הקולטן Melanocrtin-4-R

הדפס

מדריך בדיקות מעבדה
melanocrtin-4-R
שמות אחרים	MC4R, melanocortin 4 receptor
מעבדה	ביולוגיה מולקולרית
תחום	השמנה והרזייה.
יוצר הערך	פרופ' בן-עמי סלע

קולטן זה מקודד באדם על ידי הגן MC4R (Magenis וחב' ב-Mammal Genome משנת 1994 ו-Sundaramurthy וחב' ב־Cytogenetell Genet משנת 1998). MC4R הוא קולטן הקשור לחלבון G הקושר α-melanocyte stimulating hormone (להלן (αMSH. במודלים של עכבר, קולטני MC4 קשורים להתנהגות אכילה, לוויסות מטבוליזם, להתנהגות מינית ולזיקפה בזכרים (Fan וחב' ב-Nature משנת 1997, Huszar וחב' ב-Cell מאותה שנה ו-Van der Ploeg וחב' ב-Proc Natl Acad Sci USA משנת 2002).

הקולטן melanocortin-4 שובט בשנת 1993, עם זאת תפקידו לא היה ידוע. מחקרים נלווים רמזו ש-MC4R כרוך כנראה בוויסות של ההומאוסטזיס של אנרגיה. השערה זו אושרה בשנת 1997 בסדרת מחקרים בעכברים. בשנת 1998 מחקרים גנטיים באדם הדגימו שמוטציות ב-MC4R יכולים לגרום ל-obesity מונוגנית. אנו יודעים שמוטציות ב-MC4R הן הצורה המונוגנית השכיחה ביותר, עם למעלה מ-150 מוטציות שדווחו.

משמעות קלינית

בשנת 2009, שני מחקרים מאוד גדולים של genome-wide (להלן GWAS) על משמעות BMI, אישרו את הקשר בין וריאנטים הממוקמים בערך 150 kilobase במורד הגן MC4R, הקשורים לעמידות לאינסולין, ל-obesity ולתכונות אנטרופמטריות אחרות (Chambers וחב' ב-Nature Genet משנת 2008, Loos וחב' באותו כתב-עת מאותה שנה). ל-MC4R ייתכנו שימושים נוספים לניבוי הרגישות לתופעות לוואי הנגרמות על ידי תרופות, כגון עליה במשקל ואנומליות מטבוליות. GWAS נוסף שבוצע בשנת 2012, זיהה 20 SNPs (או single nucleotide polymorphysims) הממוקמים בערך 190 kb במורד MC4R וקשורים לעלייה ניכרת במשקל המושרית על ידי התנהגות אנטי-פסיכוטית.

ה- rs489693 polymorphism בעיקר, הוא איתות חזק בעל השפעות רצסיביות עקביות בשלושה מדגמים של רפליקציה (Yang וחב' ב-Mol Endocrinol). בהתאם לכך, האגוניסטים של MC4R עוררו עניין כטיפולים פוטנציאליים במקרי obesity ועמידות לאינסולין (Fosgerau MC4R וחב' ב-J Endocrinol משנת 2014), בה בשעה שהאנטגוניסטים של MC4R עוררו עניין כטיפולים פוטנציאליים למקרי כחשון (Cachexia) ‏(Foster ו-Chen ב־Curr Topic Med Chem משנת 2007). נקבעו גם מבני הקומפלקס של הקולטן עם האגוניסט setmelanotide (Israeli וחב' ב-Science משנת 2021), ועם האנטגוניסט SHU9119 (Yu וחב' ב-Science משנת 2020). bremelanotide (הידוע גם כ-PT-141), האגוניסט של MC4R הנמכר תחת שם המותג Vyleesi, אושר בארצות הברית לטיפול בליבידו נמוך בנשים. Melanotan II, שהוא אנלוג סינתטי של α-MSH נמכר לאוכלוסייה לעידוד הליבידו (Shadiack וחב' ב־Curr Top Med Chem משנת 2007).

