細胞間コミュニケーション−内分泌、神経、免疫
そもそもホルモンとは何ぞや?
"A substance formed by a limited number of organs and conveyed by the blood stream to other tissues, which it stimulates to function by means of its chemical activity."
1.生化学
<生合成>
Peptide or peptide derivatives; gene - mRNA - protein precursors Steroids; cholesterol - enzymatic transformation Amines (ステロイドホルモンに類似した、酵素による段階的合成)e.g., tyrosine --> epinephrine, nor-epinephrine
<蓄積>
一般に蓄積能は限られている = high turn over
例外は、甲状腺(2週間分が臓器内にある)
<放出>
不溶性から可溶性への変換(サイログロブリンから甲状腺ホルモンへの蛋白分解) 蓄積された顆粒のexocytosis(インシュリン、グルカゴン、プロラクチン、GH) 血漿への受動的浸透diffusion(ステロイドホルモン)
一般に生合成と放出は密接にリンクされており、ホルモンレベルは
ほとんどが合成速度で決まる
放出の時間生物学
- ultradian (cycle: minutes to hours)
- ciradian (daily) ACTH, cortisol cf. Cushing's disease
- infradian (months or years)
- pulsatile (LHRH - LH, FSH) cf. anorexia nervosa
<輸送>
Binding protein - これらの蛋白に結合したホルモンは細胞に作用は及ばさず、 フリーのホルモンのみが活性を示す。
- testosterone and estrogen: testosterone-binding globulin
- thyroxine: thyroxine-binding protein, thyronine-binding globulin (Only 0.03% of circulating T4 and 0.3% of T3 are free!)
- cortisol: transcortin (corticosteroid-binding globulin)
H + P <---> HP (reservior)
<分解>
Plasma level (PL)
Secretion Rate (SR)
Metabolic Clearance Rate (MCR)
尿、胆汁への排泄 (甲状腺、ステロイドホルモン)標的器官あるいは肝臓、腎臓での分解 (ペプチドホルモン)PL = k x SR/MCL
2.ホルモン合成の制御機構
Negative feedback loops
視床下部ー脳下垂体系 - adrenal corex, thyroid, gonads
副甲状腺ホルモン − 血清カルシウム値
インシュリン − 血糖値
Positive feedback loops
stimulation of LHRH by estradiol prior to ovulation
血漿ホルモン値の解釈は他の因子をともに測定して初めて可能となる
plasma insulin + plasma glucose
plasma parathyroid hormone + plasma calcium
3.ホルモンの作用機序
活性型への変換
- In plasma (Angiotensin - angiotensin II)
- In target tissues (testosterone - dihydrotestosterone)
- In secondary tissues for retransport back into plasma
(thyroxine T4 -> triiodothyronine T3)
The thyroid is only sourse of T4, while only 20% of T3 is produced in the thyroid, the remainder in extraglandular tissues!
<Intracellular Receptors>
Transcription regulatory proteins (glucocorticoids, mineralocorticoids,estradiol,androgen,progesterone, triiodothyronine,,)
Passive diffusion -> hormone-receptor complex -> nucleus内のhormone-response elements (HREs)と呼ばれるDNA配列と結合 -> mRNA (transcription) -> cytoplasmic protein synthesis -> 細胞機能の変化
これらのレセプターはアミノ酸配列の著しいhomologyを示す
これらのレセプターの構造の先天異常はホルモン抵抗性症候群を起こす
<Membrane-bound Receptors>
Peptide Hormoneのような大部分の親水性シグナルは細胞膜を通過することができないために、特異的な膜に結合したレセプターを介して作用を発現する
- Seven-Transmembrane-Domain Receptors (G-protein family)
