Proopiomelanokortyna (POMC) – polipeptyd prekursorowy, który ulega obróbce potranslacyjnej specyficznie dla określonej tkanki, dając w efekcie aktywne biologicznie hormony peptydoweCanny BJ, Smith AI, Clements JA, Funder JW. Post-translational processing of pro-opiomelanocortin in the Brattleboro (di/di) rat pituitary. Neuroendocrinology. 1988 Dec;48(6):603-10.. Produkty POMC odgrywają rolę w tak różnorodnych zjawiskach jak otyłość, depresja, pigmentacja skóry, rozwój nadnerczy oraz w regulacji osi podwzgórze-przysadka-nadnercza.
Występowanie Zidentyfikowano go u większości grup kręgowców. mRNA genu POMC znaleziono w przednim jak i środkowym płacie przysadki, w różnych częściach mózgu takich jak podwzgórze (głównie jądro łukowate (ARC – arcuate nucleus)), ciało migdałowate, kora oraz w jądrach i najądrzach, jajnikach, łożysku i wielu komórkach nowotworowychCivelli, O.; Birnberg N.; Herbert E. Detection and quantitation of pro-opiomelanocortin mRNA in pituitary and brain tissues from different species. J. Biol. Chem. 257:6783– 6787; 1982.Gee CE, Chen CL, Roberts JL, Thompson R, Watson SJ 1983 Identification of proopiomelanocortin neurones in rat hypothalamus by in situ cDNA-mRNA hybridization. Nature 306:374–376Chen, C.-L. C.; Mather, J. P.; Morris, P. L.; Bardin, C. W. Expression of pro-opiomelanocortin-like gene in the testis and epididymis. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 81:5672–5675; 1984.De Bold, C.R., Schworer, M.E., Connor, T.B., Bird, R.E. and Orth, D.N. (1983) Science 220, 721-723..
POMC a pobieranie pokarmu Neurony POMC zaangażowane są w redukcję masy ciała i pobierania pokarmu, głównie poprzez wydzielanie produktu – alfa-melanokortyny, wiążącego się z receptorem melanokortyny 3 (MC3-R) i receptorem melanokortyny 4 (MC4-R). Oba te receptory znajdują się w m.in. podwzgórzu. Myszy z nokautem receptora MC4 są otyłe. Generalnie mutacje tego receptora wywołują otyłość również u ludzi. Neurony POMC w jądrze łukowatym równolegle wydzielają peptyd CART (cocaine and amphetamine related transcript), będący dość silnym inhibitorem pobierania pokarmu. Podwzgórzowe neurony POMC i AGRP odpowiadają na sygnały o utracie i wzroście statusu energetycznego organizmu. Pozbawienie lub ograniczenie pokarmu, które daje w efekcie negatywny wpływ na równowagę energetyczną, stymuluje apetyt w celu odzyskania strat poprzez zmniejszenie poziomu ekspresji POMC oraz zwiększenie mRNA AGRP w jądrze łukowatym. Odpowiedź na przejadanie się u zdrowych organizmów polega na zwiększeniu ekspresji POMC w podwzgórzu.
Skład U ssaków do peptydów POMC należy: adrenokortykotropina (ACTH), melanotropiny (α, β, γ), CLIP (peptyd kortykotropinopodobny pośredniego płata przysadki), lipotropina (β i γ-LPH), beta-endorfina (βEND)Nakanishi S, Inoue A, Kita T, Nakamura M, Chang AC, Cohen SN, Numa S 1979. Nucleotide sequence of cloned cDNA for bovine corticotropin-beta-lipotropin precursor. Nature 278 423–427, sekwencje N-końcowe o działaniu mitogennymEstivariz FE, Iturriza F, McLean C, Hope J & Lowry PJ. Stimulation of the adrenal mitogenesis by N terminal POMC peptide. Nature 1982 297 419–422..
Organizacja genu 400px|right Gen POMC zlokalizowano w chromosomie 2 człowieka, na ramieniu krótkim tego chromosomu, w regionie 2, jako prążek 3 i subprążek 3 (2p23.3)Zabel, B. U., S. L.Naylor, A. Y. Sakaguchi, G. I. Bell, and T. B. Shows. 1983. High-resolution chromosomal localization of human genes for amylase, proopiomelanocortin, somatostatin, and a DNA fragment (D3S1) by in situ hybridization. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 80:6932–6936.Satoh, H., and S. Mori. 1997. Subregional assignment of the proopiomelanocortin gene (POMC) to human chromosome band 2p23.3 by fluorescence in situ hybridization. Cytogenet. Cell. Genet. 76:221–222.. Organizację genu i regionu regulatorowego 5’ zidentyfikowano w 1982 rokuCochet M, Chang AC & Cohen SN 1982 Characterization of the structural gene and putative 5’ regulatory sequences for human proopiomelanocortin. Nature 297 335–339.Whitfeld PL, Seeburg PH & Shine J 1982 The human proopiomelanocortin gene: organization, sequence, and interspersion with repetitive DNA. DNA 1 133–143., a pełną sekwencję w 1983 roku (w tym samym roku po raz pierwszy sklonowano ten genTakahashi H, Hakamata Y, Watanabe Y, Kikuno R, Miyata T & Numa S 1983 Complete nucleotide sequence of the human corticotropin-beta-lipotropin precursor gene. Nucleic Acids Research 11 6847–6858.). Gen zawiera 3 egzony rozdzielone dwoma dużymi intronami i liczy 7665 pz.
