+74991102554
info@actendocrinology.ru

Нарушение STAT5b-регулируемого гендерного диморфизма транскриптома печени

Введение

  • Сигнальный трансдуктор и активатор транскрипции 5b (STAT5b) — один из семи транскрипционных факторов STAT  млекопитающих.
  • STAT5b реагирует на действие различных цитокинов, интерлейкинов, эпидермального фактора роста и гормона роста (СТГ).

Секреция СТГ гипофизом регулируется на уровне нейросекреторных клеток гипоталамуса, которые выделяют в портальные вены гипофиза:

  • соматотропин-рилизинг-гормон (СРГ или соматолиберин),
  • ингибитор СТГ  — соматостатин.

Секреции СТГ  регулируется также инсулино-подобным фактором роста 1 (ИФР-1)  по принципу отрицательной обратной связи на гипоталамус и переднюю долю гипофиза. ИФР-1 начинает секретироваться в печени после  активации гормоном роста STAT5b.

  • Гендерный диморфизм печени имеет значительные метаболические отличительные особенности.
  • Процесс обезвреживания ксенобиотиков (лекарственных препаратов и токсинов) различается между мужчинами и женщинами, в частности, это можно объяснить  гендерно-зависимой  экспрессией некоторых ферментов, таких как цитохром Р450 3А4.

Гипоталамо-гипофизарно-печеночная (ГГП) ось является важным регулятором гендерно-зависимой функции печени. В отряде грызунов и, в меньшей степени у людей, характер секреции СТГ передней долей гипофиза отличается между полами:

  • у самцов крыс и мышей характер секреции СТГ пульсирующий: гормональные пики четко следуют за гормональными спадами.
  • у самок, СТГ выделяется гипофизом чаще, создавая эффект непрерывной секреции.
  • Разные типы секреции СТГ, свою очередь, по-разному регулируют экспрессию генов в печени на уровне транскрипции.

STAT5b активируется Янус киназой 2 (JAK2) – СТГ-ассоциированной тирозин киназой.

  • СТГ связывается со своим рецептором на поверхности клеток, активируя JAK2.
  • Затем JAK2 фосфорилирует STAT5b Tyr 699, после чего STAT5b димеризуется, перемещается к ядру.

STAT5b активируется у самцов крыс и мышей в печени только в ответ на каждый импульс СТГ, в то время как у самок, постоянная секреция СТГ приводит к постоянной экспрессии в печени STAT5b, уровень которого у самок находится на значительно низком уровне, чем у самцов.

  • Гипотеза о том, что STAT5b является главным медиатором гендерно-зависимых эффектов СТГ на экспрессию генов в печени, поддерживается в работе, где у STAT5b-дефицитных мышей-самцов обнаружили:
    • снижение темпа роста в период полового созревания,
    • потерю экспрессии гендерно-зависимых генов в печени, контролирующих метаболизм и транспорт экзогенных химических веществ.

Отсутствие информации о химических веществах, которые могут изменять функцию STAT5b,  побудило исследователей выявить:

  • факторы, нарушающие функцию STAT5b,
  • контролирующуюроль ГГП — СТГ оси.

Учитывая роль STAT5b как гендерно-зависимого медиатора транскрипционных эффектов I и II фазы метаболизма и транспортеров экспрессии генов, можно предположить, что химические вещества и другие факторы, регулирующие функцию STAT5b, могут влиять также на метаболизм в печени,  выведение ксенобиотиков из тела, приводя к интоксикации организма.

Нарушение секреции СТГ и ГГП оси совместно с токсическими эффектами ксенобиотиков может привести к негативным последствиям:

  • появление стеатоза печени,
  • ожирения
  • рака печени.

Методы, которые точно предсказывают изменения функции печени STAT5b, включая активацию и подавление активности STAT5b, будут способствовать выявлению факторов, которые нарушают ГГП-СТГ ось.

  • Ученые сконструировали посредством микрочипов STAT5b-специфический биомаркер, состоящий из генов, которые демонстрируют половой диморфизм между самцом дикого типа и самкой дикого типа и между мышами STAT5b – дефицитного типа и STAT5b-дикого типа.
  • Были найдены точные методы прогнозирования активации или подавления функции STAT5b.
    • Этот вычислительный подход использовался, чтобы сравнить экспрессию генов (~1850 сравнений) при воздействии на них инфекций, гормонов, химических агентов, других генов и пищевых продуктов, активирующих или подавляющих активность STAT5b в печени.

Методы

Стратегии выявления факторов, изменяющих функцию STAT5b в печени

  • Биомаркер экспрессии генов состоящий из STAT5b-зависимых генов был разработан с использованием аннотированной базы данных экспрессированных статистически отфильтрованных генов (бионаборы).
  • Генный набор биомаркера STAT5b это список гендерно-зависимых печеночных экспрессированных генов, которым STAT5b нужен для их половой диференцировки.
  • Была использована база данных NextBio.
  • Каждый бионабор сравнивался со всеми остальными бионаборами используя F-тест (критерий Фишера), который позволял оценить степень совпадения генов.

В данном исследовании были оценены  бионаборы:

  • печени мыши
  • первичных гепатоцитов мыши
  • клеток производных гепатоцитов

Для облегчения сравнения результатов, каждый бионабор был помечен по типу:

  • фактор (например, режим питания),
  • наименование фактора (например, натощак).

Чтобы оценить активацию или супрессию функции STAT5b, генный набор биомаркераSTAT5b загрузили в базу данных NextBio, где его сравнили со всеми бионаборами используя F-тест. Результаты тестов были использованы для определения точности вероятности нарушения функции STAT5b и характеристике бионаборов, достигших статистической значимости.

  • Все эти эксперименты проводились с использованием микрочипов Affymetrix.
  • Файлы были проанализированы в программе bioconductorSimpleAffy.
  • Статистически значимые гены были определены однофакторным дисперсионным анализом с частотой ложных обнаружений (тест Benjamini-Hochberg) от ≤ 0.01.
  • Было создано и прокомментировано около 890 бионаборов.
  • Таблицы использовали для оценки взаимосвязи между p-значением критерия Фишера и степенью экспрессии генов-биомаркеров.
  • Все статистически отфильтрованные списки генов были загружены в NextBio после фильтрации.

Аннотация к бионаборам

Все бионаборы, изучающие экспрессию генов в печени мышей, в первичных гепатоцитах мышей или клеток производных гепатоцитов сопровождались комментариями, позволяющими систематически оценить влияния различных факторов на функцию STAT5b.

В описании каждого бионаборавключены:

  • идентификатор исследования (т. е. источник),
  • название,
  • классификация факторов (например, химический агент, пищевое поведение, генотип, и т. д.),
  • название химиката или лечения,
  • пола,
  • исходный материал (например, печень или гепатоциты),
  • тип микрочипов,
  • типа генетической модели (например, дикий тип, дефицитный тип, трансгенный).

Учитывая важность пола животных при определении экспрессии генов и фенотипических реакций, удивительно, что во многих опубликованных исследованиях не предоставлялась информация о поле животных.

Сравнение генного набора биомаркераSTAT5b и базы данных микрочипов

Для оценки изменения функции STAT5b использовались F-тест (критерий Фишера) и база данных NextBio.