Afamelanotide, האגוניסט של הקולטן melanocortin, נמצא משרה את ביטויו של brain-derived neurotrophic factor (להלן BDNF) במוחות מכרסמים על ידי שפעול של הקולטן ותיווך בנוירוגנזה ובהתאוששות הקוגניטיבית במודלים של מחלת אלצהיימר בחיות (Giuliani וחב' ב־Mol Cell Neurosci משנת 2015). אנטגוניסטים ל-MC4R מייצרים השפעות נוגדות דיכאון במודלים של דיכאון ודאגנות במודלים של חיות (Serova וחב' ב־Behav Brain Res משנת 2013). ואגוניסטים של הקולטן כגון melanotan II, על ידי שפעול של מערכת oxytocin מרכזית, נמצא מעודד קשר בין זוגות של שרקני ערבה (prairie voles), והוצעו כטיפולים אפשריים בחסכים חברתיים כדוגמת ספקטרום של אוטיזם וסכיזופרניה (Shaki ו-Okubo ב־Curr Top Med Chem משנת 2007). בשנת 2008, מוטציות ב-MC4R, דווחו ככרוכות עם obesity תורשתית באדם (Loos וחב' ב-Nature Genet משנת 2008). הן נמצאו גם בהטרוזיגוטים, מה שמרמז למתווה של תורשה אוטוזומלית דומיננטית. למוטציות אלו יש שכיחות של 1.0-2.5% באנשים עם BMI גדול מ-30, מה שהופך אותן לפגם הגנטי הידוע ביותר הקשור ל-obesity (Farooqi ו-O'Rahilly ב־Endocr Rev משנת 2006). במטה אנליזה exome wide בשלושה מדגמים (UKB, GHS ו-MCOS) נמצאו 16 גנים בהם וריאנטים גנטיים היו כרוכים ב-BMI. מבין 16 גנים אלה, אנליזה זיהתה שני גנים בהם מוטציות נדירות גורמות ל-obesity מונוגנית: MC4R ו-PCSK1 או proprotein convertase subtilisin/kexin type 1.

המוטציות בגן MC4R כרוכות עם אבחון מוקדם של obesity, ובין שאר המוטציות נמצא את C293R ואת S94N, והן באות לביטוי בעלייה מהירה במשקל מגיל צעיר; התפתחות של obesity חמורה מגיל פחות מ-3 שנים; דרישה עיקשת למזון כבר מגיל 6 חודשים; גובה ניכר והתפתחות גדילה מהירה (MC4R monogenic diabetes). יש חלופות טיפול מוגבלות לצורה השכיחה ביותר של obesity מונוגנית. תסמיני המוטציות ב-MC4R יכולות להיות מטופלות על ידי lraglutide שהוא אגוניסט של Glucagon-like Peptide-1 Receptor המפחית משקל על ידי הפחתת התיאבון. נמצא שתכשיר זה במינון יומי של 3.0 מיליגרם למשך 16 שבועות, מפחית משקל ומוריד את ריכוז גלוקוז, ויכול להיות יעיל בצורה השכיחה ביותר של obesity מונוגנית.

אינטראקציות

NC4R נמצא מגיב עם proopiomelanocortin (להלן POMC) (Yang וחב' ב-Biochemistry משנת 2000). ללPOMC הוא הפפטיד הקודמן להורמון המבוקע למספר הורמונים פפטידיים אחרים. כל הליגנדים האנדוגניים של MC4R מיוצרים על ידי ביקוע של פפטיד קודמן זה. אגוניסטים אנדוגניים כוללים את α-MSH, β-MSH, γ-MSH ו-ACTH (Magenis וחב' ב-Mammalian Genome משנת 1994).

