Фізіологія скелета та обмеження реальності

Ми можемо запропонувати два визначення, невиключні та взаємодоповнюючі, фізіології. Найновішим є внутрішньоклітинне, молекулярне і обов’язково редукційне дослідження сигнальних подій, що визначають дану фізіологічну функцію. Друге, більш класичне визначення - це вивчення позаклітинних, гормональних або нейрональних сигналів, які відповідають за основні фізіологічні функції. Цей останній погляд на фізіологію, що вимагає дослідження на цілих тваринах, був вдосконалений з появою молекулярної генетики у мишей. Дійсно, можливість інвалідування одного гена, якщо це можливо в одному типі клітини, дозволило виявити за останні двадцять років багато фізіологічних функцій, саме існування яких було не підозрюваним. Ми наведемо три, які імовірно не були б виявлені інакше: роль жирової тканини в контролі апетиту [1, 2], регуляції кісткової маси мозку [3 - 5] та регуляції енергетичного обміну скелетом [6]. Ці останні відкриття свідчать про те, що багато інших фізіологічних шляхів залишаються не підозрюваними.

Реконструкція кісток. Реконструкція кісток - складний і динамічний процес, що дозволяє постійно оновлювати кісткову тканину. Він базується на точному балансі між двома клітинними механізмами: резорбцією та формуванням кістки. Резорбція кісток зумовлена остеокластами, які руйнують вже існуючий мінералізований кістковий матрикс. Утворення кісток базується на іншому типі клітин: остеобластах, які утворюють новий колагеновий матрикс.

Ця постійна послідовність руйнувань та утворень, що характеризує реконструкцію кісток, вимагає постійного надходження енергії до остеобластів та остеокластів. Той факт, що ліплення та переробка кожного дня відбувається в декількох десятках місць, лише збільшує енергетичні витрати на ці функції. Саме цей погляд на фізіологію кісток змусив нас висунути гіпотезу про загальний, можливо ендокринний, контроль кісткової маси та енергетичного обміну. Відповідно до цієї гіпотези, ця можлива спільна регуляція необхідна енергетичним потребам скелета. Тому гормони, що беруть участь, повинні з’являтися під час еволюції зі скелетом, а не з енергетичним обміном. Тестування на тваринах підтвердило, що це так.

Відомо, що один гормон суттєво регулює енергетичний обмін і з’являється під час розвитку одночасно з кістковою тканиною: лептин, гормон, що виділяється адипоцитами, який пригнічує апетит і збільшує витрати енергії [1, 2]. Ці особливості означають, що він часто подається неправильно як гормон апетиту.

Дійсно, апетит існує і регулюється у таких безхребетних, як C. elegans та Drosophila [9, 10]. Якщо гормон контролює апетит, він логічно повинен з’являтися під час еволюції разом із цією функцією, а не через мільйони років. Однак під час еволюції лептин з’являється з хребетними [11, 12]. Якщо лептин не є гормоном апетиту, яка його фізіологічна роль? Знову ж таки, використовуючи еволюцію як орієнтир, можна постулювати, що гормон, як і будь-який регуляторний ген, виникає одночасно з функцією (функціями), яку він регулює. Примітно, що, незважаючи на те, що лептин синтезується в адипоцитах, він з’являється під час еволюції зі скелетом і, загальніше, зі здатністю формувати та переформувати кісткову тканину. Він не тільки з’являється з цими функціями, але і є одним з найважливіших регуляторів. Насправді лептин, підтримуючи уявлення про те, що кісткова маса та енергетичний обмін спільно регулюються, пригнічує як апетит, так і кісткову масу. Він виконує ці дві функції за допомогою реле мозку, природа якого, що залишається предметом суперечок, є однією з двох тем цього огляду.

Як лептин корегулює апетит і кісткову масу ?

Як ми можемо узгодити, мабуть, суперечливі результати, отримані шляхом руйнування клітин для одних або лише анулювання рецептора в цих клітинах для інших? Ці результати не суперечливі, вони фактично доповнюють один одного. Справді, те, що вони говорять, і вони говорять лише про це, полягає в тому, що лептин потребує цілісності нейронів вентромедіального ядра гіпоталамуса (VMH) або дугоподібних ядер, щоб відповідно регулювати кісткову масу і апетит, але що він сам не індукує сигналізацію в цих нейронах. Отже, таке тлумачення цього досвіду означає, що лептин не націлений безпосередньо на гіпоталамус, а діє в інших місцях мозку. Це гіпотеза, яку ми підтримали, оскільки її можна було перевірити.