  • Алгоритм F-теста вычисляет p-значение с помощью точного критерия Фишера, а метод анализа представленности функциональных групп генов использует метод перестановок для оценки статистической значимости.
  • NextBio, используя кратность изменения рейтинга, позволяет сопоставить данные из различных исследований, платформ и методов анализа, удаляет зависимость от абсолютных значений.
  • Используя F-тест генный набор биомаркераSTAT5b сравнивался с каждымбионабором в NextBio.
  • При сравнении функции STAT5b обнаружилась конкордантность между баззой данных NextBio и бионаборами исследователей(R2= 0.86), опираясь на этот результат, в последующих анализах использовались бионаборы, полученные самими исследователями, а не из базы NextBio.

Результаты

Устройство и характеристика экспрессии генов-биомаркеров STAT5b

Гены-биомаркеры STAT5b были идентифицированы при помощи микрочипов в печени самца мыши дикого типа и печени самки в 6 исследованиях в 4 разных лабораториях.

Гены, регулирующие гендерно-зависимую экспрессию STAT5b, в дальнейшем были отфильтрованы для выявления различия между самцом мыши STAT5b-дефицитным и самцом дикого типа. Выявили зависимость от STAT5b 144 генов в не менее чем 4 из 6 исследованиях.

  • Гены, которые проявили высокую экспрессию в печени мышей самцом дикого типа в отличие от самок дикого типа, снизили свою экспрессию в отсутствии STAT5b.
  • Гены с низкой экспрессией в печени самцов мышей дикого типа, чем у самок дикого типа в отсутствииSTAT5b повысили свою экспрессию.
  • Эта закономерность доказывает гендерную роль STAT5b в активации и подавлении экспрессии генов в печени самцов.
  • У мышей самок дикого типа STAT5b играет меньшую роль в регуляции экспрессии гендерно-зависимых генов.

Выявлено 10 метаболических путей, ассоциированных с генами STAT5b, в том числе:

  • биосинтез андрогенов,
  • метаболизм ксенобиотиков,
  • а также других веществ (никотин, мелатонин, бупропион, и ацетон).

Биомаркер STAT5b включает в себя 37 генов, участвующих в метаболизме и транспорте ксенобиотиков, включая I этап метаболизма ксенобиотиков (гендерно-зависимая регуляция – например, Cyp2d9Cyp7b1, and Cyp2b13).

Гены-биомаркеры, участвующие в метаболизме тестостерона, по-видимому, регулируются посредством обратной связи, что повышает доступность тестостерона.

  • Таким образом, повышается экспрессия генов (Hsd3b1Hsd3b4), которые участвуют в биосинтезе стероидов наряду с 5α-редуктазой (Srd5a1), преобразующей тестостерон в дигидротестостерон.
  • Также было выявлено снижение экспрессии 2-х из трех генов биомаркеров (Cyp2b13 и Cyp2b9, но не Cyp2d9), участвующих в 16α-гидроксилировании тестостерона, что в свою очередь снижает его активность.

Другие гены, вовлеченные в метаболизм ксенобиотиков:

  • мишени STAT5b,
  • лежат в основе половых диморфных реакций, влияющих на выведение ксенобиотиков.

Стратегия прогноза статуса активации STAT5b

  • Исследователи использовали F-тест (критерий Фишера), чтобы определить активацию или супрессию STAT5b в бионаборах.
  • Бионаборы состоят из генов, которые проявляют статистически значимые изменения в экспрессии между двумя положениями, например:
    • между химически обработанными животными и контрольной группой,
    • между животными с дефицитными генами и генами дикого типа.

Прежде всего, исследователи, используя F-тест, сравнили гены-биомаркеры STAT5b с 6 бионаборами от самцов и самок.

  • Все 6 бионаборов показали весьма существенное сходство с биомаркером STAT5b (p-значение ≤ 10−53).
  • Бионаборы, полученные от дефицитных STAT5b мышей самок и самцов, при сравнении с мышами дикого типа, показали значительную отрицательную корреляцию к биомаркеру STAT5b.
    • Для бионаборов с положительной корреляцией к биомаркеру, чем ниже p-значение, тем больше сродство с биомаркером и в направлении, и в величине изменений экспрессии генов.

Таким образом, бионаборы

  • с положительной корреляцией к биомаркеру STAT5b проявили маскулинизирующий эффект на печень,
  • бионаборы с отрицательной корреляцией к биомаркеру STAT5b – феминизирующий.

STAT5b биомаркер оценивали по его способности правильно классифицировать бионаборы демонстрирующие маскулинизацию или феминизацию.

  • Бионаборы с известной положительной или негативной корреляцией проверили при помощи метода главных компонентов (PCA), чтобы определить, смогут ли гены-биомаркеры STAT5b распределить бионаборы в две группы (маскулинизирующий и феминизирующий эффект на экспрессию генов в печени):
    • Для прогнозирования маскулинизации печени STAT5bбиомаркер имеет чувствительность 95% и 100% специфичность, с точностью 99%.
    • Для прогнозирования феминизации STAT5b биомаркер имеет чувствительность 96% и специфичность 98%, точность 97%.

Таким образом, STAT5b биомаркер имеет превосходную точность обнаружения маскулинизации или феминизации печени в бионаборах из сборника.

Анализ экспрессии генов печени мыши

Биомаркер STAT5b и F-тест использовались, чтобы идентифицировать бионаборы, в которых изменялась функция STAT5b.

  • Сборник бионаборов состоит из генов печени мыши, первичных гепатоцитов мыши и производных клеток гепатоцитов.
  • Сборник содержит ~1850 бионаборов:
    • ~470 химических веществ,
    • ~450 генов,
    • ~220 диетологических условий,
    • ~100 гормонов или цитокинов,
    • ~90 этапов цикла жизни,
    • ~90 стрессовых,
    • ~120 физического напряжения.

Из изученных факторов наибольшее воздействие на функцию STAT5b оказывают:

  • генотип пола,
  • химические вещества,
  • генетические модели.

Для определения взаимосвязи между полом экспериментальной модели и влияния различных факторов на животных, бионаборы разделили на:

  • бионаборы от печени самца мыши (496 бионаборов),
  • печени самки мыши (174 бионабора),
  • и те, которые основаны на исследованиях invitro с использованием гепатоцитов и клеток производных гепатоцитов, взятых от обоих полов (297 бионаборов).

Мужские особи оказались особенно чувствительны к феминизации

  • ~29% мужских бионаборов подверглись феминизации в исследовании,
  • ~5% — маскулинизации.

У самок, бионаборы почти поровну распределились между теми, которые были

  • маскулинизированы (~11%) и
  • феминизированы (~13%).

Эффект феминизации от многих факторов оказался более выраженным

  • у самцов (p-значения ≥ 10-55),
  • у самок (p-значения ≥ 10-35).

Поскольку  культура in vitro, как правило, не имеет возможности нормально реагировать на пульсирующий характер секреции СТГ у самцов, исследователи спрогнозировали, что в лабораторных условиях культура клеток печени не будет демонстрировать значительных изменений в функции STAT5b.

  • 11 (4%) бионаборов от общего числа in vitro культур достигли значений изменения функции (4 маскулинизации и 7 феминизации), и диапазон значений этих корреляций (p-значения ≥ 10-7) был гораздо меньше, чем диапазон значений in vivo (p-значения ≥ 10-55).

Маскулинизация самцов мышей и феминизация самок мышей требует объяснения. Наблюдаемую маскулинизацию у незначительной части (~5%) самцов мышей можно объяснить небольшим количеством бионаборов, где самцы были ранее феминизированы.