for LH, TSH, PTH, a/b-adrenergic, vasopressin, gulcagon, angiotensin II, serotoninこれらのレセプターは、細胞膜の内側に局在するG proteins (guanine nucleotide-binding proteins)とinteractする。更にG proteinは、(adenylyl cyclaseを介して)second messenger (代表はcyclic AMP)のリリースを促進/抑制する。あるいはhormone-receptor interactionはphospholipase Cを介してprotein kinase Cを促進する。このセカンドメッセンジャーがサイクリックAMP(cAMP;環状アデノシン一リン酸)であることを突き止めた業績によりサザーランド (Earl Sutherland)は1971年にノーベル生理学・医学賞を受賞した。<追加>α、β、γの三量体からなるG-proteinが、いかにして膜貫通型 受容体による活性化信号に応答するかについては、三次元結晶構造と生化学研究に基づく東大分院第4内科のTaroh Iiriによる業績がある。G-proteinを構成する一つであるalpha subunit(Gα)のguanine-nucleotideと結合するポケットへのGDP/GTPの出入りが、G-proteinのTurn on/Turn offとして機能する(Nature, 1998; 394: 35-38)。
- Protein (or Protein Tyrosine) Kinases
for insulin, EGF, insulin-like growth factor I, fibroblast growth factor, platelet-derived growth factorinsulin receptor = tetramer composed of two alpha and two beta subunits ! Point mutations --> resistance to insulin action- Receptors for Growth Hormone and Prolactin (the Cytokine family. Growth hormone-prolactin family)
このレセプターはキナーゼドメインを持たず、ホルモンと結合するとJanus kinase (JAK)の働きによりチロジンのリン酸化を起こす。GHのレセプターはプロラクチンのレセプターと25%のホモロジーを示す。GHレセプターの先天異常はLanon dwarfismを起こす。- Guanylyl Cyclase Receptors
Guanylyl cyclaseは細胞膜と細胞質の両方に存在し、膜に存在するものはレセプターにより活性化される。ANP (atrial naturiuretic peptide)のレセプターはこの機序で作用し、細胞内部分がcyclic GMP (= second messenger) を作る。一方、細胞質に存在するguanylyl cyclaseはカルシウムイオンにより活性化され、cGMPの上昇をもたらす。<追加>Nature誌に掲載された報告によると、プロゲステロンは、本来の作用機序である細胞質内ステロイドレセプターを介した作用のほかに、細胞膜に存在 するレセプターであるオキシトシンレセプターに作用して、オキシトシンの作用を抑制する。即ち、プロゲステロンが結合することでオキシトシンが利用できる レセプターの数を減らすことになる。これは、”親水性シグナル=膜のレセプター”、”脂質親和性シグナル=細胞内レセプター”という固定観念を崩す始まり になるかもしれない (Grazzini et al. Nature 1998; 392: 509-512)
4.ホルモンに関連した病的状態
<ホルモン欠乏状態>
この研究が内分泌学の進歩を促してきた
動物実験の容易さと補充療法の効果!
内分泌器の破壊機序
- infection, e.g., tuberculosis by adrenal insufficienty
- infarction, e.g., postpartum pituitary failure = Sheehan
- inflammation, e.g., DM due to pancreatitis
- tumors, e.g., null cell tumor of pituitary
- autoimmune disease (Hashimoto)
- hereditary defects, e.g., pituitary dwarfism
<ホルモン過剰状態>
症状を起こさない例外 男のテストステロン過剰と男女のプロゲステロン過剰
ホルモン過剰の機序
- 正常内分泌腺および内分泌腺から発生するFunctioning Tumorによる過剰産生 = フィードバック機構が作用しない(甲状腺機能亢進症、末端肥大症)
- 異所性ホルモン産生 = ACTH production by oat cell ca of lung
- 末梢組織での前駆体からのホルモン産生亢進 = 肝臓疾患でのエストロゲンの産生亢進
- 医原性 = ステロイド治療
<異常ホルモンの産生>
<ホルモン抵抗性>
共通項; ホルモン作用が不足であるにもかかわらず、血中の
ホルモン値は正常あるいは<上昇>している。
これはフィードバック調節機構が機能しているためでもある
レセプターの異常は、遺伝子病理的には依然考えられていたよりも頻度が高い
分子レベルではheterogenousである(各家族で異なる変異部位)レセプターの各ドメインの意義の解析につながる,e.g., tyrosine kinase
1.個体発生、分泌されるTropic Hormoneとその制御機構
発生 口腔のRathke's pouchからの前葉と第3脳室底からの後葉が癒合、Rathke's cleftとして残る ---> 更に増殖するとトルコ鞍上に頭蓋咽頭腫
前葉ホルモン
ACTH
CRH, AVP
TSH
TRH
LH
LH-RH
FSH
FSH-RH
GH
GHRH
GIH (somatostatin)
Prolactin
PRF(=TRH)
PIF (Dopamine)
