Projecto Tuturial Licenciatura em Bioquímica Hormona de crescimento GH e a regulação da sua expressão pelo factor de transcrição Pit-1 Eva Cristina de Andrade Dias 1º Ano Ano Lectivo 2005/2006
Índice Introdução 2 Glândula pituitária e produção hormonal 2 A hormona do crescimento GH (somatotrofina) 6 Papel de GH 7 Mecanismo de acção da somatotrofina 8 Factores de transcrição e regulação da expressão de GH 9 O factor de transcrição Pit-1 10 Mutações em pit1 e doenças associadas 11 Diagnóstico e terapias 13 Conclusão 13 Referências bibliográficas 14 2
Introdução O crescimento é uma propriedade inerente da vida. Necessita-se de uma série de factores, tanto hormonais, metabólicos, genéticos como ambientais para o sucesso de um bom desenvolvimento. Com este trabalho pretende-se fazer um estudo bibliográfico sobre a hormona de crescimento GH (Growth Hormone) da glândula pituitária, o seu papel durante o desenvolvimento, e regulação da sua síntese pelos factores de transcrição, com especial destaque para o factor de transcrição pit1. Glândula pituitária e produção hormonal É no nosso cérebro que se dá a secreção de muitas hormonas necessárias para que o nosso organismo funcione bem, tanto corporal como intelectualmente. É a hipófise, uma glândula do tamanho de uma ervilha e que pesa cerca de 600mg, que controla as demais glândulas. Esta localiza-se no cérebro, onde existe um osso chamado esfenóide, que a aloja na sela turca (ver figura 1). Fig.1 localização da hipófise 3
Fig.2 mecanismo entre o complexo hipotálamo-hipofise A hipófise (também chamada de glândula pituitária) possui três zonas anatómicas e funcionais distintas: 1) Lóbulo anterior (adenohipófise) A adenohipófise é composta por células endócrinas, regulada por estímulos oriundos do hipotálamo, que são veiculados no sangue porta hipofisária. Estes estímulos tanto 4
podem ser de libertação como de inibição e correspondem a factores segregados junto do hipotálamo pelos terminais axonais, após estimulação neuronal. Daqui, passam para a artéria hipofisária superior, depois para as veias portais longas e finalmente para a adenohipófise. Pode-se então dizer que genericamente há uma combinação de funções dos estímulos de origem hipotalâmica e endócrina. Possui seis tipos de células hormono-produtoras principais que respondem a neuropéptidos libertados do núcleo hipotalâmico levados ao lobo anterior pelo portal sistema circulatório. Produz seis hormonas (ver figura 2 e 3): Duas hormonas somatotróficas: Prolactina (PRL), que estimula o desenvolvimento mamário e a produção de leite; Growth Hormone (GH), ou somatotrofina. Assegura o crescimento durante a infância; actua no metabolismo de gorduras, proteínas e hidratos de carbono; Três Hormonas glicoproteicas: Hormona folículo-estimulante (FHS), que estimula o desenvolvimento das características sexuais secundárias masculinas, como a gravidade da voz, o crescimento do pêlo facial e a maturação do pénis. Crianças com falta desta hormona não desenvolvem estas características. Outro sintoma desta carência hormonal é os braços e as pernas anormalmente compridos Hormona luteinizante (LH), que regula a produção e libertação de estrogéneo e progesterona pelos ovários e testosterona pelos testículos; Hormona tireoestimulante (TSH), estimula a tiroide e a formação de tiroxina; 1 Hormona derivada da pré-opio-melanicortina Hormona adrenocorticotrófica (ACTH), aumenta a síntese e secreção de esteróides supra-renais. 5
Fig.3 Locais de actuação das várias hormonas segregadas pela hipófise. 2) O lóbulo posterior (neurohipófise) A neurohipófise é embriologicamente e anatomicamente ligada ao hipotálamo. Neurónios no hipotálamo projectam directamente à neurohipófise 100 000 axónios, formando o nervo hipofisal. Esta glândula é assim formada por axónios e términos de nervo de neurónios do hipotálamo. Por excitação eléctrica são libertadas hormonas armazenadas nos términos para a circulação geral. A neurohipófise liberta: Vasopressina ou hormona antidiurética (ADH), que acelera a reabsorção de água ao nível dos túbulos distais, o que resulta na eliminação de urina mais concentrada (acção anti-diurética sobre os túbulos dos rins, isto é, faz com que estes retenham água). A ADH também estimula a contracção dos músculos lisos; Oxitocina (OT), que determina a contracção da musculatura lisa do útero e de células mioepiteliais da mama, fazendo com que haja expulsão de leite previamente formado por actuação da prolactina. O principal estimulo para a libertação da oxitocina é a sucção da mama. 6