  • Кастрированные самцы мышей (ранее феминизированые), которым ввели дегидротестостерон, впоследствии маскулинизировались.
  • Для большинства случаев, маскулинизация наблюдалась у интактных самцов (например, самцы-дефицитные по генам Ppara или Nr2c2,).
  • Аналогичным образом, феминизация самок мышей могла произойти, если “контрольная” самка уже обладала более мужскими чертами.
  • Изучение экспрессии генов-биомаркеров у феминизированных самок мышей  показало, что общие закономерности изменения ничем не отличаются от тех, что видны у самцов мышей, подвергшихся феминизации.
  • Физиологические и биохимические объяснения феминизации не были установлены в большинстве случаев, но можно предположить, что изменения у самок связаны с непрерывной секрецией СТГ.

В итоге, феминизация генов в печени у самцов была частым событием  (~29% от общего числа бионаборов самцов мышей).

Таким образом, нарушение экспрессии мужских генов печени довольно распространенное событие. Нарушение может быть связано с несколькими факторами:

  • нарушением одного или нескольких звеньев ГГП оси,
  • нарушением чувствительности обратной отрицательной связи секреции СТГ у мужских особей.

В целом, функция STAT5b была изменена в ~34% и ~14% от всех бионаборов в печени самцов и самок соответственно.

Влияние возраста на изменение функции STAT5b

  • STAT5b гены-биомаркеры были использованы для изучения взаимосвязи между активностью функции STAT5b в печени и стадией жизни подопытных животных.
    • Взрослый самец дикого типа по сравнению с самкой проявил значительную положительную корреляцию (p-значение = 10-7 до 10-77),
    • в то время как самка по сравнению с самцом – отрицательную корреляцию (p-значение = 10-9 до 10-54).
  • Учитывая, что гендерно-зависимая экспрессия генов проявляется у мышей в печени примерно с 3-4 недели после рождения, исследователи сравнили пренатальных и неонатальных самцов и самок мышей, начиная от 15,5 дня гестации до 2 и 14 постнатальных дней.
    • Как и следовало ожидать, ни один из этих бионаборовне проявил значимых корреляций.
  • У мышей существует периода бурного роста: первый – перинатальный  и независимый от СТГ, и второй —  перипубертатный, СТГ-зависимый.

STAT5b является основным фактором транскрипции, активируемый СТГ и который индуцирует синтез ИФР-1 и соматическое развитие.

Изучена способность STAT5b биомаркера идентифицировать перипубертатную маскулинизацию самцов мышей.

  • Только бионаборы от мышей, которые достигли половой зрелости (возраст от 32 до 90 постнатальных дней) по сравнению с дородовыми или послеродовыми мышами (возраст от 14.5 дня гестации до 28 постнатального дня) положительно коррелировали с STAT5b биомаркером (р-значение = 10-11-10-36).
  • Эти результаты согласуются с низким уровнем ядерного фосфорилирования STAT5b печени у однонедельных животных и более высоким уровнем STAT5b у 2,5-недельных животных, которые похожи на взрослую 9-недельную мышь.

Уровень секреция СТГ снижается с возрастом, и различия в гендерной экспрессии генов у пожилых самцов становятся менее очевидны.

  • У мышей, эти изменения, вероятно, обусловлено уменьшением циркулирующего тестостерона у пожилых самцов.
  • Бионаборы от пожилых мышей дикого типа (22 или 24 месяца) сравнили с более молодыми особями (3-4 месяца), сравнение показало значительную феминизацию.

В целом, поведение STAT5b генов-биомаркеров согласуется с известными эффектами на разных этапах жизни активности STAT5b печени, в том числе маскулинизации во время перинатального периода роста у самцов мышей и феминизации у стареющих самцов.

Влияние пищевого поведения на функцию STAT5b

Были исследованы последствия голодания и ограничения калорийности пищи на функцию STAT5b в печени.

  • В четырех бионаборах из 19, где мышей не кормили в течение 48 часов, выявилась феминизация. Ни один из бионаборов не показал значительный маскулинизирующий эффект.
    • Влияние голодания на функцию STAT5b соответствует выводам исследования (Стейн и соавт., 2011), где голодание вызвало снижение общей и импульсной секреции СТГ.
  • Из 6 бионаборов, в которых рассматривались последствия длительного (> 48 ч) ограничения калорийности пищи, в 3 бионаборах выявили значительную феминизацию транскриптома печени самцов мышей. Эффект маскулинизации не достиг статистической значимости.

Ограничение калорийности пищи и голодание приводят к мобилизации триглицеридов из жирового депо для катаболизма в печени. Был изучен эффект воздействия триглицеридов для определения его феминизирующей способности.

  • Через 6 часов после принудительного кормления через зонд,печень значительно феминизировалась:
    • под воздействием синтетических триглицеридов в составе С10:0, С18:3 и С22:6 жирных кислот у мышей дикого типа,
    • под воздействием триглицеридов в составе С10:0 и С18:3 жирных кислот у PPARα-нулевых мышах.

В целом, эти данные подтверждают модель, согласно которой увеличение мобилизованных триглицеридов подавляет функцию STAT5b, возможно, за счет уменьшения секреции СТГ.

Влияние инфекций на функцию STAT5b

Учитывая роль STAT5b в регуляции иммунных реакций (Рохман соавт., 2009), было предположено, что функция STAT5b может моделироваться инфекционными агентами.

Из 91 бионаборов по изучению последствий инфекций, маскулинизация или феминизация наблюдались в 6 и 15 бионаборах, соответственно.

Три инфекционных агента вызвали маскулинизацию:

  • У самок мышей, обработанных физиологическим раствором или липополисахаридом Francisella tularensis (грамотрицательная бактерия, возбудитель туляремии), печени маскулинизировались в течение 48 часов, но не раньше 24 часов после воздействия.
  • Интактные и кастрированные самцы мышей, зараженные Coxiella burnetii (грамотрицательная бактерия, которая является возбудителем Ку-лихорадки) продемонстрировали маскулинизацию.
  • Зараженные самки мышей, которым удалили яичники, также продемонстрировали маскулинизацию.
  • У самок мышей, зараженных Yersinia pestis (грамотрицательная бактерия, возбудитель чумы) несущей мутантный ген липопротеина, а не дикого типа Y. pestis, произошла маскулинизация печени через 48 ч, но не раньше 12 ч после заражения.

Два инфекционных агента вызывали феминизацию печени:

  • Они включают Trypanosoma congolense, паразитический одноклеточный организм, один из основных возбудителей животного трипаносомоза. Три штамма мышей (без полового обозначения), инфицировали T. congolense, затем исследовали печень в течение 17 дней (3,7,9,17 дни) для выявления изменений экспрессии гена (бионабор Е-MEXP-1190).
  • У мышей А/J и Balb/с, но не у мышей штамма C57Bl/6, обнаружили значительнаую феминизация печени по крайней мере в двух из четырех дней проверки.
  • Ehrlichia chaffeensis это облигатные внутриклеточные грамотрицательные бактерии вида Rickettsiales и возбудители моноцитарного эрлихиоза человека. Заражение мышей Scid всеми тремя штаммами chaffeenisis вызывает феминизацию через 15 дней (p-значения = 5.5 Е-7 до 2,7 Е-25).

В итоге, анализ выявил 5 инфекционных агентов, которые модулируют активность STAT5b печени.