<追加>Nature誌の報告によると、プロラクチン 分泌を<特異的に>促進する脳内ペプチドが同定され、プロラクチン放出ペプチドと命名された。 Hinumaらは、前葉細胞から、対応するLigandが不明な("orphan receptor") G- protein-coupled receptor (GPCR) をクローン化し (hGR3)、このreceptorを反応させて プロラクチン放出を仲介するアラキドン酸を放出する生理活性を有する、31と20のアミノ酸 からなる前駆体ペプチドを視床下部から抽出した。これらは、特異的でない放出因子であるTRHとは別の物質である。(Hinuma S et al. Nature 1998; 393: 272-276)Feedback mechanism
primary hypogonadism --> LH & FSH riseAddison's disease --> ACTH increaseprimary hypothyroidism --> TSH rise下垂体の破壊 --> secondary hypo -- ismAVP oxytocinは不変下垂体‐門脈系を介した視床下部による支配
(第3脳室底の神経核で前葉ホルモン放出因子は産生され、細胞質突起中を輸送されて, median eminenceにおいて下垂体門脈に分泌される)
下垂体茎の切断はProlactin分泌の上昇をもたらす
放出因子は大部分がペプチド
ストレスと視床下部−脳下垂体−副腎系 (hypothalamic-pituitary-adrenal axis: HPA axis)
生体に物理的あるいは精神的ストレスが加わるとHPA axisが反応して、副腎皮質からコーチゾールが分泌される。そうすることで生体は闘争あるいは逃避の準備をし、自己防衛に都合のよくない活動を抑制す る。同時にCRHは食欲、性欲を抑え、警戒機能を亢進する。なお、かなりの数の鬱病患者では、HPA軸の慢性機能亢進があることが報告されている (Nemeroff C. Sci Am, 1998; 278: 28-35)。
視床下部で産生され後葉に蓄積されるホルモン
supraoptic and paraventricular nuclei
Vasopressin (AVP, antidiuretic hormone)
Oxytocin
2.下垂体腫瘍
<下垂体腫瘍>
Microadenoma, less than 10 mm, surprisingly common (40% of autopsies)
Macroadenoma, greater than 10mm; intrasellar --> post. lobe --> optic chiasm
Histology: sheets, cords, nests (+ pseudoglandular, papillary) AND vascular stroma
Pituitary apoplexy = pituitary tumor+ hemorrhage
EM: abundant or sparsely granulated
<Prolactin>
Lactotrophs constitute 15-20%, and increasse to 70% during pregnancy (pituitary doubles in size) --> postpartum lactation
Single polypeptide, 198 amino acids
hypothalamic inhibitory factor; dopamine
dopamine agonist; bromocriptine
hyperprolactinemia --> hypogonadism (amenorrhea, decreased libido, impotence, infertility), galactorrhea
Prolactionma; most common functioning adenoma
2/3 macroadenomas, mostly sparsely granulated, acidophilic
hypogonadism in both sex (amenorrhrea, irregular menses,
impotence, infertility), galactorrhea in female
Prolactin deficiency; inability to lactate
post-partum hemorrhage --> systemic hypotension --> infarction --> Sheehan's syndrome
<Growth Hormone>
Somatotrophs constitute 50% of ant pit cells
Single polypeptide, 191 amino acids
Somatotropic adenomas: Acromegaly or gigantism
almost always = acidophilic macroadenoma
50% densely granulated, 50% sparsely granulated
1/3 bihormonal, Prl+
<ACTH>
Corticotroph tumors:
small basophilic microadenomas (most), chromophobic (less common)
Cushing's disease (cortisol excess)
Immunostain positive for ACTH and other proopiomelanocortin-related peptides
3.下垂体機能低下症
<病態機序>
local effects --> visual fields, headache, hypo--ism.
large, mostly null cell adenoma or oncocytoma
"Postpartum pituitary necrosis"
= sudden infarction of the anterior lobe precipitated by obstetric hemorrhage or shock.