כחשון

מערכת ה-melanocortin נמצאה כרוכה בפתוגנזה של אנורקסיה ואיבוד משקל הגורם לכחשון. מחלות כרוניות רבות גורמות לרמות מוגברות של ציטוקינים מקדמי-דלקת. מחקר של Marks וחב' הראו שנוירוני POMC ב-ARC (arcuate nucleus) מבטאים את הקולטן type I IL-1, ומגיבים לגירוי של IL-1β עם הפרשה מוגברת של α-MSH. MC4R שלם נדרש להשריית כחשון על ידי החדרת ליפופוליסכרידים (להלן LPS), המייצרים דלקת, או על ידי גידול סרטני, או על ידי uremia. חסימה של MC4R הביאה לחסימת אנורקסיה מושרית על ידי ציטוקינים, ואכן מתן אקסוגני של α-MSH הגביר את האנורקסיה המושרית על ידי LPS.‏ MC4R עשוי גם לתווך בשינויים בתרמוגנזה במצבי אנורקסיה. מולקולות קטנות המשמשות כאנטגוניסטים של MC4R, נמצאו מקלות על מצבי כחשון במספר מודלים. Vos וחב' הראו ש-ML00253764, מולקולה קטנה שהיא אגוניסטית של MC4R, יכולה להגיע ל-CNS לאחר הזרקתה מתחת לעור, ומפחיתה את איבוד המשקל האופייני לגידולים סרטניים. ממצא זה אושר במחקר אחר בו הוזרקו לעכברים עם גידולי קרצינומה ריאתית מסוג Lewis. מולקולה קטנה נוספת המשמשת אנטגוניסט ל-MC4R אשר פותחה על ידי Neurocrine Biosenses והידועה כ-NBI-12i, נמצאה מחלישה את הכחשון המושרה על ידי גידולים סרטניים או uremia, על ידי הזרקתה אל תוך הפריטונאום. דווח ששני אנטגוניסטים קטנים של MC4R, מסוגלים לעבור דרך מחסום דם-מוח (BBB) כאשר הם נלקחים באופן פומי, ולמנוע באופן מוחלט איבוד משקל ודלדול הרקמה השומנית או דלדול השרירים, הנגרמים על ידי גידול מסוג C26 אדנוקרצינומה.

ל-MC4R ישנם 4 אתרי גליקוזילציה פוטנציאליים: Asn26 ,Asn17, Asn3 ו-Asn108, ואף על פי שידוע ש-MC4R הוא גליקופרוטאין, אין דיווחים מי מהאתרים הללו אמנם עובר גליקוזילציה. שני שיירים משומרים של ציסטאין בקצה ה-C-טרמינלי, Cys318 ו-Cys319, עשויים להוות אתרים לפלמיטואילציה מה שמעגן את הקצה ה-C טרמינלי לממברנת התא, וליצור לולאה תוך תאית רביעית. במחקר המקורי של Gantz על ידי northern blotting של mRNAs של כלבים, נמצא ש-MC4R מבוטא בעיקר במוח, ובשיטת היברידיזציה in situ של מוח עכבר, נמצא ש-mRNA של MC4R מבוטא באזורים של התלמוס, ההיפותלמוס, וההיפוקמפוס. כמו כן התגלה mRNA של MC4R ב-dentate gyrus, בקליפה ובעמיגדלה. בנוסף לנוירונים גם אסטרוציטים מבטאים את MC4R. בנוסף, mRNA של MC4R נמצא מבוטא גם ברקמות היקפיות בתקופת העוברות, כגון בלב המתפתח, הריאות והשרירים של הסרעפת. אף על פי ש-MC4R mRNA, אינו מתגלה בבלוטת האדרנל, בכבד, בהיפופיזה, ברקמת השומן המזנטרי, ובטחול של החולדה הבוגרת, ניתן לגלותו בלב, בריאות, בכליות ובאשכים בתקופת העוברות. לעומת זאת, MC3R מבוטא בעיקר בתוך ההיפותלמוס, עם התבטאות מוגבלת בתלמוס ובגזע המוח.