3) Lóbulo intermédio Estimuladora de melanócitos ou intermedina (MSH), que regula a estimulação dos pigmentos. Mas a hipófise não funciona sozinha, necessita que lhe sejam enviadas informações através de varias hormonas vindas do hipotálamo (ver tabela1). Assim se forma o complexo hipotalamo hipófisário, um dos componentes mais complexos do sistema endócrino, responsável pela secreção de várias hormonas no nosso organismo. Hormona Acção TRH Aumenta a libertação de TSH e PRL GnRH Aumenta a libertação de LH e FSH GHRH Aumenta a libertação de GH CRH e β endorfinas Aumenta a libertação de ACTH β e γ- lipotrofinas Somatostatina (GHIH) Inibe a libertação de GH, PRL e TSH Dopamina (PIF-Factor inibidor da Inibe a libertação de PRL prolactina) PRF (factor libertador da prolactina) Aumenta a libertação da prolactina Tabela1 Hormonas libertadas pelo hipotálamo e suas acções O hipotálamo tem um papel crucial na regulação da função hipofisária: capta múltiplos sinais neurais, vindos do tálamo, do sistema reticular da activação ascendente, do sistema límbico (amígdala, hipocampo), da retina, do neocórtex, etc. Também controla a função hipofisária e administra muitos outros aspectos, de forma coordenada, através dos seus núcleos: a sede, o apetite, a regulação da temperatura, a função do sistema nervoso autónomo e muito mais. A hormona do crescimento GH, ou somatotrofina GHRH é um factor estimulante da libertação de somatotrofina e a somatostatina é a hormona inibidora da somatotrofina. A fixação ao receptor activa a adenil-cíclase, 7
elevando os níveis de AMPc e Ca2+ e, subsequentemente, a libertação e síntese da somatotrofina (GH hormona de crescimento). Inicialmente, a somatotrofina foi descrita como um factor hipotalâmico, mas hoje sabese que existe também no pâncreas e no tracto gastrointestinal. Os seus receptores pertencem à família dos receptores associados a proteínas G e, da fixação do ligando, resulta uma inibição da cíclase do adenilato e de canais de Ca2+ dependentes da voltagem, e uma activação de canais de K+; acções que resultam numa alteração do tempo e amplitude dos pulsos de libertação, mas não parecem afectar a síntese da hormona. Na exposição simultânea ao GHRH e à somatostatina, prevalece a acção desta última, sendo inibida a libertação da hormona de crescimento. Entre os respectivos neurónios produtores há junções com grande atraso sináptico que justifica uma relativa latência entre o pico de GHRH e o de somatostatina que, por sua vez vai inibir o primeiro. Recentemente, tem-se reconhecido a importância de estímulos alternativos ao GHRH, que poderão ser responsáveis por 50%, ou mais, da actividade libertadora de somatotrofina; por exemplo, a grelina é uma hormona peptídica acilada, produzida no estômago, com actividade libertadora de somatotrofina a nível hipofisário, actuando em receptores específicos, os GHSR (receptores de secretagogos da hormona de crescimento). A somatotrofina estimula directa ou indirectamente o crescimento e desenvolvimento corporais, e intervém no metabolismo de glícidos, prótidos e lípidos. Os somatotrófos representam 40 a 50% da adenohipófise, sendo a somatotrofina a mais abundante das hormonas da adenohipófise. Papel de GH GH é produzido e secretado pelos somatotrofos, tem função primária de promover o crescimento linear. A maioria de suas acções é mediada por uma proteína sintetizada no fígado, a IGF1 Secreção regulada por dois factores hipotalâmicos: GHRH e somatostatina, a hormona inibidora da produção de GH. O IGH1 é sintetizado principalmente no fígado, sob estímulo do GH. -Circula no plasma ligado a proteínas carreadoras, cuja função é regular a sua disponibilidade para os tecidos-alvo. -As principais funções do GH relaciona-se com crescimento linear e regulação de processos metabólicos como balanço nitrogenado positivo, lipólise e inibição da captação da glicose. 8