Лептин пригнічує серотонін мозку

Ця гіпотеза була перевірена шляхом скасування синтезу серотоніну в мозку. У мишей, мозок яких не здатний синтезувати серотонін, крім когнітивних відхилень, розвиваються ще два фенотипи: вони анорексичні та остеопоротичні [20]. Обидва ці порушення свідчили про те, що серотонін мозку є позитивним регулятором збільшення кісткової маси та апетиту. Примітно, що ця остання функція зберігається у C. elegans та у людей [21]. Інактивація серотонінових рецепторів, вибірково націлених на різні ядра гіпоталамуса, показала, що синтезований у задньому мозку серотонін зв'язується з рецептором Htr2c, присутнім у нейронах ядра VMH, сприяючи зростанню кісткової маси [20]. Це робиться за рахунок зменшення активності симпатичної нервової системи на периферії. Крім того, серотонін також зв'язується з рецептором Htr1a або Htr2b на нейронах дугоподібних ядер гіпоталамуса, щоб збільшити синтез меланокортину і завдяки цій молекулі підвищити апетит [20].

Той факт, що серотонін і лептин чинять протилежний вплив на реконструкцію кісток, використовуючи той самий периферійний медіатор, симпатичну нервову систему, наводить на думку, що модель лептину запобігає збільшенню кісткової маси, пригнічуючи синтез серотоніну мозку. У повній згоді з цією гіпотезою ін’єкція лептину дикій миші знижує синтез серотоніну мозку і, навпаки, рівень серотоніну в гіпоталамусі лептин-дефіцитних мишей значно збільшується. Два генетичні аргументи успішно продемонстрували, що лептин пригнічує збільшення кісткової маси та апетиту, пригнічуючи синтез та секрецію серотоніну нейронами стовбура мозку. Перший полягає в тому, що зниження вмісту серотоніну в мозку на 50% достатньо для повного виправлення кісткового фенотипу та ожиріння, які спостерігаються у мишей, що страждають на дефіцит лептину. Другий полягає в тому, що делеція рецептора лептину в серотонінергічних нейронах імітує переїдання та високу кісткову масу, що спостерігається у мишей ob/ob. Однакова делеція у різних популяціях нейронів не має ефекту [20]. Малюнок 2

Функції серотоніну відповідно до його джерел. AT. Жирова тканина регулює кістковий обмін та апетит. Лептин, гормон, що виділяється адипоцитами, перетинає гематоенцефалічний бар’єр і пригнічує синтез серотоніну нейронами в дорзальному та медіальному ядрах рафе заднього мозку. Мозковий лазеротонін - це нейромедіатор, який позитивно активізує формування кісток, активуючи нейрони в серединному вентральному ядрі (VMH) гіпоталамуса і позитивно регулює апетит, стимулюючи нейрони в дугоподібному ядрі (Arc) гіпоталамуса. B. Дванадцятипала кишка регулює реконструкцію кісток. На відміну від церебрального серотоніну, який функціонує як нейромедіатор, дуоденальний серотонін - це гормон, що виділяється клітинами ентерохромафіну і який негативно регулює утворення кісток, діючи безпосередньо на остеобласти.

Ще один серотонін, інша функція

Відкриття того, що серотонін, отриманий із мозку, так сильно впливає на масу та апетит кісток, було несподіваним. Демонстрація того, що серотонін травного походження також по-різному впливає на реконструкцію кісток, була тим більше.

Спосіб дії Lrp5 in vivo: квадратура кола

Після ідентифікації, частково завдяки гомології послідовності з безкрилим корецептором у дрозофіли, Lrp5 вважався корецептором для сімейства факторів росту, білків Wnt [24]. Як результат, остеопороз з псевдогліомою та синдромом високої кісткової маси вважаються захворюваннями цього сигнального шляху. Насправді наша робота спочатку дотримувалась цього напряму мислення, поки ще раз генетичні експерименти на тваринах не показали нам, що це не може бути так.