מוטציות ב-MC4R המתרחשות באופן טבעי

בשנת 1998 קבוצות המחקר של Froguel ושל O'Rahilly דיווחו באופן בלתי תלוי שמוטציות frameshift בגן MC4R כרוכות ב-obesity בגיל מוקדם. מאז התגלו עוד למעלה מ-150 מוטציות באנשים מאוד שמנים ממוצאים אתניים שונים. מוטציות אלה כללו לפחות 122 מוטציות missencse, שתי מוטציות של שמט (deletion), ו-7 מוטציות nonsense, ומספר עשרות של frameshift. בסך הכול 105 אזורי קולטן עברו מוטציה, שמבטאים 32% ממולקולת הקולטן. השכיחות של המוטציות ב-MC4R תלויה מאוד במוצא האתני, בחומרת ה-obesity, ובגיל הופעת ה-obesity: עד 6% מהבריטים הלבנים בהם obesity הופיעה מוקדם, נמצאו מכילים מוטציות אלו. מחקרים אחרים מצאו אחוזי שכיחות מוטציות נמוכה בהרבה: 0% בילדים ומבוגרים בלגיים עם obesity,‏ 1.9% בילדים ובני נוער גרמנים, 1.8% בילדים עם obesity בפינלנד, 1.7% באירופים לבנים עם obesity,‏ 4.63% באינדיאנים משבט Pima, ו-2.3% בצפון אמריקאים שמנים באופן בולט. אחוזים נמוכים יותר מופיעים באוכלוסיות אסיאתיות ואלה של הים התיכון.

אף על פי שישנם מספר נבדקים הומוזיגוטיים למוטציות MC4R, לרוב מדובר בנבדקים הטרוזיגוטיים. כיוון שלא כל אלה עם מוטציות ב-MC4R הן obese,‏ O'Rahilly וחב' הציעו שהמנגנון המתאים ביותר היא הקו-דומיננטיות והאפנון של ביטוי וחדירה של הפנוטיפ. Obesity היא מפגע רב-גורמי עם אינטראקציות בין הגנוטיפ והסביבה. ההשפעה של מוטאציות ב-MC4R על ה-BMI בולטת יותר בנשים מאשר בגברים. אלה הנושאים מוטציות אלה, בהשוואה לנשים וגברים בגיל הביניים בהם אין מוצאים אותן, הם בעלי BMI הגדול ב-9.5 עד 4 ק"ג/מ², בהתאמה. סטרואידים של מגדר עשויים להיות גורמים מסייעים.

המשמעות הקלינית

בשנת 2009, שני מחקרים מאוד גדולים של genome-wide association studies (להלן GWAS) של BMI, אישרו את הקשר של וריאנטים הממוקמים 150kb במורד הגן MC4R עם עמידות לאינסולין ו-obesity (ללChambers וחב' ב-Nature Genet משנת 2008, Loos וחב' באותו כתב עת מאותה שנה, ו-Willer וחב' באותו כתב עת משנת 2009). המוטציות בגן MC4R כרוכות עם אבחון מוקדם של obesity, ובין שאר המוטציות נציין את C293R ואת S94N, והן באות לביטוי בעלייה מהירה במשקל מגיל צעיר; התפתחות של obesity חמורה מגיל פחות מ-3 שנים; דרישה עיקשת למזון כבר מגיל 6 חודשים; גובה ניכר והתפתחות גדילה מהירה (MC4R monogenic diabetes). יש חלופות טיפול מוגבלות לצורה השכיחה ביותר של obesity מונוגנית. תסמיני המוטציות ב-MC4R יכולות להיות מטופלות על ידי lraglutide שהוא אגוניסט של Glucagon-like Peptide-1 Receptor המפחית משקל על ידי הפחתת התיאבון. נמצא שתכשיר זה במינון יומי של 3.0 מיליגרם למשך 16 שבועות, מפחית משקל ומוריד את ריכוז גלוקוז, ויכול להיות יעיל בצורה השכיחה ביותר של obesity מונוגנית.