Mecanismos de Acção da Somatotrofina: Para a maioria dos seus efeitos é necessária a produção de um conjunto de hormonas peptídicas intermediárias, agrupáveis como família das somatomedinas (substâncias que possuem capacidade de elevar a captação de sulfato marcado no ácido condroitinsulfurico da cartilagem), ou factores de crescimento semelhantes à insulina. As somatomedinas estão estruturalmente relacionadas com a pro-insulina. As duas somatomedinas que foram descritas são o IGF-1 (somatomedina C) e o IGF-2 (somatomedina A). São produzidas predominantemente no fígado, em resposta à hormona de crescimento e apenas na presença desta. Ao contrário da somatotrofina, que tem variações marcadas e rápidas no plasma, os seus níveis são relativamente estáveis, não sofrendo alterações com pequenos episódios de stress, como a hipoglicemia. Circulam ligadas a vários tipos de proteínas transportadoras, cuja síntese é modulada por várias hormonas. Provavelmente, a variação nestes tipos de proteínas condiciona a passagem para as células alvo, a partir da circulação, em diferentes situações fisiológicas. O IGF-2 no plasma tem concentrações 3 ou 4 vezes superiores que o IGF-1, mas é este último o principal mediador das acções da hormona de crescimento, sendo mais dependente da somatotrofina e actuando mais como factor de crescimento. As acções promotoras do crescimento dependem, em larga medida, do IGF-1, o que se comprova experimentalmente, verificando que, in vitro, evoca respostas típicas da somatotrofina em vários tecidos: cartilagem, músculo, tecido adiposo, fibroblastos e células tumorais. Com a excepção dos olhos e do cérebro, praticamente todos os órgãos sofrem hiperplasia. In vivo, está comprovada uma melhoria da função renal. A maioria dos estudos aponta para uma maior importância da acção local das somatomedinas (autócrina e/ou parácrina), após estimulação da libertação induzida pela somatotrofina, em células alvo, em detrimento da acção e importância das somatomedinas no plasma. O receptor de IGF-1 é semelhante ao da insulina (forma dímeros e tem actividade de cínase da tirosina), também se liga à insulina e ao IGF-2, embora com menor afinidade, surge em, virtualmente, todos os tecidos. O receptor de IGF-2 é um monómero e é bastante diferente do anterior; não se liga à insulina, mas liga-se ao IGF-1, com menor afinidade. Na puberdade, há uma maior secreção de GHRH, somatotrofina (GH) e uma elevação dos níveis plasmáticos de IGF-1; estes últimos, correlacionam-se bem com a evolução do crescimento na puberdade. 9
Factores de transcrição e regulação da expressão de GH Os factores de transcrição controlam a transcrição de genes-alvo pela ligação do homeodominio, ou seja, sítios de ligação ao gene que se ligam ao DNA na região promotora do gene alvo. À região do gene que codifica o homeodominio é chamada de homeobox, isto é, o domínio de ligação do DNA. Os factores de transcrições que regulam a expressão de GH possuem características estruturais que os permitem separar em subgrupos com maior especificidade entre eles (ex: POU, LIM). Têm também domínios de activação (ou repressão) transcripcional, ou seja, após a ligação do homeodominio ao gene-alvo, o domínio de activação transcripcional recruta co-activadores ou co-repressores ou interage directamente com o DNA. De seguida apresentam-se alguns dos factores de transcrição, e o factor de transcrição Pit-1 será descrito à frente. HESX-1 (homeobox embryonic stem cell) / RPX (Rathke pouch homeobox) Gene pertencente à classe paired-like homeobox e está localizado no cromossoma 3p21.É o marcador mais precoce da origem da hipófise, sugerindo que tem um papel no início da determinação ou diferenciação da hipófise. O camundongo (ratinho) transgénico com knock-out deste gene evidenciou um fenótipo semelhante à síndrome da dissuasiva do septo óptico (DSO) no homem. A DSO é caracterizada pela presença de dois dos seguintes critérios: hipoplasia do nervo óptico; alterações radiológicas de linha média (como ausência do septo pelúcido, agenesia de corpo caloso etc.) e hipoplasia hipofisária. Poucos pacientes com DSO apresentam mutações em homozigose ou em heterozigose no gene HESX1. Em comum, todos os pacientes portadores de mutação no gene HESX1 apresentam deficiência de GH, isolada ou associada à deficiência de outras hormonas hipofisárias. O modo de herança é autossómica recessivo na mutação homozigótica. Os pacientes com formas heterozigóticas apresentavam pais normais com a mesma mutação, indicando uma herança autossómica dominante com penetrância incompleta. Recentemente, identificamos uma nova mutação homozigótica envolvendo um aminoácido pertencente ao domínio repressor do HESX1 numa paciente com panhipopituitarismo, neurohipófise ectópica, sem alterações de vias ópticas ou do cérebro anterior. 10
