Somatotropin und IGF-I

Auf einen Blick

Somatotropin (Wachstumshormon, GH) wird von somatotropen Zellen der Adenohypophysis (Hypophysenvorderlappen) gebildet. Es erreicht über das Blut verschiedene Gewebe und bindet dort an den Wachstumshormonrezeptor. Zu seinen Aufgaben gehört die Anregung der Bildung von IGF-I, dem insulinähnlichen Wachstumsfaktor I. Leber und weitere Gewebe sind an dieser Vermittlung beteiligt. Die Achse verbindet damit eine Hormondrüse an der Hirnbasis mit Wachstum, Gewebeerneuerung und Stoffwechsel. [1]

Der Bildungsort liegt im Vorderlappen

Die Adenohypophysis besteht aus Drüsengewebe mit verschiedenen hormonbildenden Zellpopulationen. Somatotrope Zellen geben GH in das benachbarte Kapillarnetz ab. Der Vorderlappen liegt in der Sella turcica (Türkensattel), einer knöchernen Vertiefung an der Schädelbasis. Über das Infundibulum (Hypophysenstiel) und das zugehörige Gefäßsystem ist er mit dem Hypothalamus verbunden. Dieser gehört zum Diencephalon (Zwischenhirn) und verknüpft neuronale Informationen mit hormoneller Steuerung. [2]

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Ein Portalweg bringt die Steuersignale zur Drüse

Hypothalamische Nervenzellen setzen ihre steuernden Botenstoffe in ein erstes Kapillarnetz an der Eminentia mediana (mittlere Erhebung der Hypothalamusbasis) frei. Portalgefäße führen von dort zu einem zweiten Kapillarnetz im Vorderlappen. So gelangen die Signale auf kurzem Blutweg zu den hormonbildenden Zellen. Die kleinen Gefäße erschließen die Drüse engmaschig; anschließend fließt das Blut über abführende Venen in den Körperkreislauf. [2]

GHRH, Somatostatin und Ghrelin stimmen die Freisetzung ab

GHRH, das Wachstumshormon-Releasing-Hormon, fördert die Bildung und Freisetzung von GH. Somatostatin hemmt die GH-Abgabe. Beide Signale erreichen den Vorderlappen über das Portalgefäßsystem. Auch Ghrelin wirkt an der Regulation mit. Dieses Peptidhormon wird vor allem im Magen gebildet und kann die GH-Freisetzung gemeinsam mit GHRH verstärken. Die somatotropen Zellen verarbeiten somit mehrere zeitlich veränderliche Einflüsse. [3]

GH ist ein gefaltetes Proteinhormon

Die häufigste menschliche GH-Form besitzt eine Masse von ungefähr 22 Kilodalton. Sie ist aus 191 Aminosäuren aufgebaut und enthält zwei Disulfidbrücken. Daneben kommen weitere molekulare Formen vor. Der Begriff Wachstumshormon umfasst im Blut also einen Bestand verwandter Moleküle, dessen Zusammensetzung bei Messverfahren eine Rolle spielt. Die räumliche Struktur ermöglicht die Bindung an passende Rezeptoren auf der Zelloberfläche. [3]

Die Freisetzung erfolgt in Pulsen

Die GH-Konzentration verändert sich im Verlauf von Stunden deutlich. In einer frühen Humanuntersuchung von Takahashi und Mitarbeitenden wurden acht junge Erwachsene über insgesamt 38 Nächte untersucht. Blutproben in Abständen von 30 Minuten wurden mit Aufzeichnungen von Hirn- und Augenbewegungsaktivität kombiniert. Bei sieben Personen trat ein ausgeprägter GH-Anstieg im Zusammenhang mit dem Beginn des Tiefschlafs auf. Wurde der Schlafbeginn verschoben, verschob sich auch der beobachtete Hormonanstieg. [4]

Alter und Schlafstruktur beeinflussen den Zusammenhang zusätzlich. Van Cauter und Mitarbeitende werteten Daten von 149 gesunden Männern zwischen 16 und 83 Jahren aus. Zusammengeführt wurden Schlafaufzeichnungen und Hormonprofile aus mehreren Laborstudien. Die Ergebnisse zeigten altersbezogene Veränderungen von Tiefschlaf und GH-Ausschüttung. Bei der Einordnung eines Hormonprofils gehören deshalb Lebensalter, untersuchte Gruppe und zeitlicher Verlauf zur Messung. [5]

Der GH-Rezeptor verankert das Signal in der Zellmembran

Der Wachstumshormonrezeptor, kurz GHR, gehört zu den Zytokinrezeptoren. Ein großer Teil liegt außerhalb der Zelle und bindet GH. Ein Membranabschnitt verbindet ihn mit dem zytoplasmatischen Teil. Mit diesem Rezeptor ist die Januskinase 2, JAK2, assoziiert. Die Bindung von GH verändert die räumliche Anordnung des Rezeptorkomplexes und ermöglicht die Aktivierung der gekoppelten Signalverarbeitung. Solche Rezeptoren kommen unter anderem in Leber und Skelettmuskulatur vor. [6]

