Az energiaháztartást szabályzó hormonok hatásmechanizmusának vizsgálata a hypothalamusban: pajzsmirigyhormon, ösztrogén, leptin és ghrelin interakciók = Analysis of hypothalamic hormonal equilibrium in the regulation of energy balance: interactions between thyroid hormone, estrogen, leptin and ghrelin

Pályázatunk fő célja, hogy négy fő „trófikus” hormonnak (pajzsmirigyhormonok, ösztrogén, leptin és ghrelin) a táplálékfelvétel hypothalamicus szabályozásában játszott szerepét kutassuk, illetve az ezen a téren rendelkezésre álló adatokat kutatási eredményeinkkel érthetőbbé tegyük. A témát a hormonhatások specifikus receptorokra kifejtett önálló-, illetve kombinált befolyásának vizsgálatán keresztül közelítettük meg. Eredményeink alapján megállapítottuk, hogy az említett hormonok mennyiségi viszonyai szabályzó szereppel bírnak az idegsejtekben lévő specifikus receptorok expressziójára. Ugyanakkor azt is kimutattuk, hogy a receptor-kifejeződési szinteket az említett hormonok élettani értékektől eltérő koncentrációi döntő mértékben befolyásolják. Ennek alapján azt a következtetést vontuk le, hogy a vizsgált hormonok egyikének patológiás változása komplex módon, rendszer-szinten módosíthatja a táplálékfelvételre irányuló szabályzó funkciókat. Ezeken túl azt is kimutattuk, hogy, valószínűleg az összehangolt, populáció-szintű neuronválasz érdekében, gliasejt-tevékenység fontos szerepet játszik a trófikus hormonok neuronokra kifejtett hatásaiban, minthogy a glia kísérletes eltávolítása a biológiai rendszerből meghatározó és jellegzetes változásokat eredményezett. Ez azt is jelenti, hogy olyan nem-fiziológiás körülmények, amelyek megváltoztatják a glia populáció-szintű működését, kihatnak a vizsgált trófikus hormonok hatásmechanizmusára is. | The main goal of the present project was to investigate the role of four major trophic hormones (thyroid hormones, estrogens, leptin and ghrelin) in the hypothalamic regulation of feed-intake. Results from these experiments strongly contribute to the understanding of hypothalamic regulatory processes of already available relevant knowledge. Our experimental approach targeted the exploration of the individual and combined effects of the aforementioned trophic hormones on the expression levels of their cognate receptors in neurons. Based on our results, it can be concluded that the examined hormone effects on receptor expression levels are concentration dependent. Furthermore, we have also demonstrated that changes in the hormonal environment affect whole regulatory (integrative) systems (e.g., the hypothalamic regulation of feed-intake) rather than only influencing individual hormone effects. In addition to these results, experiments with the experimental exclusion of glial cells also demonstrated that glial functions are critical in the normal regulation of hormonal effects to maintain physiological receptor expression levels, probably via the mediation of hormone signals and through both direct and paracrine intercellular glia-neuron signaling. The latter results indicate that certain pathological conditions that alter glial functions on cell population level are likely to influence the effects of the examined trophic hormones on neuronal functions as well

ÖSZTROGÉN- ÉS PAJZSMIRIGYHORMON RECEPTOROK EXPRESSZIÓJÁNAK LIGANDUM-FÜGGő VÁLTOZÁSAI A FEJLőDő KISAGYBAN: KVANTITATÍV PCR ÉS WESTERN BLOT VIZSGÁLATOK.