  • Тот факт, что инфекционные агенты могут оказывать воздействие на функцию STAT5b печени согласуется с ролью STAT5b в регуляции иммунитета.
  • STAT5b активируется большим количеством цитокинов и играет важнейшую роль в развитии и функции натуральных киллеров.
  • У пациентов, имеющих мутации в гене STAT5B, часто обнаруживают иммунные дисфункции, которые могут привести к тяжелой, угрожающей жизни инфекции и хроническим заболеваниям легких.
  • Липополисахарид (ЛПС) подавляет экспрессию СТГ-индуцированного ИФР-1 путём ингибирования JAK2/STAT5 сигнальной трансдукции и связывания STAT5b с ДНК. Из 9 бионаборов, подвергшихся  воздействию ЛПС, только один (в котором воздействие ЛПС было в течение 20 часов) продемонстрировали феминизацию транскриптома печени (p-значение = 8.3E-5). Значительной маскулинизации не удалось добиться.

Отношения между STAT5b и экспрессией генов компонентов биоактивного ИФР-1

  • Потеря печенью гендерно-специфической экспрессии генов может происходить за счет нарушения ГГП-СТГ оси в нескольких точках.
  • Регулирование размера тела СТГ в основном выполняется за счет активации STAT5b в печени, который, в свою очередь, регулирует транскрипцию гена Igf1 и гена кислотолабильного протеина (ALS кодируется Igfals). ИФР-1 и кислотолабильный протеин формируют трехмерный комплекс вместе с ИФРСБ-3 (Igfbp3), образуя биоактивный ИФР-1 в сыворотке, который способствует клеточному росту и регулирует нейроэндокринные функции. Биоактивный ИФР-1 подавляет секрецию СТГ.
  • Делеция гена Igf1 в печени повышает циркуляцию в крови СТГ в результате утраты ингибирующего механизма обратной связи, регулирующей высвобождение СТГ гипофизом.
  • Аналогичным образом, при нарушении в гене рецептора СТГ (Ghrgene) происходит увеличение уровня СТГ.
  • Исследователи предположили, что бионаборы, в которых снижалась экспрессия биологически активного ИФР-1 или рецептора СТГ в печени также продемонстрируют феминизацию при нарушении секреции СТГ у самцов.

Рассматривая взаимосвязь экспрессии компонентов биоактивного ИФР-1 и функции STAT5b, были исследованы бионаборы для выявления изменений функции STAT5b, в которых экспрессия генов Ghr,Igf1, Igfals, Igfbp3 возрастала или снижалась.

  • Гены Ghr, Igf1, Igfals продемонстрировали схожее соотношениемеждуихуровнями экспрессиииактивацией впечениSTAT5b.
  • Не удивительно, что экспрессия гена Ghr связана с активацией STAT5b, так как Ghr один из генов, участвующий в кодировке STAT5b.
  • Бионаборы, где возросла экспрессия Ghr, Igf1, Igfals, имели тенденцию к маскулинизации транскриптома печени, в то время как при снижении экспрессии данных генов большее число бионаборов привели к феминизации.
  • Напротив, повышение экспрессии Igfbp3 привело к феминизации в большем количестве бионаборов.

Связана ли феминизация в этих бионаборах с повышением уровня циркулирующего СТГ, или нет, остается нерешенным.

В целом, эти результаты предоставляют доказательства того, что изменения в экспрессии генов, которые кодируют компоненты биоактивного ИФР-1 происходят совместно с маскулинизацией или феминизацией транскриптома печени, возможно, путем усиления или нарушения  мужской секреции СТГ.

Идентификация генов, влияющих на функцию STAT5b в печени

Были исследованы генетические изменения, влияющие на функцию STAT5b.

Вначале оценивались мутации в генах, которые воздействовали либо на секрецию СТГ, либо на активность СТГ.Бионаборы включали в себя следующие мутации:

  • отсутсвие секреции СТГ вследствие дефектов диференцировки передней доли гипофиза (Pou1f1 (Pit1), Prop1),
  • снижение синтеза и секреции СТГ гипофизом (Ghrhr),
  • нарушение функции рецептора СТГ.

Все эти мутации привели к карликовости.

Большинство из этих бионаборов привели к значительному подавлению функции STAT5b в печени (т.е. феминизации). В исследовании усечение рецептора СТГ на уровне 391 аминокислоты или делеция домена Box1 (привязка сайта JAK2) рецептора СТГ отменили фосорилирование STAT5b и привели к значительной феминизации (р-значение =10-7 -10- 24). Таким образом, STAT5b биомаркер точно определил мутантных мышей, у которых секреция или действие СТГ были нарушены.

Влияние инактивации генов или их экспрессии на функцию STAT5b в печени мышей были исследованы в 235 бионаборах, включающие 125 генов мыши (см. рисунок выше).

Бионаборы были разделены на:

  • влияющие на самцов,
  • влияющие на самок
  • влияющие на гендерно-неопределенную группу мышей.

Большинство генетических изменений были ассоциированы с феминизацией транскрипптома печени у самцов мышей.

Гены, при дефиците которых феминизировалась печень самцов мышей, включали в себя:

  • гены непосредственно воздействующие на регуляцию СТГ
  • Гены кодирующие ядерные рецепторы (Car,Fxr, Hnf4a, Lxra/Lxrb)
  • другие транскрипционные факторы (Ahr,Hnf1a,Taf10)
  • сигнальные компоненты Nrf2 (Keap1,Nfe2l2)
  • и прочие гены (Ercc1Δ7,Mir122a,Pex5).

Маскулинизация выявилась у мышей дефицитных по генам:

  • нуклеарного рецептора Nr2c2 (также называемого Tak1/TR4)
  • Ppara, Hfe, Lamtor2
  • мышей, гиперэкспрессирующих человеческий LXRA.

По сравнению с самцами, у самок мышей наблюдались незначительные изменения. Примеры генов, которые при инактивации у самок вызывали:

  • маскулинизацию (Nrf1, Pdss2, Ppara, Rxra, Src2)
  • феминизацию (Car, Cftr, Hnf4a,Nfe2l2, P2ry13).

В исследованиях, где не была предоставлена информация о поле животных, выявились другие гены, дефицит которых вызывал:

  • маскулинизацию (E2f7, Mysm1, Tgfb1, Trim24 ,Rxra)
  • феминизацию (Abcb4, Cav1, Dicer1, E2f1/E2f2/E2f3, E2f8, Fah, Cdkn1a, Mdr2,Nr02, Perk, Srf, Ssfa2, Vhl).
  • Гиперэкспрессия Fgf21 , а также обоих Hif1a, Hif2a или только Hif2a вызвало феминизацию.

Несколько генов, идентифицированных в данном исследовании, имеющие влияние на функцию STAT5b печени могут  взаимодействовать с сигнальным путем СТГ. Некоторые из этих генов действуют как отрицательные регуляторы СТГ у интактных мышей и при инактивации вызывают маскулинизации печени:

  • NR2C2 (ядерный рецептор подсемейства 2, группа C, 2 участник), также известный как тестикулярный рецептор 4, TR4, или ТАК1. ТАК1-нулевые мыши демонстрируют высокие показатели ранней постнатальной смертности, а также значительное замедление роста.
  • Уровень ИФР-1 в сыворотке снизился на 34% у ТАК1-нулевых мышей по сравнению с контрольной группой дикого типа; однако, уровни СТГ были нормальными в передней доле гипофиза, последствия отсутствия ТАК-1 на секрецию гормона гипофизом не были исследованы.