LHX3 O gene LHX3 humano está localizado no cromossoma 9q 34.O LHX3 (ou Lim3, P-lim) pertence aos factores de transcrição da classe LIM envolvidos na organogênese de diversos órgãos, principalmente tecidos neurais. A denominação LIM origina-se das três iniciais das proteínas homeodomínio que apresentam este domínio em comum: LIN-11, ISLET-1 e MEC-3. O LHX3 é essencial para a diferenciação e proliferação das linhagens celulares da adenohipófise, sendo que mutações neste gene causam desde aumento hipofisário até hipoplasia hipofisária severa e consistentemente pan-hipopituitarismo em humanos. O modo de herança é autossómica recessiva e os pacientes apresentam deficiência de GH e também nas gonadotrofinas, TSH e PRL. LHX4 O LHX4 (ou Gsh4) também pertence aos factores de transcrição da classe homeodomínio LIM. O gene LHX4 humano está localizado no cromossoma 1q25. Todos os pacientes apresentam baixa estatura por hipopituitarismo (deficiência de GH, PRL, TSH e ACTH), associada a hipoplasia hipofisária e defeitos cerebrais. O LHX4 também participa na regulação, proliferação e diferenciação das linhagens celulares da hipófise. O modo de herança é autossómica dominante. O factor de transcrição pit-1 Pit-1, actualmente denominado POUF1 (POU domain class 1, transcription factor 1) ou GHF1 (GH factor 1), é um factor de transcrição pituitário-especifico responsável pelo desenvolvimento pituitário e expressão hormonal. O gene de Pit-1 está presente no cromossoma 16 no rato e no humano no cromossoma 3p11. POUF1 é um dos membros da família POU, que controla o desenvolvimento dos mamíferos. Esta família tem este nome pelo facto de os três primeiros membros que a constituíram foram PIT1, OCT1 e Unc-86. PIT1 contém dois domínios de proteínas: POU-específico e POU-homeo, ambos necessários para a alta afinidade para as bandas de DNA dos genes que codificam a hormona do crescimento (GH) e a prolactina (PRL), isto é, o homeodominio de POU que se liga ao ADN é essencial para que o domínio POU-especifico se ligue também ao ADN, para que posteriormente hajam interacções proteína-proteína (GH e PRL). Pit1 também é importante para a regulação dos genes que codificam a subunidade 11
beta da hormona estimulante da tiróide (THSB). Pit1 pode ligar e transactivar o promotor desta hormona. Normalmente, a proteína PIT-1 só activa a transcrição quando duas cópias se juntam, ou seja, é necessário a formação de um dímero. Pit1 activa a expressão do gene de GH e PRL, por um domínio de transactivação N- terminal, rico em resíduos de aminoácidos.. PROP-1 (Prophet of pit-1) O gene de PROP-1 localiza-se no humano no cromossoma 5q35, e no ratinho no cromossoma 11. O nome deste factor de transcrição vem do facto deste ser necessário para a expressão do gene pit-1, e é do tipo homeodominio paired-like, que é expresso especificamente nas células embrionárias da hipófise. Este gene está envolvido na ontogénese, diferenciação e função dos somatotrófos, lactotrófos e tireotrófos, e provavelmente dos gonadotrófos. O PROP1 liga-se como um dimero aos elementos promotores de outras proteínas paired-like incluindo HESX-1 e PIT1. Foram identificadas onze mutações localizadas no homeodominio do gene e em pacientes com herança autossómica recessiva. Mutações neste gene são a causa genética mais vulgar de pan-hipopituitarismo e de deficiências hormonais de GH, PRL, TSH, LH e FSH, tamanho hipofisário e secreção de cortisol. A variabilidade do fenótipo pode ser explicada, em parte, pela perda parcial ou total da capacidade de ligação ao DNA e/ou da actividade de transcrição. Mutações em PIT-1 e doenças associadas Uma criança em cada 5000 a 10000 nascimentos possui deficiências na hormona do crescimento. Foram identificadas várias mutações no PIT-1 em pacientes com panhipopituitarismo (doença em que todas as hormonas pituitárias diminuem ou cessam, podendo ocorrer quando toda a glândula sofre uma lesão). A herança pode ser autossómica recessiva, devido a mutações em homozigose e heterozigose composta, que produzem vários graus de perda de ligação ao ADN ou perda da activação da transcrição. Também há casos em que a herança pode ser autossómica dominante, causada por mutações em heterozigose, porque a proteína mutante possui alta afinidade pelos sítios promotores de GH e PRL, provocando um efeito dominante negativo sobre a proteína normal. A mutação R271W (R de arginina, a estimuladora de GH e W de triptofano) em heterozigose é a mais comum e ocorre num nucleotídeo CpG, provável motivo da frequente recorrência. 12