Az ösztrogének (E2) és a pajzsmirigy hormonjai (PMH) jelentős szerepet játszanak a kisagy fejlődésében. Jelen kutatásunkban az ösztrogén és a pajzsmirigyhormonok receptorainak (ER és PMHR) kifejeződési szintjét vizsgáljuk patkány kisagyi sejtenyészetben. Megvizsgáltuk az E2 és PMH szabályozó hatását a receptorok mRNS expressziójának és fehérje expressziójának szintjén. Vizsgálatainkat hét napos patkányok kisagyából készült primer idegi sejttenyészeteken végeztük. A kisagyi idegsejt-tenyészeteket vagy E2-vel vagy PMH-val, vagy pedig ezek kombinációjával kezeltük, majd Western blot technikával határoztuk meg a receptor fehérjék relatív mennyiségét, és kvalitatív PCR technika alkalmazásával határoztuk meg a vonatkozó receptorok mRNS szintjeit. Eredményeinket minden esetben összehasonlítottuk egy negatív kontrollal (nem kezelt sejttenyészet) valamint hasonló korú (fejlettségi szintű) in situ kisagyból vett minták mérési eredményeivel. Szintén meghatároztuk a glia sejtek hatását az E2- és PMH receptorok expresszió-szintjének szabályozásában. Eredményeink egyértelműen mutatják, hogy: (i) mind az ösztrogén receptorok, mind pedig a pajzsmirigyhormon receptorok kifejeződési szintje függ mindkét hormon jelenlététől; (ii) a glia sejtek fontos szabályozó szerepet töltenek be az egyes vizsgált hormon receptorok expressziójának a szabályozásában; (iii) a szöveti integritás elvesztése is egyértelmű hatással van a vizsgált receptorok mennyiségi viszonyaira. Összehasonlítva az in vitro, valamint az in situ eredményeinket arra a következtetésre jutottunk, hogy a kisagy megfelelő fejlődésében meghatározó szerepe van az ösztrogén és pajzsmirigyhormonok fiziológiás arányának, és arra is adatokat szolgáltatunk, hogy a szöveti integritás elveszítése (szövetsérülés) kompenzációs változásokat idéz elő a fejlődő kisagy nukleáris receptorainak expressziójában. Köszönetnyilvánítás: A fenti munka az NKB 15971 és 15728 társfinanszírozásával készült

A hipotalamikus neuronális energiaszint szabályozásának vizsgálata: Az NTPDázok, mint lehetséges energia-regulátorok szerepe a pozitív gonadotropin feedback során. = Regulation of neuronal energy levels in the hypothalamus: NTPDases as possible energy regulators of the positive gonadotrophin feedback.

Pályázatunk fő célja, hogy a serkentő idegi működéshez szükséges celluláris energiaszint „korlátozó”, vagy éppen „megengedő” szerepét vizsgáljuk. A hypothalamicus (HT) NTPDáz3 ATP-szabályzó szerepét a tervezettnél szélesebb spektrumban vizsgáltuk, valamint figyelembe vettük, hogy a HT egyszerre több homeosztatikus funkció idegi központja. Ezért figyelembe vettük az érintett homeosztatikus folyamatokat szabályzó idegi struktúrák átfedéseit és a közös mechanizmusokat. A kísérletek két, egymással szorosan összefüggő folyamat elemzésére terjedtek ki, melyek eredményei a következők szerint foglalhatók össze: 1. A mitokondriális metabolizmus, beleértve az NTPDáz3 aktivitását is, valamint a hypothalamus O2 ellátása, az ösztrusz ciklushoz, illetve annak egyes fázisaihoz igazodó hullámzó tendenciát mutatott; Ez a hullámzó tendencia az állatok több mint 80 %-ában a hypothalamusnak csak az egyik féltekéjében mutatkozott, míg az ellenoldali félteke mitokondriális metabolizmusa a ciklus minden fázisában egyenletes, kiegyenlített tendenciát mutatott. 2. Az ADP-függő 3-as típusú mitokondriális légzés korrelál a korábbi kísérleteink szerint leírt gyors ütemű, nagyszámú hypothalamicus excitatórikus szinapszis létrejöttének és aktivitásának idejével, ami az ösztrusz ciklus proösztrusz-korai ösztrusz fázisainak idejére esik. 3. Az 1-5-ös típusú mitokondriális légzés elemzése azt valószínűsíti, hogy a mitokondriális NTPDáz3 blokkolása átfogóan lassítja a mitokondrium metabolizmusát. | The project’s main goal was to examine the limiting/permissive role of the cellular energy levels in hypothalamic (HT) excitatory neuronal activity. Considering that the HT is the regulatory center of more than one homeostatic systems, investigations on the ATP-regulating activity of hypothalamic NTPDase3 were more detailed than originally outlined. Hypothalamic structural and functional overlaps were considered. Studies included two major lines of experiments with result summarized as follows: 1.) The mitochondrial metabolism, including the NTPDase3 activity, and the hypothalamic O2 supply showed a fluctuating pattern corresponding to the phases of the estrous cycle. This phenomenon could only be observed in either the left or right hypothalamic hemispheres in cca. 80 percent of the animals, while the contralateral hemishere showed no such fluctuations. 2.) The ADP-dependent State 3 (St3) mitochondrial respiration correlates with the rapid generation and function of excitatory synapses during late proestrus and early estrus. 3.) Analysis of St1-5 data imply that inhibition of mitochondrial NTPDase3 function leads to overall down-regulation of mitochondrial metabolism