Низкий уровень ИФР-1 в сыворотке крови и снижение иммунореактивности ИФР-1 у  ТАК1-дефицитных мышей указывает на то, что дефицит ИФР-1 может способствовать замедлению роста. Годовалые ТАК1-нулевые мыши были защищены от связанного с ожирением воспаления, стеатозапечени и инсулинорезистентности. Феминизация часто наблюдается у мышей при генетически или дието-индуцированном ожирении и/или диабете, и, таким образом, маскулинизация, наблюдающаяся у ТАК1-нулевых мышей, может быть связана с устойчивостью к эффектам феминизации (ожирению/диабету), которые обычно возникают в первый год жизни у мышей дикого типа.

  • Trim24 — транскрипционный фактор,экспрессируется у взрослых самок крыс и мышей в печени в 73 раза больше, чем у самцов. Экспрессия Trim24 в печени регулируется CUX2, высокоспецифичный для самок в печени транскрипционный фактор, который сам регулируется СТГ и зависит от STAT5b. В данном исследовании, маскулинизация наблюдалась в печени Trim24-дефицитных и Rara-гетерозиготных 5-недельных мышей по сравнению с дикими мышами. Р-значение маскулинизации составило = 4е-4.
  • Трансформирующий фактор роста β1 (ТФР-β1) может быть обратным регулятором STAT5b, поскольку тучные клетки продемонстрировали значительное снижение экспрессии STAT5 при воздействии ТФР-β1. Чрезмерная экспрессия STAT5b заблокировала ТФР-β1-опосредованное подавление IgE -индуцированной продукции цитокинов.
  • Маскулинизация, вызванная нуль-мутацией в гене Ppara или в его гетеродимерном партнере Rxra у самцов и самок, согласуется с антагонистическим взаимодействием между PPARα и STAT5b. После воздействия активаторов PPARα, в отличие от маскулинизации при инактивацииPPARα, наблюдалась феминизация транскриптома печени у мышей.
  • При инактивации двух генов, регулирующих экспрессию генов через эпигенетические механизмы, возникла маскулинизация транскриптома печени.Mysm1 регулирует транскрипцию путем координирования ацетилирования и деубиквитинирования гистона, а также дестабилизации связей гистона H1 с нуклеосомами. Mysm1 участвует в транскрипционной регуляции рецептор-зависимой активации гена андрогена. Src2/NCоA-2 является транскрипционным корегулятором,который содержит несколько ядерных рецепторов, взаимодействующих доменов и внутренней ацетилтрансферазной активностью. Src2, в свою очередь, ацетилирует гистоны, которые делают нисходящую спираль ДНК более доступной для транскрипции. Действия СТГ вызывают быстрые и резкие изменения в печеночном хроматине, в том числе ацетилирование гистона в целевых промоторах. Учитывая, что деятельность STAT5b можно модулировать посредством ацетилирования, можно предположить, что потеря генов Mysm1 или Src2 приведёт к потере отрицательного вмешательства в деятельность STAT5b печени.
  • Nr0b2, также известный как короткий гетеродимерный партнер (SHP), является членом ядерных рецепторов и необычен тем, что у него нет домена связывания ДНК. SHP отрицательно регулирует стимуляцию СТГ печеночного глюконеогенеза путем ингибирования STAT5 трансактивации. Исследования иммунопреципитации показали, что SHP физически взаимодействует с STAT5 и ингибирует STAT5 набор генов PEPCK промоутер. Усиление глюконеогенеза в печени после введения СТГ значительно выше в печени Shp -нулевых мышей по сравнению с диким типом мышей.

Гены,  которые при инактивации вызывают феминизацию, могут кодировать положительные регуляторные факторы для активации STAT5b у интактных мышей или приводить к потере сигнала в ГГП-СТГ оси:

  • Dicer1-нулевые мыши продемонстрировали феминизацию в трех бионаборах в двух исследований. Dicer1 имеет решающее значение для биогенеза зрелых микроРНК, которые представляют собой короткие некодирующие РНК, регулирующие экспрессию генов и белков. Хотя нет никакой информации о конкретной роли Dicer1 в регулировании ГГП-СТГ оси или активности STAT5b, Dicer1-дефицитные мыши показали снижение секреции СТГ и других гормонов, а также снижение экспрессии  гена Pou1f1 (Pit1), участвующего в диференцировке передней доли гипофиза.
  • Cdkn1a (внутриклеточный белок-ингибитор циклин-зависимой киназы 1A) в результате его инактивации возникла феминизация транскриптома печени. Хотя эффекты Cdkn1a на STAT5b ранее не исследовали, было показано, что STAT5b отрицательно регулирует пролиферацию клеток при активации Cdkn2b и экспрессии Cdkn1a. Возможно между STAT5b и Cdkn1имеется перекрестная связь.
  • Фактор ответа сыворотки (SRF) — это транскрипционный фактор. По сравнению с контрольными мышами, Srf -дефицитные мыши имели более низкий уровень глюкозы и триглицеридов в крови, были меньше ростом, имели низкий уровень ИФР-1 в сыворотке, дефекты в сигнальной системе СТГ.
  • Ercc1Δ7 мутация привела к снижению экспрессии генов СТГ/пролактин/ТТГ, феминизации.
  • Гиперэкспрессия мышиного фактора роста фибробластов 21 (FGF21) привела к феминизации. FGF21 это гормон, который вырабатывается в печени во время голодания, вызывает различные адаптивные реакции организма на голодание. FGF21-трансгенные мыши продемонстрировали снижение уровня STAT5b и, соответственно, снижение экспрессии STAT5b генов-мишеней, включая ИФР-1. FGF21 также вызывает печеночную экспрессию ИФР-1 связывающего белка 1 и подавляет цитокин 2, который, в свою очередь, притупляет действие СТГ. Хроническое воздействие FGF21 заметно угнетает рост и увеличивает продолжительность жизни у мышей, в первую очередь путем притупления СТГ/ИФР-1-сигнального пути в печени. Таким образом, мыши с гиперэкспрессией FGF21 проявляют фенотипы похожие на мышей с мутацией в СТГ системе.

Феминизация функции STAT5b печени также была связана с мутациями генов фактора транскрипции (AhR,FxrHnf1aHnf4a), которые регулируют метаболизм ксенобиотиков:

  • ИнактивацияAhr приводит к нарушению регуляции печеночных компонентов сигнальной системы СТГ и подавлению целевых генов STAT5bCyp2d9 и Mup2.
  • По сравнению с контрольными мышами дикого типа, карликовые мыши с мутацией в Ghrhr обладают повышенной экспрессией и ДНК-связывающий активностью белка FXR. После стимуляции СТГ уменьшается печеночная экспрессия FXR и специфичных только для самок генов Abcb1a, Fmo3 и Gsta2 как у мышей дикого типа, так и у карликовых. Авторы предполагают, что усиление секреции FXR может сыграть решающую роль в увеличение продолжительности жизни, наблюдаемое у карликовых мышей. Однако эти результаты не объясняют, как дефицит FXR приводит к феминизации.
  • HNF1a является мощным специфичным только для самцов крыс активатором CYP2C11 промотора, гена, подавляющего ингибирующее влияние HNF3ß на функцию STAT5.
  • STAT5b и HNF4a могут совместно регулировать гендерно-специфические печеночные гены с помощью механизмов, которые в первую очередь активны в мужской печени. STAT5b и HNF4a проявляют взаимную перекрестную сигнальную связь.