Не перелічуючи тут обов’язково нудних деталей, запропонованих на підтримку неперевіреної гіпотези, тут досить згадати, що, на відміну від інвалідності Lrp5, інвалідування сигналу Wnt в остеобластах жодним чином не впливає на формування кістки [25]. Більше того, гени, регульовані в остеобластах Lrp5 та білками Wnt, різні. Тож ми вирішили поклонитися генетичним доказам та шукати інший спосіб дії для Lrp5. Для цього, і за відсутності будь-якої робочої гіпотези, ми взяли за вихідну точку всебічний аналіз експресії генів за допомогою чіпів ДНК. Цей аналіз швидко показав, що Tph1, ген, відповідальний за синтез серотоніну в дванадцятипалій кишці, насправді був найбільш надмірно експресованим геном у мишей Lrp5 -/-. Звичайно, нічого з цього не спостерігалося у мишей, чиї

Сигнальний шлях Wnt був скасований в остеобластах [26]. Цей спочатку випадковий результат був для нас щасливим, враховуючи наш інтерес до біології серотоніну. Також чудовим було те, що він припустив, що серотонін, який знову не проходить гематоенцефалічний бар'єр, робить різний вплив на кістковий обмін, чи діє він як нейромедіатор (позитивний регулятор) або як - потенційно гормон дуоденального походження ( негативний регулятор). Це може бути унікальний приклад молекули, вплив якої на дану функцію змінюється залежно від того, де вона була синтезована.

Ми змогли продемонструвати порівняно швидко, що: (1) рівень циркулюючого серотоніну підвищений у мишей та чоловіків, у яких Lrp5 інактивований; аналіз пацієнтів, спочатку проведений у нашій лабораторії, згодом був підтверджений іншими дослідницькими групами в інших країнах світу; (2) серотонін пригнічує проліферацію остеобластів; (3) він робить це після зв’язування з певним рецептором на цих клітинах, рецептором Htr1b; (4) Рівень циркулюючого серотоніну знижується у мишей та чоловіків з активуючою мутацією Lrp5 [26]. Знову ж таки, спочатку тестування пацієнтів проводилось у нашій лабораторії, але з тих пір було підтверджено іншими. Ніщо не підготувало нас до цих результатів, окрім, слід зазначити, певного агностицизму, спричиненого нашою нездатністю продемонструвати, що Lrp5 бере участь у сигнальному шляху білка Wnt.

Інгібування синтезу серотоніну дванадцятипалої кишки як лікування остеопорозу

Небезпечно і марно вірити, що одна дисципліна або техніка перевершує всі інші в біології. Представлені на сьогодні результати були отримані на генетичних моделях, моделях мишей та людини. Окрім генетики, якщо справді серотонін дуоденального походження є настільки потужним інгібітором утворення кісток, що зниження рівня його циркуляції на 50% достатньо для захисту пацієнтів від будь-якої форми остеопорозу, тоді це повинно мати можливість фармакологічної перевірки. Це повинно бути не тільки можливим, але й бажаним, оскільки те, що свідчить дослідження пацієнтів із синдромом високої кісткової маси, полягає в тому, що часткове пригнічення синтезу серотоніну в дванадцятипалій кишці є лікуванням. Ефективний остеопороз.

Вивчення безлічі функцій, які виконує кожне із джерел серотоніну, і для одного з них в контролі апетиту, дозволило виявити дві нові фізіологічні дії: з одного боку, центральне походження серотоніну d діє як молекулярна посередник спільної регуляції кісткової маси та апетиту; з іншого боку, серотонін дуоденального походження, роль якого до того часу була невідома, діє як гормон, що інгібує утворення кісток. Це дослідження також пролило світло на молекулярний механізм двох генетичних захворювань - остеопорозу з псевдогліомою та синдрому високої кісткової маси. Нарешті, і на закінчення, ця робота призводить до того, що може бути ефективним та раціональним лікуванням остеопорозу. Перш за все, ця робота продемонструвала необхідність постійного діалогу між медициною та біологією з метою розширення наших знань і перш за все для розробки нових методів лікування.

Автори заявляють, що не мають конфлікту інтересів щодо даних, опублікованих у цій статті. .