----> failure of lactation
Other mechanisms; DIC, sickle cell anemia, cavernous
sinus thrombosis, Diabetes mellitus
herniation of arachnoid through diaphragma sellae
CSF pressure causing atrophy
Hypofunction of the anterior pit. + Diabetes indipidus
Craniopharyngioma: 3 - 4 cm in diameter, encapsulated, solid, cystic, multiloculated, calcification visualized by X-ray
composed of squamous or columanr epithelium
syn. adamantinoma, ameloblastoma,
<前葉不全の症状と徴候>
Lack of GH;
undetectable in adults,
pituitary dwarfism in child
Hypogonadotropism;
amenorrhea, loss of axillary hair, sterility
atrophy of ovaries in female
testicular atrophy, sterility in men
Lack of ACTH and TSH;
<Posterior pituitary syndromes>
primary suprasellar hypothalamic lesions
ADH deficiency or inappropriate release
ADH deficiency --> polyuria and polydipsia (口渇)
視床下部−下垂体軸の腫瘍、炎症 (suprasellar tumors, metstatic cancer, abscesses, meningitis, tbc, sa)
surgical or radiatio injury
severe head injuries
idiopathic causes
Inappropriated ADH secretion (SIADH)
persistent release of ADH --> water retention, extracellular fluid increase, hyponatremia, hemodilution
Causes: paraneoplastic secretion (small cell ca, lung, over 4/5 of all cases, thymoma, panc ca etc), intracerebral hemorrhages or thromboses, SAH, etc.
1.構造と生化学
Cortisol-binding globulin, or transcortin (high-affinity, low-capacity)
Albumin (low-affinity, high-capacity)
Free unbound cortisol - physiologically active!
2.機能亢進症
<Cushing's syndrome>
Chronic excess of cortisol
臨床像:
central obesity, moon faces, hirsutism, hypertension, diabetes, osteoporosis, menstrual, abnormalities, skin stria (abdomen)
病態機序:
- Iatrogenic - immunosuppression after transplantation
- Pituitary hypersecretion of ACTH (basophilic microadenoma = Cushing's disease) elevated level of serum ACTH
- Ectopic production of ACTH (or CRH) by a non-endocrine neoplasm
(small cell carcinoma of the lung, carcinoid of the lung or pancreas, malignant thymoma,,,,)
- Adrenal adenomas, carcinomas, and cortical hyperplasia
ACTH independent - autonomous hypersecretion of cortisol
--> elevated level of cortisol, but low serum ACTH!
Morphology:
Pituitary; Crooke's hyaline degeneration of basophils
Basophilic microadenoma
Adrenals;
- diffuse hyperplasia
- nodular hyperplasia both with increased ACTH
- adenomas or carcinomas
鑑別診断: ACTH level, high dose dexamethasone suppression of ACTH, CT and US scan
Nelson's syndrome:
Cushing病患者の過形成性の副腎を摘出すると、フィードバック制御機構が働かなくなるため、下垂体腺腫が腫大する。しばしばACTH分泌亢進により 皮膚の色素沈着が増強する。副腎全摘後に起きる(顕在化する)下垂体腺腫の場合、Nelson症候群という (Kovacs K et al. Am J Clin Pathol,1976; 65: 337-343)。
<Conn's syndrome - hyperaldosteronism ->
Chronic excess of aldosterone
臨床像:
高血圧、低カリウム血症病態発生機序:
- 副腎皮質過形成(約25%の例)
- 副腎皮質腺腫 (約75%の例)
Spironolactoneは、aldactoneに対する拮抗作用をもち、Conn症候群の治療に使用されるが、球状層の細胞質内に好酸性の封入体 (spironolactone bodies)を形成する。
3.機能不全症
<Addison病>
同義語: Addison melanoderma, Addison's disease, Asthenia pigmentosa, Bronzed disease, Melasma addisonii, Primary adrenal deficiency
臨床像:
皮膚のブロンズ色調変化、貧血、低血圧、下痢、消耗
病態発生機序:
- 長期のステロイド治療後に急にwithdrawした場合の両側副腎皮質出血
- その他の原因の副腎出血 - Septicemia (Waterhouse-Friderichsen syndrome, usually meningococcus), Birth trauma (to the baby), Pregnancy (to the mother, from adrenal vein thrombosis), Anticoagulant therapy, Iatrogenic (surgery or adrenal venography).