JAK2 und STAT5 verbinden die Membran mit der Genaktivität

JAK2 überträgt Phosphatgruppen auf bestimmte Tyrosinreste. An aktivierten Rezeptorkomplexen können dadurch weitere Signalproteine andocken. Dazu gehört STAT5. Nach seiner Aktivierung bildet es Dimere und gelangt in den Zellkern, wo es die Transkription passender Zielgene beeinflusst. In Hepatozyten (Leberzellen) gehört die Regulation der IGF-I-Bildung zu den wichtigen Ergebnissen dieser Signalkette. [7]

Die Dauer des Signals wird ebenfalls reguliert. SOCS-Proteine wirken an der Hemmung weiterer Signalübertragung mit. Phosphatasen entfernen Phosphatgruppen. Internalisierung und Abbau von Rezeptoren verändern, wie viele Bindestellen an der Oberfläche verfügbar sind. Die Antwort einer Zelle ergibt sich dadurch aus der Verbindung von Hormonangebot, Rezeptorausstattung und intrazellulärer Verarbeitung. [7]

IGF-I wird in der Leber und in weiteren Geweben gebildet

GH regt die IGF-I-Produktion in der Leber an. Ein großer Teil des zirkulierenden IGF-I stammt aus diesem Organ. Auch andere Gewebe bilden IGF-I und können es in ihrer unmittelbaren Umgebung wirksam werden lassen. Endokrin bezeichnet die Verteilung eines Signals über das Blut. Parakrin beschreibt die Wirkung auf benachbarte Zellen, autokrin die Wirkung auf die produzierende Zelle selbst. Diese Reichweiten können innerhalb derselben Hormonachse zusammenwirken. [8]

IGF-I nutzt einen eigenen Rezeptor

IGF-I bindet an den IGF-I-Rezeptor, IGF1R. Dessen intrazellulärer Anteil besitzt Tyrosinkinaseaktivität. Die Ligandenbindung führt zur Aktivierung des Rezeptors und nachgeschalteter Signalwege. Dazu zählen PI3K–AKT und RAS–MAPK. Diese Netze beeinflussen je nach Zelltyp unter anderem Wachstum, Differenzierung und Überleben. Der Weg über IGF-I erweitert dadurch die Wirkungsmöglichkeiten einer GH-Freisetzung auf andere Rezeptorsysteme und zelluläre Prozesse. [9]

Bindungsproteine ordnen den Transport im Blut

Ein erheblicher Teil des IGF-I zirkuliert an Bindungsproteine gebunden. IGFBP-3 kann gemeinsam mit IGF-I und der säurelabilen Untereinheit ALS einen Dreierkomplex bilden. Bindung und Freisetzung beeinflussen, wie IGF zu seinen Rezeptoren gelangt. IGFBP-3 wirkt damit an der Verfügbarkeit der Wachstumsfaktoren mit. Seine Funktionen hängen zugleich vom jeweiligen Zelltyp und von weiteren Interaktionspartnern ab. [10]

Die Achse verbindet Wachstum mit der Verteilung von Brennstoffen

Beim Erwachsenen trägt GH zur Regulation des Zwischenstoffwechsels bei. Es fördert die Lipolyse, also die Freisetzung von Fettsäuren aus gespeicherten Fetten, und beeinflusst den Glucosestoffwechsel. IGF-I besitzt wiederum insulinähnliche Wirkungen. Wachstum und Brennstoffverfügbarkeit werden so über verschiedene Zielgewebe abgestimmt. Für die Interpretation gehören hormonelle Wirkung, Ernährungszustand und betrachteter Zeitraum zusammen. [3]

IGF-I wirkt auf die übergeordneten Stationen zurück

IGF-I beteiligt sich an einer negativen Rückkopplung auf Hypothalamus und Hypophyse. Damit verändert ein Signal aus den Zielgeweben die weitere GH-Freisetzung. Zugleich hängt die IGF-I-Produktion von der Empfindlichkeit der Gewebe und vom Ernährungszustand ab. Die Achse enthält dadurch mehrere veränderliche Beziehungen zwischen Ausschüttung, Rezeptorantwort, Bindungsproteinen und Rückmeldung. Diese Verbindungen erklären, weshalb eine physiologische Beschreibung den gesamten Regelweg betrachtet. [8]

Medizinische Begriffe zum Nachschlagen

• Somatotropin: Wachstumshormon; gebräuchliche Abkürzung GH. [1]
• Somatotrope Zelle: GH-bildende Drüsenzelle des Hypophysenvorderlappens. [1]
• Pulsatil: Freisetzung mit zeitlich getrennten Anstiegen der Konzentration. [4]
• Hepatozyt: Leberzelle; beteiligt an der Bildung des zirkulierenden IGF-I. [8]
• STAT5: Signalprotein und Transkriptionsfaktor der GH-Rezeptor-Signalkette. [7]
• IGFBP: insulinähnlichen Wachstumsfaktor bindendes Protein; beeinflusst die Verfügbarkeit von IGF. [10]

Verbundene Wissensbereiche

Die Übersicht zu Hypothalamus und Hypophyse ordnet den Portalweg und die verschiedenen Zellpopulationen ein. Hormonrezeptoren vertieft die Übersetzung von Bindung in eine Zellantwort. Proteinfaltung und Chaperone erschließt die räumliche Organisation von Proteinen. Der Eiweißstoffwechsel verbindet Aminosäuren, Synthese und Abbau.