BISZFENOL A, ARZÉN ÉS ZEARALENON HATÁSA FEJLŐDŐ PATKÁNY KISAGYSEJTJEINEK ÖSZTROGÉN- ÉS PAJZSMIRIGYHORMON RECEPTOR MRNSÉNEK EXPRESSZIÓJÁRA

Bevezetés: A szervezet ivari mőködése és energia háztartása mellett az ösztrogén (E2) és pajzsmirigyhormonok (PMH) a szövetfejlődéstani folyamatokat is szabályozzák, beleértve a központi idegrendszer fejlődését. E hormonok hatásaikat javarészt specifikus receptorok (ER, PMHR) aktiválása révén érik el, mégpedig nem csupán saját, hanem egymás receptorainak mennyiségi szabályozásán keresztül is. Az ipari eredetű környezeti szennyező anyagok egy csoportja, hasonlóan néhány természetes növényi eredetű anyaghoz, a szervezetbe kerülve, képes e két hormon csoport hatásait utánozva, vagy éppen antagonizálva, a normális hormonális szabályozó folyamatok befolyásolására. Ezen anyagok az un. endokrin diszruptorok (ED). Cél: Kísérleteink célja, hogy korábbi vizsgálatainkra alapozva megvizsgáljuk három jelentős ED anyag (biszfenol A, arzén, zearalenon) azon képességét, hogy mennyire képesek befolyásolni az PMHR-k és ER-k mennyiségi viszonyait kisagyi idegsejt-kultúrában. A várható eredmények remélhetően körvonalazzák a vizsgált ED-k önállóan vagy kombináltan kifejtett káros hatásait, ezúton lehetőséget teremtve az általuk okozott káros hatások korrigálására, illetve a káros hatás igazolása esetén bizonyos ipari alkalmazások során történő használatuk kiküszöbölésére tehetünk megalapozott javaslatot. Módszer: Vizsgálatainkat primer kisagyi sejttenyészeten végeztük, szérum- és szteroid mentes környezetben. A biszfenol A, arzén és zearalenon hatásait önmagukban vagy hormonkezeléssel kombinálva vizsgáltuk glia mentes-, vagy gliát is tartalmazó tenyészetekben. Eredmény: Az Egyes ED-k egymástól eltérő, de jellegzetes módon változtatták meg a vizsgált hormon receptorok génjeinek transzkripcióját. A biszfenol A jellemzően fokozta az E2 transzkripcióra kifejtett hatását, míg az As jellemzően antagonizálta e téren az E2 hatást. A zearalenon mindhárom receptor fajta transzkripcióját hasonló módon befolyásolta az egyes hormonkezelések függvényében. A glia mediáló hatása legerőteljesebben a biszfenol A esetében volt megfigyelhető, illetve az As kezelés esetében akkor, ha az E2 kezeléssel párosult. A zearalenon neuronális receptor expresszióra kifejtett hatását látszólag nem befolyásolta a glia jelenléte vagy hiánya. Következtetés: Kísérleteinkből levonható legfontosabb következtetés, hogy az egyes ED-k jelentős és egyedi hatással vannak az idegrendszer fejlődésének szabályozásában fontos szerepet játszó PMH- és E2 receptorok mRNS-ének expressziójára. Köszönetnyilvánítás: Köszönet illeti az Élettani Tanszék minden munkatársát lelkiismeretes és odaadó munkájáért. Jelen munkát az OTKA 81745, NKB 15711 és TÁMOP 4.2.2 B-10/1- 2010-0011pályázatok finanszírozták

Endocrine factors in the hypothalamic regulation of food intake in females: a review of the physiological roles and interactions of ghrelin, leptin, thyroid hormones, oestrogen and insulin

Controlling energy homeostasis involves modulating the desire to eat and regulating energy expenditure. The controlling machinery includes a complex interplay of hormones secreted at various peripheral endocrine endpoints, such as the gastrointestinal tract, the adipose tissue, thyroid gland and thyroid hormone-exporting organs, the ovary and the pancreas, and, last but not least, the brain itself. The peripheral hormones that are the focus of the present review (ghrelin, leptin, thyroid hormones, oestrogen and insulin) play integrated regulatory roles in and provide feedback information on the nutritional and energetic status of the body. As peripheral signals, these hormones modulate central pathways in the brain, including the hypothalamus, to influence food intake, energy expenditure and to maintain energy homeostasis. Since the growth of the literature on the role of various hormones in the regulation of energy homeostasis shows a remarkable and dynamic expansion, it is now becoming increasingly difficult to understand the individual and interactive roles of hormonal mechanisms in their true complexity. Therefore, our goal is to review, in the context of general physiology, the roles of the five bestknown peripheral trophic hormones (ghrelin, leptin, thyroid hormones, oestrogen and insulin, respectively) and discuss their interactions in the hypothalamic regulation of food intake