Результаты влияния химического и гормонального эффектов на STAT5b-регулируемый половой диморфизм танскриптома печени

Гормональная регуляция функции STAT5b в печени мыши

Многие гормоны и цитокины способны влиять на активность STAT5b в различных тканях, однако никто не проводил комплексного скрининга для определения гормонов, которые изменяют функцию STAT5b в клетках печени.

Воздействия дигидротестостерона (ДГТ) и эстрадиола (Е2) изучались либо непосредственно после введения гормона интактным мышам, либо косвенно, после кастрации или овариэктомии.

  • Кастрация самцов привела к снижению экспрессии генов, преобладающих у самцов, и к повышенной экспрессии генов, преобладающих у самок. Такая же картина наблюдалась у некастрированных STAT5b-нулевых самцов мышей по сравнению с интактными самцами дикого типа.
  • Это отображает функцию STAT5b, то есть, при активации STAT5b СТГ у самцов (пульсирующий характер секреции) не только активируются специфичные для самцов гены, но и специфичные для женского пола гены подавляют свою экспрессию. Данный пример показывает обратную картину: что происходит при отсутствии тестостерона или STAT5b.
  • В соответствии с этими эффектами, мужской паттерн экспрессии генов был почти полностью восстановлен у кастрированных самцов мышей, принимавших ДГТ.
  • Экспрессия генов существенно не изменилась после овариэктомии или когда самкам мышей с овариэктомией давали Е2. При воздействии ДГТ на интактных самок мышей повышалась экспрессия генов специфичных для самцов, однако ни у одного самца не было такого же эффекта при воздействии на них Е2.
  • Подводя итоги, эти сравнения показали что STAT5b играет важную роль в определении андроген-зависимой экспрессии генов в печени мышей.

Влияние гипофизэктомии (Hypox) и физиологической замены СТГ на гены-биомаркерыSTAT5b. РНК выделяли из печени взрослых мышей:

  • интактных самцов и интактных самок;
  • самцов Hypox и самок Hypox;
  • самцов Hypox и самок Hypox, которым дали 1 инъекцию СТГ и убили на 30 или 90 мин;
  • самцов Hypox и самок Hypox мышей, которым ввели 2 инъекции СТГ с промежутками 4 ч друг от друга, и убили по истечению 30 мин после второй инъекции СТГ (4.5 ч после первоначального введения СТГ).

Как и ожидалось, бионаборы интактных самцов и самок показали высокий уровень совпадения с биомаркером STAT5b.

  • В бионаборе самца Hypox в сравнении с самкой Hypox показал значительное снижение экспрессии в биомаркереSTAT5b, но удивительно, что снижение экспрессии не достигло нуля (-log(p-значение)).
  • Как и прикастрация, гипофизэктомия у самцов (сравнение Hypox самцов и интактных самцов) привела к подавлению экспрессии андроген-специфичных генов и активации генов, специфичных для самок.
  • Воздействие СТГ в течение 4,5 ч на  Hypox самцов привело к частичному восстановлению мужского паттерна экспрессии генов, в сравнении с 30 или 90 минутным воздействием.
  • В отличие от этого, ни гипофизэктомия у самок (сравнение Hypox самок и интактных самок), ни воздействие СТГ на самок Hypox не оказали существенного воздействия на функцию STAT5b печени. В целом, эти результаты согласуются с известными эффектами СТГ на деятельность STAT5b печени у взрослых самцов мышей.
  • Исследователи выяснили, что несмотря на стерилизацию и гипофизэктомия у мышей, из 144 генов-биомаркеров, 25 генов (10-положительно регулирующих и  15-отрицательно) продемонстрировали стойкую, неизменную генедрно-специфическую экспрессию генов. Во всех случаях степень половых различий значительно уменьшилась по сравнению с биомаркером, указывая на то, что тестостерон и гормон роста оказывают преобладающее влияние на их гендерно-специфическую экспрессию. Предположительно, остаточная гендерная специфика этих генов в отсутствии половых гормонов, СТГ и других гипофизарных гормонов может быть проявлением воздействия гендерно-зависимых факторов регуляции, закодированных в X- и Y-хромосомах.
  • В дополнение к “ре-маскулинизации” кастрированных мышей дигидротестостероном (описано выше), у небольшого подмножества STAT5b биомаркерных генов маскулинизация наблюдалась у самцов с гипотиреозом, подвергавшихся терапией Т3 (1 мг/кг) в течение 24 ч  или у 15-дневных эутиреодных мышей неизвестного пола, получающих Т3/Т4 (50 мкг Т4 + 5 мкг Т3 на 100 г массы тела) в течение 4 ч.
  • Есть молекулярные доказательства отношения между STAT5b и рецептором тиреоидных гормонов- β1 (TRß1); модели in vitro показали, что взаимодействия между ними взаимно антагонистичны. Другие исследования показали положительное взаимодействие между Т4 и СТГ-активируемым STAT5 в культуре фибробластов кожи человека.
  • Т3 регулирует функции клеток Сертоли и Лейдига, путем увеличения секреции рецепторов ЛГ на клетках Лейдига и уровням РНК стероидогенных ферментов и регуляторов, в том числе стероидогенный острый регуляторный белок (StAR).Т3 стимулирует базальную и ЛГ-индуцированную секрецию прогестерона, тестостерона и Е2 клетками Лейдига. Таким образом Т3 и Т3-миметики могут выступать в качестве маскулинизирующих факторов путем увеличения производства и секреции тестостерона.

Печень мышей-самцов была частично феминизирована после воздействия на нее преднизолоном (1 мг/кг) в течение 2,5 ч у мышей дикого типа.

У самцов мышей, которым провели адреналэктомию, по окончанию 6 часов после инъекции дексаметазона (1 мг/кг) наблюдалась феминизация транскриптома печени. Молекулярное основание этой частичной феминизации не известно, но можно предположить два взаимодополняющих механизма.

  • Во-первых, феминизация может возникнуть в результате прямого ингибирования активности STAT5b СТГ. STAT5b и СТГ взаимодействуют напрямую через амино-конец STAT5b АФ-1 домен СТГ. Дексаметазон-активированный СТГ взаимодействует с пролактин-стимулируемым STAT5b увеличивая экспрессию гена β-казеина в эпителиальных клетках. Хотя ген β-казеина мишень для положительных взаимодействий между STAT5b и СТГ, исследователи предполагают, что СТГ в какой-то специфичной клетке — или гене может подавлять STAT5b регуляцию генов-биомаркеров.
  • Во-вторых, феминизация может произойти через регулирование и снижение количества компонентов JAK-STAT5b сигнальной системы после воздействия агонистов СТГ. В первичных Т-клетках дексаметазон ингибирует ИЛ-2-индуцированное связывания ДНК в STAT, фосфорилирование тирозина и ядерную транслокацию. Механизм ингибирования участвует в супрессиирецептора ИЛ-2 и экспрессии генов Jak3.

