Immunhistochemische Analyse der Leptin-induzierten Transkriptionsfaktoren STAT3 und STAT5 im Gehirn der Ratte
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Zusammenfassung
Leptin greift in die Regulation der Nahrungsaufnahme und der Energie-Homöostase sowie bei der Modulation vieler anderer neuroendokriner Mechanismen hauptsächlich über den Hypothalamus ein. Hier werden Leptin-induzierte Effekte über den JAK-STAT-Signalweg, besonders über eine Aktivierung des STAT3-Transkriptionsfaktors, vermittelt. In vielen peripheren Geweben ist Leptin ebenfalls in der Lage, eine nukleäre STAT5-Translokation auszulösen. Im Rahmen dieser Arbeit sollte untersucht werden, welche Strukturen im Gehirn der Ratte, besonders in hypothalamischen Kerngebieten, eine Leptin-Wirkung über den JAK-STAT-Signalweg vermitteln. Ausschlaggebend für eine Kartierung funktioneller Leptin-Zielstrukturen ist die Detektion einer nukleären STAT-Translokation in Zellen des Gehirns. Zu diesem Zweck wurden Studien an zwei in vivo-Modellen an Ratten durchgeführt. Zum einen wurde Leptin zentral (i.c.v., 3,5µg/Tier) zur Detektion von Leptin-induzierten nukleären STAT5-Faktoren und zum anderen systemisch (i.p., 5mg/kg KM) zur Detektion von Leptin-induzierten nukleären STAT3- bzw. STAT5-Faktoren appliziert. Die Detektion dieser nukleären STAT3- bzw. STAT5-Signale erfolgte mittels immunhistochemischen Analyse-Verfahren. Die Phänotypen Leptin-responsiver Zellen im Gehirn der Ratte wurden zusätzlich bestimmt. Durch Kolokalisationsstudien mittels einer Detektion der STAT3- bzw. STAT5-Faktoren und der DAPI-Kernfärbung konnte ein eindeutiger nukleärer Ursprung der Signale nachgewiesen werden. Unter dem Einsatz von zellspezifischen Marker-Proteinen (NeuN für Neurone, vW-Faktor für Endothelzellen und GFAP für Astrozyten) konnten dann die nukleären STAT3- bzw. STAT5-Signale bestimmten Zellphänotypen zugeordnet werden. Nach systemischer Leptingabe traten nukleäre STAT3-Signale am intensivsten und häufigsten zum Zeitpunkt 90min post injectionem auf. Sie waren im caudobasalen Hypothalamus vor allem im Nucleus arcuatus (ARC, medialer und lateraler Subkern), Nucleus hypothalamicus ventromedialis (VMH, dorsomedialer Subkern), Nucleus hypothalamicus dorsomedialis (DMH, ventraler Subkern), Nucleus praemamillaris ventralis (PMV), in der Area retrochiasmatica (RCH) und der Area periarcuata (PAA) vertreten. Außerhalb des Hypothalamus konnten Leptin-induzierte nukleäre STAT3-Signale sowohl in dem im Hirnstamm lokalisierten Nucleus tractus solitarius (Sol) als auch in Blutgefäßen im gesamten Gehirn und im Plexus choroideus (PC) beider Vl detektiert werden. Mittels der Kolokalisationsstudien konnte zum ersten Mal die Leptin-induzierte nukleäre STAT3-Translokation klar in Neuronen, Endothelzellen und Zellen des PC nachgewiesen werden. Somit spielen außer Neurone auch andere nicht-neuronale Zellphänotypen eine funktionelle Rolle bei der Signalübermittlung des Fettgewebehormons Leptin. Ebenfalls erstmals konnte gezeigt werden, dass Leptin neben einer Aktivierung von STAT3 im Hypothalamus auch eine nukleäre STAT5-Translokation induzieren kann. Das Antwortverhalten auf die Leptingabe hin fiel jedoch von Einzeltier zu Einzeltier sehr heterogen aus. So fiel auf, dass nach zentraler Gabe, außer im Nucleus supraopticus (SO), kaum ein Unterschied zwischen Leptin-stimulierten und NaCl-behandelten Tieren nachzuweisen war. 30min nach der Stimulation traten geringfügig mehr Leptin-induzierte nukleäre STAT5-Signale im hypothalamischen Nucleus paraventricularis (PaV), Nucleus periventricularis (Pe), PMV und im Nucleus praeopticus magnocellularis (MCPO) als bei den Kontrolltieren auf. Im Gegensatz dazu waren nach der systemischen Stimulation mit Leptin 120min post injectionem (in der RCH und in Ependymzellen des VIII nach 150min) die Dichte und Intensität der induzierten nukleären STAT5-Signale deutlich stärker als bei den Kontrolltieren. Hier reagierten besonders der ARC (nicht nur der mediale und laterale, sondern auch in geringem Umfang der dorsale Subkern), PMV, SO, TM, und die RCH mit einer Leptin-induzierten nukleären STAT5-Translokation. Kolokalisationsstudien mit NeuN und anschließender quantitativer Bestimmung zeigten, dass der neuronale Anteil STAT5-positiver Zellen in diesen hypothalamischen Kerngebieten mit über 90% (außer im ARC mit ca. 80%) sehr hoch war. Neben diesen STAT5-positiven Neuronen konnten zumindest im ARC auch vereinzelte STAT5-positive Astrozyten identifiziert werden. Ein dritter Phänotyp Leptin-responsiver Zellen, die mit einer STAT5-Translokation reagierten, waren Zellen des Ependyms des VIII. Für diesen Zelltyp konnte ein neuronaler und astrozytärer Ursprung ausgeschlossen werden.Um eine Beteiligung anderer Zytokine bei der Induktion der JAK-STAT-Kaskade auszuschließen, wurden Plasma-IL-6- und -TNF-Werte gemessen. Weder für IL-6 noch für TNF konnte eine über den basalen Wert erhöhte Konzentration gemessen werden. Hingegen waren bei allen Tieren die Plasma-Leptin-Konzentrationen um mindestens das 45fache höher gegenüber den Werten der vergleichbaren Kontrolltiere. Als Schlussfolgerung ergibt sich, dass Leptin im Hypothalamus der Ratte seine Effekte über eine Aktivierung von STAT3 und STAT5 vermitteln kann. Für jeden dieser beiden Transkriptionsfaktoren gibt es ein spezifisches Verteilungsmuster funktionell aktivierter Zellen. Die Wirkung von Leptin im Gehirn der Ratte ist nicht nur auf Neurone beschränkt, sondern erstreckt sich auch auf Astrozyten, Endothelzellen, Zellen des PC der Vl und des Ependyms des VIII.Verknüpfung zu Publikationen oder weiteren Datensätzen
Beschreibung
Anmerkungen
Erstpublikation in
Wettenberg : VVB Laufersweiler 2005