Egzon 1 zawiera 83 lub 87 pzRaffin-Sanson, M. L., Y. de Keyzer, and X. Bertagna. 2003. Proopiomelanocortin, a polypeptide precursor with multiple functions: from physiology to pathological conditions. Eur. J. Endocrinol. 149:79–90., nie ulega translacji i stanowi sekwencję, której zadaniem jest przyłączenie się do rybosomów, co ową translację zapoczątkowuje. Egzon 2 zawiera 152 pz i odpowiada sekwencji inicjującej w części 5’ mRNA nie ulegającego translacji. Ponadto koduje N-końcową 26-aminokwasową (inne źródła podają 43 lub 44 reszt)Eberle AN (1988) The Melanotropins. Basel, Karger8. Catania A, Airaghi L, Colombo G, and Lipton JM. _-Melanocytestimulating hormone in normal human physiology and disease states. Trends Endocrinol Metab 11: 304–308, 2000. sekwencję sygnałową niezbędną do transportu przez szorstką siateczkę endoplazmatyczną oraz część aminokwasów stanowiących region N-końcowy (NT – N-terminal). Egzon 3 zawiera 833 pz i koduje większość mRNA ulegającego translacji, czyli hormony, endorfiny, dalszy ciąg N-końcowego regionu (N-terminal), peptyd łączący (JP – joining peptide) – oraz region 3’ nie ulegający translacji.
U bezszczękowców, jednych z najstarszych kręgowców, peptydy POMC kodowane są przez dwa odrębne geny: POM – proopiomelanotropinę POC – proopiokortynęTakahashi A, Amemiya Y, Sarashi M, Sower SA & Kawauchi H 1995 Melanotropin and corticotropin are encoded on two distinct genes in the lamprey, the earliest evolved extant vertebrate. Biochemical and Biophysical Research Communications 213 490–498. POM koduje peptydy odpowiadające αMSH, βMSH i βEND, natomiast POC – ACTH i inną βEND.
Indukcja ekspresji POMC Kortykoliberyna (CRH, corticotropin releasing hormone), jest pierwszym aktywatorem transkrypcji POMCDallman MF, Akana SF, Cascio CS, Darlington DN, Jacobson L, LevinN1987 Regulation of ACTH secretion: variations on a theme of B. Recent Prog Horm Res 43:113–167Antoni FA 1986 Hypothalamic control of adrenocorticotropin secretion: advances since the discovery of 41-residue corticotropin-releasing factor. Endocr Rev 7:351–378Jones MT, Gillham B 1988 Factors involved in the regulation of adrenocorticotropic hormone/b-lipotropic hormone. Physiol Rev 68:743–818Autelitano DJ, Lundblad JR, Blum M, Roberts JL 1989 Hormonal regulation of POMC gene expression. Ann Rev Physiol 51:715–726Vale W, Vaughan J, Smith M, Yamamoto G, Rivier J, Rivier C 1983 Effects of synthetic ovine corticotropin-releasing factor, glucocorticoids, catecholamines, neurohypophysial peptides, and other substances on cultured corticotropic cells. Endocrinology 113:1121–1131. Produkowana jest głównie przez jądro przykomorowe PVN (paraventricularic nucleus) podwzgórza i wydzielana z zakończeń neuronów tego jądra do przedniego płata przysadki, gdzie stymuluje neurony kortykotropowe. CRH w stężeniach powyżej 1 nM skutecznie zwiększa aktywność promotora 5’ POMC. Znaczne zwiększenie poziomu mRNA genu zaobserwowano około 1 godziny po podaniu CRH, a maksymalny efekt po 3-5 godzinachAguilera G, Harwood JP, Wilson JX, Morell J, Brown JH, Catt KJ 1983 Mechanism of action of corticotropin-releasing factor and other regulators of corticotropin release in rat pituitary cells. J Biol Chem 258:8039–8045. W płacie przednim przysadki ekspresja genu POMC jest stymulowana również przez wazopresynę, a hamowana głównie przez glikokortykoidy.
