin påverkar insulinreceptorn på ett sådant sätt att fosforatomer kemiskt binds till receptorn. Denna process kallas för fosforylering och är en mycket vanlig mekanism för att överföra signaler i celler. Kunskapen om olika fosforyleringsmekanismer har vuxit explosionsartat sedan början av 1980-talet. I delarbete I beskrivs hur tillväxthormon åstadkommer en ökning av fosforyleringen hos ett plasmamembranprotein, vilket har sådana egenskaper att det kan vara en receptor för tillväxthormon, ett fragment därav eller ett protein som är nära förbundet med receptorn. Dessutom visas att detta protein bl a är fosforylerat på aminosyraresten tyrosin. Tyrosinfosforylering är en kvantitativt sett ovanligare form av fosforylering än fosforylering av serin- eller threoninrester, och ses bl a i samband med reglering av processer som tillväxt och cellutveckling. Detta arbete var det första som visade molekylära data vilka talade för att tyrosinfosforylering kan vara en mekanism som tillväxthormon aktiverar för att sända signaler vidare från receptorn. Metodologiska begränsningar gjorde att det fosforylerade proteinets identitet ej kunde fastställas. Flera forskningsgrupper har sedan dess visat att tyrosinfosforylering är en viktig verknings-mekanism för tillväxthormon. I delarbete V visas med känsligare metoder än i delarbete I att tillväxthormon orsakar tyrosinfosforylering av sin receptor. Dessutom ses tyrosinfosforylering av ett annat protein, JAK2, som är nära associerat med tillväxthormonreceptorn. Detta protein är ett tyrosinkinas, d v s ett enzym som kan åstadkomma fosforyleringar av tyrosinrester i proteiner. Genom att studera celler som är antingen känsliga eller okänsliga för tillväxthormons insulin-lika effekter påvisas ett samband mellan tyrosinfosforylering och effekter på ämnesomsättningen av tillväxthormon. I delarbete II visas data vilka talar för att den effekt av tillväxthormon som innebär att fettnedbrytningen minskar kan vara relaterad till förändringar i ett annat signalsystem, vilket använder sig av nedbrytning eller produktion av små molekyler vilka vanligtvis har en fettlöslig och en vattenlöslig del. Dessa molekyler kallas för fosfolipider, och har en viktig roll dels som komponenter i olika membranstrukturer i celler, men också i signalkedjor inom celler. Hormoner som stimulerar fettnedbrytningen, t ex adrenalin, gör detta genom att öka tillverkningen av signalmolekylen cykliskt AMP (cAMP), vilket i sin tur leder till aktivering av enzymet cAMP-beroende proteinkinas (A-kinas), som fosforylerar enzymet hormon-känsligt lipas, vilket därigenom börjar bryta ner fett i form av triglycerider till fria fettsyror och glycerol. I delarbete III och IV studeras frågan om de hämmande effekterna av insulin och tillväxthormon på fettnedbrytning förmedlas genom en ökad nedbrytning av cAMP. I dessa försök används OPC3911, en substans som redan vid låg koncentration hämmar fosfodiesteras 3 (PDE3), ett enzym som i fettceller bryter ner cAMP. OPC3911 kan helt blockera de hämmande effekterna av insulin och tillväxthormon på fettnedbrytning. En annan effekt av de två hormonerna, tillverkning av triglycerider påverkas däremot inte. Kontrollförsök visar att en teoretiskt tänkbar alternativ förklaring till den observerade effekten av OPC3911, ökning av aktiviteten hos A-kinas, inte kan förklara fynden. Sammanfattningsvis visas att tillväxthormons insulinlika effekt förefaller vara förmedlad genom tyrosinfosforylering av tillväxthormon-receptorn och JAK2. Ett samband mellan den insulin-lika effekten hos tillväxthormon och ökning av fosfolipidomsättningen påvisas också. Dessutom presenteras data vilka starkt talar för att den hämmande effekten av både insulin och tillväxthormon på fettnedbrytning förmedlas genom aktivering av PDE3 som bryter ner cAMP.

• author: Eriksson, Hans
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Professor Edén, Staffan, Department of Physiology and Pharmacology, Göteborg University
• publishing date: 1996
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Basic Medicine
• keywords: Fysiologi, Endocrinology, Growth hormone/insulin/receptor/phosphorylation/phosphotyrosine/cAMP/phosphodiesterase/phospholipid/JAK2/rat/adipocyte/lipolysis/lipogenesis, Physiology, secreting systems, diabetology, Endokrinologi, sekretion, diabetologi
• pages: 90 pages
• defense location: Lecture hall A, Chemical Center, Lund
• defense date: 1996-05-23 09:15:00
• external identifiers: other:ISRN: LUMEDW/MEMK-1053-SE
• ISBN: 91-628-2095-8
• language: English
• LU publication?: no
• id: 4ba0497a-f6f2-411e-813a-f36c15102cbe (old id 28489)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:50:02
• date last changed: 2018-11-21 21:01:02