- 成人ではautoimmune adrenalitis
Waterhouse-Friderichsen syndrome
同義語: Meningococcal adrenal syndrome, Meningococcal hemorrhagic adrenalitis, Meningococcal Waterhouse-Friderichsen syndrome, Waterhouse-Friderichsen disease
古典的には髄膜炎菌の菌血症(Meningococcemia = Neisseria meningitidis)にともなうDICやショックによるものが有名であるが、ほかの急性感染症でも起きうる。その他、妊娠(eclampsia or post-partum hemorrhage)、抗凝固療法によっても起きるものも含めることがあるために疾患概念の線引き(定義)がやや不明確である。
1.褐色細胞腫 Pheochromocytoma
副腎髄質細胞とはなんぞや?
The cells of the adrenal medulla are specialized paraganglia cells that are chromaffin positive−クロム親和性ー, produce epinephrine and norepinephrine, and are situated in proximity to the autonomic ganglion cells whose processes reach the medulla of the adrenal.
褐色細胞腫はカテコールアミンを合成、蓄積、分泌する。副腎髄質のみならず、同じ組織形の腫瘍が副腎以外の交感神経節からも発生しうる
例.Zuckerkandl 小体: The organ of Zuckerkandl is located on the anterior surface of the aorta between the origin of the inferior mesenteric artery and the aortic bifurcation.
"10% tumor":
10% are bilateral
10% are malignant
10% are extraadrenal
両側性の褐色細胞腫と合併しやすい症候群:
褐色細胞腫の病理学的良悪判定はきわめて困難である
There are no good histologic criteria to distinguish a benign from a malignant pheochromocytoma.In general,the diagnosis of malignant pheochromocytoma is made when a metastasis is identified.Extra-adrenal pheochromocytomas are more likely to be malignant than are adrenal pheochromocytomas.
症状:
高血圧、持続性あるいは発作性、治療抵抗性
代謝亢進を示す症状、例えば発汗、体重減少
心臓の症状 - 洞性頻脈、徐脈、心筋梗塞
1.系統発生
松果体は円口目から哺乳類に いたるまで広く脊椎動物に存在している。そして下等脊椎動物から哺乳類に至る過程でその形態は大きな変化を示していることがわかるが、その松果体の系統発 生のパターンは概ね以下のごとくである。 即ち、魚類、両棲類などでは光刺激を直接感知するphotoreceptorであり、トカゲなどは頭頂眼(parietal eye)と呼ばれるレンズと網膜を備えた眼球構造が頭骸骨を貫いて頭頂部皮下正中線上に露出しており、その意味で松果体は第3の眼(the third eye)と言われる。 鳥類の松果体は、光刺激の欠如を直接感知して、ホルモンであるメラトニンの分泌に転換するためphotoendocrine transducerとされる。 哺乳類では、眼からの光刺激が視交叉上核(suprachiasmatic nucleus: SCN)、上頚交感神経節を介して松果体でメラトニン分泌を抑制するため、松果体はneuroendocrine transducerであるとされる(光刺激の欠如がメラトニン分泌を促進する)。
2.メラトニンの生化学と分泌の制御機構
Isolation of Melatonin by Lerner AB et al. (J Am Chem Soc, 1958; 80: 2587)
約30万頭のウシの松果体から、カエルの皮膚を褪色させる物質(MSHと逆の作用)として単離同定された。東大病理学教室の森亘教授(その後東大総長)はエール大学留学中にその研究チームの一員であった。
<メラトニンの生合成>
TRYPTOPHAN ---- 5-hydroxytryptophan ---- SEROTONIN --[N-acetyltransferase; NAT]-- N-acetylserotonin --[hydroxyindole-O-methyltransferase; HIOMT]-- MELATONIN
3.メラトニンの生理活性