A tabela 2 mostra a hereditabilidade de GH, que foi classificada de acordo com o modo de hereditabilidade mendeliana em tipo I (autossómica recessiva), tipo II (autossómica dominante) e tipo III (ligada ao cromossoma X). A tabela 3 caracteriza as deficiências isoladas de GH devido a mutações em GH-1. Gene GHRHR GH-1 IA IB II III GH Bioinactivo GHR (síndrome de Laron) IGF-1 Modo de herança Autossómica Recessiva Autossómica Recessiva Autossómica Recessiva Autossómica Dominante Ligado ao cromossoma X Não determinada Autossómica Recessiva ou Dominante Autossómica Recessiva IGH-IR Alteração no cromossoma 15 Tabela2 Hereditabilidade de GH Tipo IA IB II III Herança Autossómica Autossómica Autossómica Ligado ao Recessiva Recessiva Dominante cromossoma X Nível de GH Ausente Diminuindo Diminuindo Diminuindo Resposta a Apenas inicial Boa Boa Boa rhgh Anticorpo Sim Não Não Não determinada anti-gh Associação - - - Agamaglobulinemia Mutações Deleção Missence Região da Região de splicing mais frequentes 6,7 Kb Splicing(perda do exão 3) Tabela3 características da deficiência isolada de GH causadas por mutações em GH-1 Mutações do gene de POUF1 são responsáveis por deficiência da hormona do crescimento, prolactina e hormona tiróide estimulante, enquanto que a produção de hormona de LH e a hormona FSH são preservadas. Pacientes com deficiência da hormona pituitária combinada devido a combinações homozigóticas e heterozigóticas por inactivação de PROP1 não conseguem produzir quantidades suficientes de LH e FSH, não entrando assim espontaneamente na puberdade. As crianças com deficiência de crescimento severa apresentam características físicas bastante 13
salientes em relação a uma criança saudável, tais como testa proeminente, hipoplasia e face com ponta nasal deprimida, nariz curto. Há casos em que há retardamento mental severo junto com estatura baixa. Diagnóstico e terapias Cerca de metade dos pacientes afectados pelo gene de Pit-1 é diagnosticada a doença pela baixa estatura. A outra metade apresenta hipotiroidismo congénito (desde nascença), chamado cretinismo. Todos os pacientes com mutações no PIT-1 apresentam deficiência de GH, PRL e TSH com a hipófise de tamanho normal ou reduzido. Quando os pais de uma criança possuem a doença em PIT1, é aconselhado fazer diagnóstico pré-sintomático à criança. Para um diagnóstico precoce é aconselhável fazer os testes de estimulo de secreção em crianças na pré adolescência. A arginina é um estimulador da secreção de GH, é de difícil obtenção no nosso meio. Pessoas com deficiência na hormona do crescimento podem ser tratadas com injecções da hormona do crescimento humana. Às crianças com carências hormonais pituitárias podem ser administrada uma hormona sintética idêntica para a substituir. Por exemplo, as crianças que são baixas devido à carência da hormona do crescimento podem receber este tipo de tratamento. Durante o primeiro ano podem crescer entre 10 e 15cm, mas posteriormente o crescimento torna-se mais lento. A utilização desta hormona sintética não é aconselhada a crianças baixas com valores normais de GH. Actualmente, estão a ser feitas investigações de novos tratamentos que estimulam a produção natural da hormona do crescimento pelo organismo. Conclusão É a glândula pituitária que produz a hormona do crescimento, sendo esta muito importante para o crescimento normal. Desordens ao nível desta hormona provoca o crescimento desadequado, assim como a deficiência de outras hormonas produzidas ao nível da hipófise também sofrem consequências graves para o bom funcionamento do organismo. O factor de transcrição PROP-1 é necessário para que o gene de Pit1 se expresse. Este é responsável pelo desenvolvimento pituitário e pela expressão hormonal. 14
Referências bibliográficas COOPER, Geofrey M. (2000), The cell, a molecular approach, 2nd edition, ASM Press www.afh.bio.br www.corpohumano.hpg.ig.com.br www.edrv.endojournals.org www.eje-online.org www.fisiologia.med.up.pt www.geocities.com www.iessuel.org www.manualmerck.net/artigos www.medsobral.ufc.br www.pubmed.com www.sadato.hypermart.net www.saude.met.gov.br www.scielo.br 15
16