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Vila, Greisa (2004): Sonic hedgehog signaling pathway in normal and adenomatous pituitary. Dissertation, LMU München: Faculty of Medicine
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Abstract

This work investigates for the first time the expression and the role of Sonic hedgehog signaling pathway in adult pituitary and in pituitary tumors. Shh is a signaling protein, important in regulating patterning and proliferation in the embryo and the adult. It has a crucial role in pituitary development and Shh deficient mice do not even have a rudimentary Rathke's pouch (the development structure that gives rise to anterior pituitary). This study reveals the presence of an active Shh pathway in the post-developmental pituitary gland, with major impacts on hormone secretion and cell proliferation. After embryonic development, Shh continues to be expressed in the normal adult pituitary, being mainly co-localized in corticotrophs. These cells express also the receptor Ptc2 and the Shh induced transcription factor Gli1, being so Shh-producing and Shh-responsive cells. Shh acts in an autocrine way inside corticotrophs, inducing a major stimulation of ACTH secretion in the normal rat pituitary and in the AtT-20 cell line. The Shh induced ACTH secretion effect is synergistic with CRH. Shh stimulation increases CRH-R1 levels, up-regulating so the response of corticotrophs to CRH. At the same time, Gli1 is not only activated by Shh, but also by CRH and PKA. Gli1 itself activates POMC-transcription and acts in parallel upstream to CREB and AP-1. A major increase in Shh protein levels is seen as a result of CRH stimulation. All these results put in evidence a multiple cross-talk between these two important pathways acting at different levels to insure the final ACTH stimulation. Other types of hormone-secreting adenohypophysial cells possess one of Shh receptors (Ptc1 or Ptc2) and the transcription factor Gli1, so they have an active Shh pathway. Shh produced in the corticotrophs is a signaling protein, so it diffuses and acts also in distance. Shh increases GH secretion from the rat pituitary somatotrophs and from the GH3 cell line, while the effect on Prolactin is not statistically significant. The Sonic hedgehog pathway is downregulated in pituitary adenomas. Screening of 55 pituitary tumors reveals that they have a significantly reduced expression of Shh and Gli1. Although Shh in the normal pituitary is secreted by corticotroph cells, all the Cushing tumors screened had no Shh expression at all. Cell culture experiments performed in the AtT-20 corticotroph cell line in vitro show that Shh reduces cell proliferation by 50% and this effect is partially reducible by Cyclopamine. So Shh maintains the low proliferative capacity of corticotrophs in the normal pituitary gland and its loss may be one of the factors leading to tumor progression. It is concluded that Shh is produced in the anterior pituitary gland, is a major stimulant of ACTH and GH secretion, acts synergistically with CRH, opposes corticotroph cell proliferation and is downregulated in pituitary adenomas.

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wurde erstmals die Expression und die Rolle des Sonic Hedgehog (Shh) Signalweges in adulten Hypophysen und Hypophysentumoren untersucht. Shh ist ein Signalprotein, das im Embryo und beim Erwachsenen wichtig fuer die Regulation der Zelldifferenzierung und -proliferation ist. Es ist fuer die Entwicklung der Hypophyse von herausragender Bedeutung, da Shh-defiziente Maeuse noch nicht einmal eine rudimentaere Rathkesche Tasche (aus der sich der Hypophysenvorderlappen entwickelt) bilden koennen. Die hier praesentierte Untersuchung zeigt, dass es in der voll entwickelten Hypophyse einen aktiven Shh-Signaltransduktionsweg gibt, der von betraechtlicher Bedeutung fuer die Hormonsekretion und Zellproliferation ist. Nach der Embryonalentwicklung wird Shh weiter in der normalen, erwachsenen Hypophyse exprimiert, wobei es vorwiegend in kortikotropen Zellen lokalisiert ist. Diese Zellen exprimieren auch den Shh-Rezeptor Ptc2 und den Shh-induzierten Transkriptionsfaktor Gli1 und sind somit sowohl Shh-produzierende als auch Shh-responsive Zellen. Shh wirkt auf autokrine Weise in den kortikotropen Zellen, indem es eine erhebliche Stimulation der ACTH Sekretion in der normalen Hypophyse und in der kortikotropen AtT20 Zelllinie induziert. Shh wirkt synergistisch mit CRH auf die Induktion der ACTH Freisetzung. Die Stimulation mit Shh erhoeht die Expression des CRH-Typ 1 Rezeptors (CRH-R1) und erhoeht so die Empfindlichkeit kortikotroper Zellen auf CRH. Gleichzeitig wird Gli1 nicht nur durch Shh, sondern auch durch CRH und PKA erhoeht. Gli1 selbst aktiviert die POMC Transkription parallel zu CREB und AP-1. Ein erheblicher Anstieg der Shh-Proteinspiegel wird nach CRH-Stimulation beobachtet. In ihrer Gesamtheit weisen diese Ergebnisse auf vielfaeltige Interaktonen auf unterschiedlichen Ebenen zwischen diesen zwei wichtigen Signalwegen hin, um letztlich die ACTH Stimulation zu gewaehrleisten. Auch andere hormonsezernierende Hypophysenzellen besitzen einen der Shh-Rezeptoren (Ptc1 oder Ptc2) und den Transkriptionsfaktor Gli1 und haben daher ein aktives Shh-System. Shh, das in kortikotropen Zellen gebildet wird, ist ein Signalprotein, das nach Diffusion auch in einiger Entfernung in benachbarten Zellen wirksam ist. Shh steigert die GH Sekretion in somatotropen Zellen und in laktosomatotropen GH3 Zellen, waehrend sein Effekt auf Prolaktin statistisch nicht signifikant ist. Der Shh-Signaltransduktionsweg ist in Hypophysenadenomen herunterreguliert. Die Untersuchung von 55 Hypophysenadenomen ergab, daaa in den Tumoren die Expression von Shh und Gli1 signifikant reduziert ist. Obwohl in der normalen Hypophyse Shh von kortikotropen Zellen sezerniert wird, exprimierten alle untersuchten kortikotropen Adenome ueberhaupt kein Shh. Zellkulturexperimente mit AtT20 Zellen zeigten, dass Shh die Zellproliferation um 50 % reduzierte und dass dieser Effekt teilweise durch Cyclopamine, einem Inhibitor des Shh-Signaltransduktionsweges, aufgehoben werden kann. Das weist darauf hin, dass Shh fuer die geringe proliferative Kapazitaet von kortikotropen Zellen in der normalen Hypophyse verantwortlich ist, und dass sein Verlust einer der Gruende ist, die zur Progression von Hypophysentumoren fuehren. Zusammenfassend kann man feststellen, dass Shh im Hypophysenvorderlappen produziert wird, dass es ein bedeutender Stimulator der ACTH und GH Sekretion ist, dass es syergistisch mit CRH wirkt, dass es der Proliferation von kortikotropen Zellen entgegenwirkt und dass es in Hypophysenadenomen herunterreguliert ist.