<追加>連続暗の状態に実験動物をおいておくと性腺は萎縮する。人においても、夏の間、連日海水浴とサーフィンをして日焼けした人間においては性欲が亢進して生殖活動が盛んとなり(光刺激 - 松果体機能抑制 - メラトニン分泌抑制 - 性腺機能亢進)、 昼間家の中でゴロゴロしている夜型人間は生殖器が萎縮する傾向にあるのも、松果体機能と関連しているのではないかと著者は考えている。
<追加>哺乳動物の各種の活動の日周変動を支配 する体内時計は視交叉上核(suprachiasmatic nucleus: SCN)に存在し、その内因性時計の活動は外部環境の各種刺激(Zeitgeber)により同期化されている。最近では生体時計の分子機構の解明に研究が 進展し、カビから哺乳類に至るcircadian oscillatorにあまねく存在する類似のモデルが提唱されている。基本的には、clock geneというものがリズミカルに発現し、clock RNAと蛋白が周期的に増減し、更にその蛋白が一定の遅れ(lag)をもって、転写を促進するpositive因子を阻害することで、それ自身の転写を抑 制する、というtranscription/translation-based negative feedback機構である。具体的にnegative因子としてはDrosophilaのPER(PERIOD)およびTIM(TIMELESS)など が、positive因子としては哺乳類のCLOCKやBMAL1 - この両者がheterodimerとなってE-boxというpromoter塩基配列を介して転写を促進する - などが同定されている(Dunlap J. Science, 1998; 280: 1548-1549.[jpg.71KB] Gekakis N et al. Science, 1998; 280 1564-1569)。In situ hydridizationによりBMAL1, CLOCK, PER1はマウスのSCNでcoexpressされているのが証明された。
<追加> 松果体は視床下部‐下垂体系の上位に位置する神経内分泌器官であるとの立場から、松果体研究者の重鎮においては"Corpus Pineale Ueber Alles"との見解を表明されたとの伝聞がある。
4.人松果体の病理、加齢にともなう変化と松果体腫瘍
<石灰沈着と嚢胞>
人松果体は、日本人においては約50 mgから150 mgの、充実性の水滴状外形の臓器であり、第3脳室の後部において後交連と手綱交連の間に茎でもって付着している。脳重量(大脳、小脳、脳幹)との比率 (pineal weight in mg/ brain weight in gram)は、概ね0.07 - 0.08であり、60歳以降は明らかな加齢変化はなく、100歳までほぼ一定している (Hasegawa A et al. Brain Research 1987; 409: 343-349)。 人松果体には思春期以降石灰沈着が、肉眼的なものから顕微鏡ではじめて認識できるものまで種々の程度に起こる。 臨床的には、この石灰沈着はX線写真で認識できるため、脳出血の際などのmidline shiftを知るよき手がかりになる。<人松果体腫瘍>
症状としては、松果体腫瘍に
より思春期早発が起こることが1898年にHeubnerによって報告されて以来注目されてきたが、
少なくともGerminomaに関しては、同腫瘍がHCG (Human Chorionic
Gonadotropin)を分泌することによると考えられている。自験例では1歳から31歳の19症例、うち16歳までが11症例、の松果体腫瘍剖検例
において思春期早発が3例あり、すべて男であった(27%)(Hasegawa A et al. Acta Pathol Jpn, 1982;
32: 925-931)。
KitayとAltschuleによる文献例のまとめでも、1歳から16歳までの26%に性早熟があったとのことであるから、約1/4の症例に性早熟が起
こるとみられる(同義語;Epiphyseal syndrome、Macrogenitosomia praecox、Pineal
syndrome)。
Parinaud徴候として知られる、「共同上方視の不可能」も、特に青年期の患者であれば松果体腫瘍を疑わなければならない有名な臨床所見である。
Germinomaなどは松果体部以外にトルコ鞍上の視床下部に腫瘍を形成することがあり、その場合は異所性松果体腫 (ectopic pinealoma) と呼ばれる。経験的には松果体腫瘍と呼ばれる組織型を有する腫瘍は (1) pineal region, (2) suprasellar region, (3) pineal and suprasellar region のいずれの局在においても発生しうる (Hasegawa A et al. Acta Pathol Jpn, 1982; 32: 925-931.のTable 1.にその時点までの東大病理解剖例での松果体腫瘍の局在がまとめられている)。なお、Germinomaは、形態学的には精巣に発生してくる Seminomaと区別することはできない。
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