Powstawanie produktów POMC Ponieważ peptydy produkowane w komórkach kortykotropowych są wycinane z tego samego prekursora, wydzielane są w ekwimolarnych ilościach podczas egzocytozy. Poziom ich we krwi nie jest jednakowy, z powodu różnych czasów półtrwania.
N-terminal, ACTH, βLPH i częściowo γ-MSH (częściowo, ponieważ pierwotnie jest ona fragmentem peptydu N-końcowego POMC) są pierwszymi funkcjonalnymi hormonami proopiomelanokortyny powstałymi po bezpośrednim jej cięciu.
Z N-terminal powstaje g-MSH, ACTH jest prekursorem dla kolejnych hormonów: αMSH (13 aminokwasowy odcinek ACTH licząc od końca aminowego) oraz CLIP (peptyd kortykotropinopodobny pośredniego płata przysadki lub inaczej ACTH 18-39), beta-lipotropina jest z kolei prekursorem dla β-endorfiny, będącej 31-aminokwasowym C-końcowym odcinkiem tego podprekursora oraz βMSH.Nakanishi S, Inoue A, Kita T, Nakamura M, Chang AC, Cohen SN, Numa S 1979. Nucleotide sequence of cloned cDNA for bovine corticotropin-beta-lipotropin precursor. Nature 278 423–427. βEND zaś pod wpływem specyficznych enzymów jest cięta do krótszych form o mniejszej aktywności opioidowej oraz przekształcana do form α-N-acetylowanych pozbawionych właściwości opioidowych
Fragmenty β-endorfiny: γ-endorfinę (βEND 1-17) oraz α-endorfinę (βEND 1-16) zidentyfikowano początkowo jako peptydy opioidowe, w ekstrakcie pochodzenia przysadkowo-podwzgórzowegoZakarian S, Smyth DG (1982) Distribution of 3-endorphinrelated peptides in rat pituitary and brain. Biochem J 202:561-571.Akil H, Young E, Watson SJ, Coy DH (1981) Opiate binding properties ofnaturally occurring N- and C- terminus modified beta-endorphins. Peptides 2:289-292Deakin JFW, Dostrovsky JO, Smyth DG (1980) Influence of N-terminal acetylation and C-terminal proteolysis on the analgesic activity of P-endorphin. Biochem J 189:501- 506.Suh HH, Tseng LF, Li CH (1987) Beta-endorphin (1-27) antagonizes beta-endorphin induced hypothermia in mice. Peptides 8:123-126..
Enzymy endoproteolityczne Prekursor POMC w różnych miejscach przysadki jest wykorzystywany inaczej; głównymi produktami przedniej części przysadki są ACTH oraz β-LPH, natomiast w części środkowej przysadki produkowane są w większości melanotropiny oraz β-endorfina. POMC, zanim stanie się aktywnym białkiem, musi przejść szereg cięć proteolitycznych i modyfikacji. W procesach tych uczestniczą endoproteazy: PC1 (znana również jako PC3), PC2 (subtilizynopodobne proteazy należące do rodziny proteaz serynowych – konwertaz prohormonów PC (prohormone convertase)), proteaza cysteinowa PTP (prohormone thiol protease) (w niewielkim stopniu), proteaza asparaginianowa (znana także jako enzym konwertujący proopiomelanokortynę – PCE (oroopiomelanocortin converting enzyme) odkryty w pęcherzykach wydzielniczych)Loh YP, Parish DC & Tuteja R 1985 Purification and characterization of a paired basic residue-specific proopiomelanocortin converting enzyme from bovine pituitary intermediate lobe secretory vesicles. Journal of Biological Chemistry 260 7194–7200., konwertaza PACE4 (paired basic amino-acid-cleaving enzyme-4).
POMC po dotarciu do szorstkiego ER przechodzi szlakiem wydzielniczym przez aparat Golgiego i ostatecznie dociera do pęcherzyków wydzielniczych, gdzie gromadzą się produkty końcowe obróbki potranslacyjnej przed ich wydzieleniem na drodze egzocytozyCool DR, Normant E, Shen F, Chen H, Pannell L, Zhang Y & Loh YP 1997 Carboxypeptidase E is a regulated secretory pathway sorting receptor: genetic obliteration leads to endocrine disorders in Cpefat mice. Cell 88 73–83.. Zarówno podczas tej drogi, jak i w pęcherzykach, POMC podlega endoproteolitycznym cięciom i modyfikacjom chemicznym.
Aktywność enzymów proteolitycznych w różnych tkankach POMC zawiera osiem par i jeden zestaw czterech zasadowych aminokwasów, które są potencjalnymi miejscami cięcia enzymów.