Possible hypothalamic laterality in the central regulation of GnRH release: thoughts that might lead to a novel approach in hypothalamic studies

The midcycle E2 surge induces a synaptic reorganization in the mediobasal hypothalamus (MBH), thus increasing the ratio of stimulatory/inhibitory synapses. This synaptic reorganization disinhibits GnRH neurons and leads to an LH surge. Synaptic functions are energy dependent and require mitochondrial ATP production. Ectonucleoside triphosphate diphosphohydrolase 3 (NTPDase3) may play a crucial role in the regulation of mitochondrial ATP levels in stimulatory MBH neurons. The positive gonadophin feedback involves the generation and function of large numbers of hypothalamic stimulatory synapses, thus, it might be associated with increased mitochondrial ATP production and increased mitochondrial respiration (mr). Anatomically, there are paired brain areas in the two hemispheres and unpaired structures along the anatomical midline. Distinct sides of paired brain areas usually regulate distinct physiological processes, rather than sharing roles to regulate the exact same functions. However, there are certain brain regions with no known functional differences between the two sides. One such brain area is the MBH, which has always been investigated as an unpaired midline structure despite its clearly symmetric anatomical characteristics. Investigation of mr in MBH synaptosomal fractions in our laboratory has indicated that besides ipsylateral intrahypothalamic differences (i.e., differences between the lateral and medial regions of the MBH on the same side) a functional laterality may exist between homologous areas of symmetric hypothalamic structures. Therefore, we have investigated mr rates, with special regard to ADP-dependent state 3 mr, in the MBH with isolated left and right sides. Our initial results imply that the MBH regulation of the E2-induced gonadotrophin surge is unilateral, and that there is an urging need for a technical solution to identify in vivo the dominant hypothalamic side that enters into the positive gonadotrophin phase of the estrous cycle

Comparative analysis and functional implications of ligand dependent changes in estrogen- and thyroid hormone receptor expression in the developing cerebellum

Abstract Trophic hormones are important regulators of CNS development and function. In particular, estrogen (E2) and thyroid hormones (THs) regulate cell migration, differentiation, proliferation and synaptogenesis/network formation during cerebellar development. These hormone-regulated events involve the binding of hormone ligands to their cognate receptors that function as transcription factors to activate relevant genes for the adequate orchestration of developmental processes. Recent reports implicate a complex mechanism through which E2 and THs influence the expression levels of each other’s receptors (ERs and TRs) to precisely mediate developmental signals. Here we examined the effects of the presence or absence of E2 and THs on the expression levels of their receptor mRNAs and proteins. Cerebellar granule cell cultures were treated with either E2, T3, T4 or a combination of these hormones, and resulting receptor expression levels were determined by quantitative PCR and Western blot techniques. Results were compared to non-treated controls and to samples obtained from 14-day-old in situ cerebella. Additionally, we determined the effects that glial cells might have on the regulation of ER-TR expression levels. Results show that: (i) ER and TR expression levels depend on the individual or combined presence/absence of E2 and THs; (ii) glial cells are important mediators in the hormonal regulation of neuronal ER-TR expression, and (iii) loss of tissue integrity results in characteristic changes in ER-TR expression levels. These observations suggest that both E2 and THs are required for the precise orchestration of cerebellar development and that alterations in the tissue concentration of either of the hormones may influence signaling mechanisms that are driven by both E2 and THs. Comparison of data from in vitro and in situ samples also revealed a shift in receptor expression levels after loss of tissue integrity, likely indicating possible adjusting/regenerative mechanisms after cerebellar tissue injury

Ecto-nucleoside triphosphate diphosphohydrolase 3 in the ventral and lateral hypothalamic area of female rats: morphological characterization and functional implications