מערכת ה-melanocortin מורכבת מאגוניסטים אחדים, משני אנטגוניסטים, ומחמישה קולטנים. האגוניסטים הכוללים את α-MSH, את β-MSH, את γ-MSH ואת ACTH, כמו גם את γ3-MSH ואת desacetyl-α-MSH, נובעים מעיבוד של קדם-ההורמון POMC. בחלק הקדמי של בלוטת יותרת המוח, POMC עובר עיבוד והופך ל-ACTH ולפפטידים אחרים, על ידי על ידי prohormone convertase (להלן PC). בבעלי חוליות נמוכים יותר, כמו דגים ודו-חיים, כמו גם בשלבי העוברות או בשלב הוולדות באדם, PC2 המבוטא ב-pars intermedia שהוא אחד משלושת החלקים של ההיפופיזה הקדמית, גם כן מפריש MSH, בעור ובזקיקי השיער כמו גם בגזע המוח ובהיפותלמוס, POMC עובר עיבוד נוסף על ידי PC2 ל-MSH. ללPOMC הוא גן עתיק המבוטא ב-sea lamprey שהם דגים מיתרניים בעלי חוליות עתיקים חסרי לסתות שבוגריהם מתאפיינים בפה משונן דמוי משפך, ומכאן שגן זה קיים 700 מיליון שנה. מערכת ה-melanocortin ייחודית בשני האנטגוניסטים האנדוגניים שלה, agouti ו-agouti-related peptide (להלן AgPR). לא זוהו כל אנטגוניסטים אנדוגניים במערכות של קולטנים הקשורים לחלבון G (להלן GPCR). חמשת הקולטנים של מלנוקורטין מתווכים במגוון הפעילויות של המלנוקורטינים השונים. הם ממוספרים כ-MC1R עד MC5R, כאשר MC1R הוא הקולטן הקלאסי של MSH מווסת פיגמנטציה. MC2R הוא הקולטן הקלאסי של ACTH, ומבוטא ביפת בלוטת האדרנל ומווסת את סטראוגנזה של האדרנל. שני הקולטנים, MC3R ו-MC4R מבוטאים בעיקר במערכת העצבים המרכזית. MC5R מבוטא באופן נרחב, בעיקר בבלוטות אקסוקריניות. הקולטנים MC3R ו-MC4R קשורים להומאוסטאזיס של אנרגיה. מחקרים בחיות knockout מבחינת MC3R מדגימים יעילות גדולה בהאכלה וב-adiposity. לעומתו, MC4R מווסת את צריכת המזון ובזבוז אנרגיה.

קבוצות המחקר של Gantz ו-Cone שיבטו באופן בלתי תלוי את הקולטן MC4R האנושי, ובשיטת היברידיזציה פלואורסצנטית in situ הגן המקודד ל-MC4R מוקם בכרומוזום 18 באתר 18q21.3. מאז שובט MC4R בעכברים, כלבים, חתולים, חזירים, כבשים ופרות, ובפרימטים אחדים כולל קופים שונים. גן זה שובט גם בלא-יונקים כגון דגים, תרנגולות, ויונים. רצף חומצות האמינו בין מיני בעלי החיים שונים משומר באופן ניכר. לדוגמה, ישנה זהות של 93% בין MC4R של אדם ושל חולדה, וזהות של 87% ברצף חומצות האמינו של אדם ושל תרנגולת. אפילו דגי זברה חולקים זהות של 71% עם רצף חומצות האמינו של MC4R באדם, וזהות של למעלה מ-90% ברצף חומצות האמינו במקטע הטרנס ממברנלי של קולטן זה באדם.

ראו גם

• חזרה לדף מדריך בדיקות מעבדה
• בדיקות מעבדה - סטטוס תזונתי

המידע שבדף זה נכתב על ידי פרופ' בן-עמי סלע, המכון לכימיה פתולוגית, מרכז רפואי שיבא, תל-שומר;
החוג לגנטיקה מולקולארית וביוכימיה, פקולטה לרפואה, אוניברסיטת תל-אביב (יוצר הערך)