Феминизация самцов мышей также наблюдалась после введения мышам дикого типа мышиного фактора роста фибробластов 15 (FGF15) (0.15 мкг/г) в течение 6 ч (GSE29426). Мышиный FGF15 выделяется из тонкой кишки в ответ на кормление и влияет на энергетический гомеостаз, увеличение его уровня циркулирующего в крови приводят к подавлению глюконеогенеза в печени [47]. У Fgf15-нулевых мышей уменьшенное количество депо гликогена в печени и непереносимость глюкозы [48].

Воздействие ангиотензинаII привело к частичной феминизации у мышей без полового обозначения. Ангиотензин II активирует STAT5b в кардиомиоцитах через систему JAK2 и в гладкомышечных клетках сосудов.

Коррекция феминизации лептином и ресвератролом у мышей с ожирением и СД

Маскулинизация наблюдалась у взрослых лептин-дефектных ob/ob мышей после воздействия на них лептином в течение 12 дней. Есть данные, что лептин как таковой не вызывает маскулинизации, а вызывает “ре-маскулинизацию” ранее феминизированных лептин-дефицитных ob/ob мышей, которые страдают ожирением и сахарным диабетом.

Гипотеза “ре-маскулинизации” ранее феминизированного транскриптома печени согласуется с рядом высказываний.

  • Во-первых, мыши, страдающие ожирением и/или сахарным диабетом, у которых есть метаболические расстройства, продемонстрировали феминизацию транскриптома печени.
  • Из 23 бионаборов 8 показали феминизацию у мышей, страдающих ожирением или сахарным диабетом, по сравнению с нормальными мышами, маскулинизация не наблюдалась в этих бионаборах. В 93 бионаборах от мышей, которых кормили высококалорийной пищей, большинство бионаборов продемонстрировали феминизацию(18), чем маскулинизацию(6) транскриптома печени.
  • В целом, высокое содержанием жира в пище, ожирение, метаболический синдром, и сахарный диабет неизменно ассоциируются с феминизацией STAT5b функции печени. Данные результаты напоминают печень, где удален локус Stat5a/Stat5b, что приводит к стеатозу печени, снижению толерантности к глюкозе, инсулинорезистентности и ожирению.
  • Во-вторых, лептин корректирует нарушения ob/ob мышей, приводящие к феминизации. Лептин в дозе 12,5 мкг/ч значительно снижает уровень глюкозы в крови, при дозе 25 мкг/ч нормализует уровень глюкозы и инсулина без существенного снижения массы тела, установлено, что лептин оказывает наиболее мощное влияние на метаболизм глюкозы  параллельно с маскулинизацией STAT5b функции печени.
  • Лептин может активировать STAT5b в печени крыс. Воздействие лептином на панкреатические бета-клетки у крыс приводит к JAK2-зависимому фосфорилированию STAT5b, а также STAT5b ядерной транслокации и связыванию ДНК.
  • В дугообразном ядре гипоталамуса у мышей лептин стимулирует фосфорилирование STAT5.

Исследователи обнаружили, что ресвератрол или его производные SRT1720 вызывают аналогичные лептину эффекты: нормализуют уровень глюкозы, приводят к маскулинизации мышей с СД и ожирением.

В совокупности, сахарный диабет, ассоциированный с ожирением, приводит к феминизации транскриптома печени, тогда как коррекция его лептином или ресвератролом приводит к ре-маскулинизации.

Большинство химических веществ, вызвавших феминизацию, кроме того активируют рецепторы ксенобиотиков.

Предварительная экспертиза химических веществ, вызвавших феминизацию,показала, что многие из них являются химическими активаторами ксенохимических рецепторов AhR, CAR или PPARα.

  • Ученые сравнивали химические вещества, активирующие/подавляющие функцию STAT5b, а также активирующие/подавляющие AhR, CAR или PPARα.
  • Исследование показывает, что многие химические вещества, которые феминизировали транскриптом печени мышей-самцов, ассоциированы со значительной активацией CAR или PPARα. Меньшее количество бионаборов от химически обработанных самок мышей привели к феминизации/подавлению функции STAT5b, совпадающие с активацией CAR.
  • Совместное явление феминизации и активации рецепторов ксенобиотиков было частым событием. Из 46 бионаборов, которые были феминизированы путем химического воздействия у самцов, или 10 бионаборов, феминизировавших самок, 93% из бионаборов самцов и 80% самок продемонстрировали также активацию рецепторов AhR, CAR или PPARα.
  • При сравнении активации/супрессии функции STAT5b с активацией/супрессией трех рецепторов в печени самцов мышей выяснилось, что химическое вещества, значительно активирующие рецепторы CAR и PPARα, способны чаще вызывать феминизацию транскриптома печени.
  • Малое количество химических соединений вызывают феминизацию с совместной супрессиейAhR (фенобарбитал, безафибрат, прегненолон-16 альфа-карбонитрил, миклобутанил) или супрессией активности рецептора CAR (WY-14,643).
  • Химические вещества, которые феминизируют печень у мышей-самцов, но не активировуют или подавляют любой из трех рецепторов: 24-норурсодезоксихолевая кислота, глюкуроновая и себациновая кислоты.

Феминизация, связанная с повышенной экспрессией PPARγ

Увеличение частоты стеатоза печени у STAT5b-дефицитных мышей, предполагается, происходит вследствие активации транскрипционных факторов, которые регулируют гомеостаз холестерина и триглицеридов.

Были исследованы взаимоотношения между  активностью функции STAT5b и экспрессией липогенных транскрипционных регуляторов, которые ранее были исследованы у STAT5a/b- дефицитных и STAT5b-дефицитных мышей, чтобы выявить связь между функцией STAT5b и увеличением частоты стеатоза печени, в особенности  PpargSrebp1Srebp2Lxra, и  Lxrb.

  • Для бионаборов, в которых произошла маскулинизация функции STAT5b печени (т. е., повышение активности STAT5b), примерно равное количество бионаборов проявили увеличение/ уменьшение экспрессии Pparg.
  • В противоположность этому, 87% бионаборов (60 из 69), что продемонстрировавших феминизацию функции STAT5b (т.е. снижение активности STAT5b) показали увеличение экспрессии Pparg, снижение экспрессии Srebp1иLxra.
  • Большое количество бионаборов, продемонстрировавших маскулинизацию функции STAT5b, вызывали снижение экспрессии Srebp2, чем увеличение.

В итоге:

  • факторы (бионаборы), связанные с повышением активности (маскулинизации) функции STAT5b, имеют тенденцию к снижению экспрессии Srebp2,
  • факторы (бионаборы), связанные со снижением активности функции (феминизации) STAT5b имеют тенденцию к увеличению экспрессии Pparg и снижению экспрессии Lxra и Srebp1.

Заключение

Основанный на биомаркерах подход, который оценивает состояние активации STAT5b в печени мыши, был использован для выявления различных факторов, которые нарушают процессы гипоталамо-гипофизарно-печеночной (ГГП)- СТГ оси.

Биомаркер, разработанный в этом исследовании, для определения нарушения функции STAT5b печени, наиболее полезен для выявления факторов, которые влияют на STAT5b в печени, но не в других тканях.

STAT5b гены-биомаркеры легко выявили бионаборы, от которых ожидались изменения функции печени STAT5b печени.