<p>Abstract</p> <p>Background</p> <p>Based on its distribution in the brain, ecto-nucleoside triphosphate diphosphohydrolase 3 (NTPDase3) may play a role in the hypothalamic regulation of homeostatic systems, including feeding, sleep-wake behavior and reproduction. To further characterize the morphological attributes of NTPDase3-immunoreactive (IR) hypothalamic structures in the rat brain, here we investigated: 1.) The cellular and subcellular localization of NTPDase3; 2.) The effects of 17β-estradiol on the expression level of hypothalamic NTPDase3; and 3.) The effects of NTPDase inhibition in hypothalamic synaptosomal preparations.</p> <p>Methods</p> <p>Combined light- and electron microscopic analyses were carried out to characterize the cellular and subcellular localization of NTPDase3-immunoreactivity. The effects of estrogen on hypothalamic NTPDase3 expression was studied by western blot technique. Finally, the effects of NTPDase inhibition on mitochondrial respiration were investigated using a Clark-type oxygen electrode.</p> <p>Results</p> <p>Combined light- and electron microscopic analysis of immunostained hypothalamic slices revealed that NTPDase3-IR is linked to ribosomes and mitochondria, is predominantly present in excitatory axon terminals and in distinct segments of the perikaryal plasma membrane. Immunohistochemical labeling of NTPDase3 and glutamic acid decarboxylase (GAD) indicated that γ-amino-butyric-acid- (GABA) ergic hypothalamic neurons do not express NTPDase3, further suggesting that in the hypothalamus, NTPDase3 is predominantly present in excitatory neurons. We also investigated whether estrogen influences the expression level of NTPDase3 in the ventrobasal and lateral hypothalamus. A single subcutaneous injection of estrogen differentially increased NTPDase3 expression in the medial and lateral parts of the hypothalamus, indicating that this enzyme likely plays region-specific roles in estrogen-dependent hypothalamic regulatory mechanisms. Determination of mitochondrial respiration rates with and without the inhibition of NTPDases confirmed the presence of NTPDases, including NTPDase3 in neuronal mitochondria and showed that blockade of mitochondrial NTPDase functions decreases state 3 mitochondrial respiration rate and total mitochondrial respiratory capacity.</p> <p>Conclusion</p> <p>Altogether, these results suggest the possibility that NTPDases, among them NTPDase3, may play an estrogen-dependent modulatory role in the regulation of intracellular availability of ATP needed for excitatory neuronal functions including neurotransmission.</p

NTPDases in the neuroendocrine hypothalamus: Possible energy regulators of the positive gonadotrophin feedback

<p>Abstract</p> <p>Background</p> <p>Brain-derived ectonucleoside triphosphate diphosphohydrolases (NTPDases) have been known as plasma membrane-incorporated enzymes with their ATP-hydrolyzing domain outside of the cell. As such, these enzymes are thought to regulate purinergic intercellular signaling by hydrolyzing ATP to ADP-AMP, thus regulating the availability of specific ligands for various P2X and P2Y purinergic receptors. The role of NTPDases in the central nervous system is little understood. The two major reasons are the insufficient knowledge of the precise localization of these enzymes in neural structures, and the lack of specific inhibitors for the various NTPDases. To fill these gaps, we recently studied the presence of neuron-specific NTPDase3 in the mitochondria of hypothalamic excitatory neurons by morphological and functional methods. Results from those studies suggested that intramitochondrial regulation of ATP levels may play a permissive role in the neural regulation of physiological functions by tuning the level of ATP-carried energy that is needed for neuronal functions, such as neurotransmission and/or intracellular signaling.</p> <p>Presentation of the hypothesis</p> <p>In the lack of highly specific inhibitors, the determination of the precise function and role of NTPDases is hardly feasable. Yet, here we attempt to find an approach to investigate a possible role for hypothalamic NTPDase3 in the initiation of the midcycle luteinizing hormone (LH) surge, as such a biological role was implied by our recent findings. Here we hypothesize that NTPDase-activity in neurons of the AN may play a permissive role in the regulation of the estrogen-induced pituitary LH-surge.</p> <p>Testing the hypothesis</p> <p>We propose to test our hypothesis on ovariectomized rats, by stereotaxically injecting 17beta-estradiol and/or an NTPDase-inhibitor into the arcuate nucleus and determine the consequential levels of blood LH, mitochondrial respiration rates from arcuate nucleus synaptosomal preparations, NTPDase3-expression from arcuate nucleus tissue samples, all compared to sham and intact controls.</p> <p>Implications of the hypothesis</p> <p>Results from these studies may lead to the conclusion that estrogen may modulate the activity of mitochondrial, synapse-linked NTPDase3, and may show a correlation between mitochondrial NTPDase3-activity and the regulation of LH-release by estrogen.</p