  • Туда вошли бионаборы, где наблюдалась маскулинизация транскриптома печени у самцов мышей в период созревания (~30-дневный возраст), феминизация транскриптома печени в процессе старения самцов.
  • Бионаборы, показали, что кастрация нарушает, а инъекции тестостерона восстанавливают мужской-специфический паттерн активации STAT5b печени. Согласно этим выводам, нарушение в гене рецептора андрогена приводит к феминизации экспрессии генов печени.
  • Бионаборы, продемонстрировали повышение функции STAT5b печени (маскулинизации экспрессия генов печени), индуцированного воздействием ДГТ у кастрированных самцов и интактных самок мышей, а также существенное снижение функции STAT5b (утрата полового различия) при отсутствии СТГ и других гормонов гипофиза после гипофизэктомии.
  • Исследователи обнаружили новые эффекты Т3 и лептина ведущие к маскулинизации и эффекты агонистов рецепторов глюкокортикоидов и ангиотензина II ведущие к феминизации функции STAT5 печени; эти данные требуют дальнейших исследований для определения молекулярной базы этих эффектов.
  • Феминизация наблюдалась также у мутантных мышей, у которых синтез и секреция СТГ (GhrhrPit1Pou1f1) или рецептор СТГ в печени (Ghr) были нарушены.
  • Бионаборы от голодавших мышей также продемонстрировали феминизацию транскриптома печени, что согласуется с наблюдаемыми эффектами голодания на секретирование СТГ, в том числе в количественном снижении дозы импульса СТГ, снижением пульсационного и общей секреции гормона, и увеличении неравномерного импульса секреции СТГ.

Таким образом, гены-биомаркеры STAT5b являются полезным инструментом для определения интегративного воздействия различных факторов путем нарушения на одном или нескольких уровнях ГГП-СТГ оси.

Сравнение STAT5b генов-биомаркеров со сборником генов в бионаборах печени показало, что нарушение ГГП-СТГ оси, при оценке изменений экспрессии STAT5b гендерно-зависимых генах, является относительно обычным явлением в печени мыши.

Печень мышей-самцов особенно чувствительна к веществам, вызывающим феминизацию. У самцов, из 496 бионаборов, ~29% были феминизированы, а только ~5% подверглись маскулинизации.

У самок, 174 бионабора были почти равномерно распределены между теми, которые были маскулинизированы (~11%) или подверглись феминизации (~13%).

Факторы, которые нарушили регулирование STAT5b и явились причиной феминизации, включают в себя: голодание, ограничение калорийности пищи, синтетические триглицериды, инфекции (Trypanosoma congolenseEhrlichia chaffeensis). Три инфекционных агента вызвали маскулинизацию (Francisella tularensisCoxiella burnetiiYersinia pestis).

Выяснилось, что генетические изменения 70 генов (т. е. нуль-аллели или из гиперэкспрессия) способствовали изменению функции STAT5b печени.

Эти гены включают в себя:

  • гены участвующие в секреции или регулировании СТГ (описано выше),
  • а также ядерные рецепторы (CarFxrHnf4aLxra/LxrbNr0b2Nr2c2PparaRxra),
  • другие факторы транскрипции (AhrE2f1/E2f2/E2f3E2f8Hnf1aNrf1Src2SrfTaf10Trim24),
  • nrf2 сигнальные компоненты (Keap1,Nfe2l2),
  • и другие гены (Abcb4Cav1Cdkn1aCftrDicer1Ercc1Δ7FahHfeLamtor2Mdr2Mir122aMysm1P2ry13Pdss2Perk,Pex5Ssfa2Tgfb1Vhl).

Из 156 бионаборов химически обработанных мышей-самцов, 29% показали значительное подавление (т.е.феминизацию) функции STAT5b печени.

Только один химический агент вызвал маскулинизацию транскриптома печени у самцов мышей – агонист рецептора тиреоидного гормона — GC-1.

93% бионаборов, продемонстрировавших феминизацию печени у самцов, также были связаны с активацией одного или нескольких ксенобиотик-чувствительных рецепторов CAR, PPARα, и реже AhR.

Учитывая отношения между подавлением функции STAT5b и стеатозом печени, можно предположить, что воздействие многих химических агентов может привести к жировой дистрофии печени. Фактически, ряд химических веществ, которые активируют один или несколько из перечисленных рецепторов ксенобиотиков нарушают липидный гомеостаза и вызывают стеатоз. Эти химические вещества включают агонист лиганда AhRTCDD и перфторированные химические вещества.

В данном исследовании также оценивалась связь между феминизацией функции STAT5b и изменением липогенных факторов транскрипции.

  • С феминизацией печени самцов была ассоциирована повышенная экспрессия Pparg, а не других липогенных факторов транскрипции.
  • 87% бионаборов, продемонстрировавших феминизацию(снижение) функции STAT5b, также показали повышенную экспрессию Pparg. В отличие от этого, феминизация вызвала снижение экспрессии Srebp1 и Lxra.

Химико-индуцированная феминизация печени может возникать при нарушении на одном или нескольких уровнях ГГП-СТГ оси:

  • В одной ситуации, взаимный антагонизм может происходить непосредственно в печени через физическое взаимодействие между STAT5b и рецепторами ксенобиотиков или факторами транскрипции. Косвенным доказательством антагонизма является действие генов, ко-регулируемых PPARα и STAT5b, которое при отсутствии одного из транскрипционных факторов приводит к повышению экспрессии генов, регулируемых другим.
  • Во второй ситуации, снижение функции STAT5b печени (феминизация) может произойти путем изменения количества циркулирующих гормонов, влияющих на секрецию СТГ гипофизом. Воздействие эстрадиолом (E2) на самцов мышей или крыс привело к снижению экспрессии мужских специфических генов, а воздействие E2 на неонатально кастрированных самцов мышей приводит к индукции специфичных только для самок ферментов печени.
  • Феминизация может также произойти в результате снижения уровня тестостерона, что наблюдалось после кастрации мышей.
  • CAR регулирует ряд Cyp генов, которые метаболизируют тестостерон догидроксилированных метаболитов. Уровни тестостерона в сыворотке крови у CAR-дефицитных самцов мышей в 2,5 раза выше, чем у мышей дикого типа, что совпадает с уменьшением Cyp2b9 и Cyp2b10 в печени.
  • Наконец, феминизация может происходить при увеличении циркуляции глюкозы или триглицеридов в крови, уровень которых повышается под действием СТГ, а они в свою очередь снижают секрецию СТГ посредством обратной отрицательной связи. В ситуации сахарного диабета и ожирения, где уровень глюкозы в крови повышен, исследователи постоянно наблюдали феминизацию (снижение) функции STAT5b печени.
  • По меньшей мере, частично удалось уменьшить феминизацию транскриптома печени лептином или ресвератролом.

Таким образом, исследователи предполагают, что в некоторых случаях результаты воздействия химических агентов повышающих уровень глюкозы и жирных кислот в крови, ингибируют секрецию СТГ в ГГП-СТГ оси посредством обратной отрицательной связи.

Источник:

  1. Oshida K, Vasani N, Waxman DJ, Corton JC. Disruption of STAT5b-Regulated Sexual Dimorphism of the Liver Transcriptome by Diverse Factors Is a Common Event. Singh PK, ed. PLoS ONE. 2016;11(3):e0148308. doi:10.1371/journal.pone.0148308.
  2. Oshida K, Waxman DJ, Corton JC. Chemical and Hormonal Effects on STAT5b-Dependent Sexual Dimorphism of the Liver Transcriptome. Singh PK, ed. PLoS ONE. 2016;11(3):e0150284. doi:10.1371/journal.pone.0150284.

Tags: , , , , ,

Добавить комментарий