Välkommen till Endokrin- och Reproduktions-blocken 1 1

Endocrine group in Physiology Prof Håkan Billig Prof Suzanne Dickson Prof John-Olov Jansson Obesity Appetite Reproduction Neuroendo- crinology Dr Elisabet Stener-Victorin

The hypothalamus John-Olov Jansson

Hypotalamus functions Reglerar basala kroppsfunktioner Biorytmer (suprachiasmatic nucleus) Sömn (laterala hypotalamus - orexin) Defense-alarm räddsla- aggressivitet (CRH, (s), VMH (↓) vs amygdala (↑)) Tillväxt (frisättning GHRH och somatostatin, ghrelin receptorer). Reproduktion, inklusive beteende (GnRH) Förlossning (oxytocin, OBS även barnets hypotalamus!) Amning, inklusive mjölk produktion (PRL) och mjölkejektion (oxytocin) Törst (osmoreceptorer) Urinmängd (osmoreceptorer, ADH) Aptit (mediala vs laterala hypotalamus). Målorgan för leptin. Basal metabolism, aktivitet? (TRH, (s)) Kroppstemperatur (MPOA, IL-1, PGE2)

Anatomi Hypotalamus Basalt i hjärnan, framför hjärnstammen. Under thalamus. Nedanför och runt 3:e ventrikeln. (Främre delen av diencephalon). Människa: ca 20 kärnor 0.3-3 mm stora. Grå, består av grå cellkroppar. Axoner med neuroendokrin funktion: Nervterminaler basalt median eminens, Kapilärer ovan portakärlen, reglerar framloben, körtelhypofysen, som i sin tur reglerar periferin. Nervterminaler i bakloben, neurohypofysen, reglerar perifera organ direkt.

Principle hypothalamic - anterior pituitary portal system vs Posterior pituitary Neuron regulating the posterior pituitary Neuron regulating the anterior pituitary 1st capillaries To periphery 2nd capillaries To periphery

Hypothalamic nuclei Diuresis, Nursing, Adrenals, Thyroid Hunger, obesity Body temp Reproduction Paraventricular nucleus (PVN*) Lateral hypo- thalamus (LH*) Dorsal hypothalamic area Posterior hypothalamic area Preoptic nucleus (POA) Anterior hypothalamic area (AHA) Dorsomedial nucleus (DMN) Satiety, Anti- obesity Ventromedial nucleus (VMN) Supraoptic nucleus (SON*) Posterior pituitary Anterior pituitary Note: arcuate nucleus (ARC) not in this plane) Satiety, GH, PRL

1. Biorytmer F a blått ljus (488 nm) till retina stimulerar meanopsin i 2,5% av alla retinala ganglieceller (ej i tappar eller stavar). Retinohypothalamiska banan Suprachiasmatic nucleus (SCN) PVN - (s) nervsträngen  melatoninrytm (kvällshormon) PVN  CRH rytm  ACTH  cortisolrytm (morgonhormon) Sleep

Regulation of melatonin secretion – a long route I Anatomy Superior cervical ganglion of the sympathetic chain ganglia

Regulation of melatonin secretion – a long route! II Biochemistry Entrainment EYE RH TRACT SCN PVN LIGHT HINDBRAIN HYPOTHALAMUS SPINAL CORD TRYPTOPHAN Preganglionic fiber PINEALOCYTE SCG (Superior cervical ganglion) 5-HYDROXYTRYPTOPHAN -adrenergic receptor ATP NA 5-HYDROXYTRYPTAMINE Protein synthesis cAMP NAT Postganglionic fibres N-ACETYLSEROTONIN HIOMT Note: Light =>  (s) =>  NAT =>  Melatonin NAT: N-acetyl transferas MELATONIN (Night peak)

Regulation of melatonin secretion – a long route! Entrainment EYE RH TRACT SCN PVN LIGHT HINDBRAIN HYPOTHALAMUS SPINAL CORD TRYPTOPHAN Preganglionic fiber PINEALOCYTE SCG (Superior cervical ganglion) 5-HYDROXYTRYPTOPHAN -adrenergic receptor ATP NA 5-HYDROXYTRYPTAMINE Protein synthesis cAMP NAT Postganglionic fibres N-ACETYLSEROTONIN HIOMT Note: Light =>  (s) =>  NAT =>  Melatonin NAT: N-acetyl transferas MELATONIN (Night peak)

Regulation of HPA axis ? Early morning peak HYPOTHALAMUS EYE SCN PVN RH TRACT SCN PVN LIGHT ? CRH (with delay) ACTH Early morning peak Cortisol

Growth hormone secretion increases during slow wave sleep (SWS) Clock time SLEEP STAGE SWS Plasma GH g/l Clock time

Cellular clock due to delayed negative feedback by Cry/PER on Clock/Bmal1. Either: ↑Clock/Bmal1 ↓Cry/PER Or: ↓Clock/Bmal1 ↑Cry/PER Cry/Per

2. Sömn och hypothalamus Orexin i laterala hypotalamus  Vakenhet, hindrar sömn, f a REM-sömn. - Orexin rec2 mutation  Narkolepsi i Doberman pinchers. - Orexin neuron saknas hos människa med narkolepsi. Har episoder av REM sömn. (SWS undviks genom kompensation?) Orexin↑aptit & ↑↑förbränning  ↓fetma (Personer med narkolelepsi något obesa.)

Projektioner från orexin-neuron i laterala hypothalmus. Svält  ↑ orexin Vaken tid <--> ↑ orexin Orexin  ↑ alla monoaminer! Orexin-neuron producerar också glutamat. (stimulerande neurotransmittor) Orexin kan stim belöningssystemen (+hunger + vakenhet) Jakthormon? (Missbruk idag) Orexin KO möss: * Feta om mycket mat i djurstallar, * Svälter ihjäl i naturen??

Extrahypothalamic structures such as thalamus and RAS regulate wakefulness Intralaminar nuclei of thalamus Midbrain reticular formation ”Diffuse” stimulation of cerebral cortex.

3. Rädsla - Aggressivitet Ventromediala hypotalamus ger lugn (liksom mättnad) Amygdala stimulerar aggressivitet Gott om förbindelser mellan limbiska systemet och hypothalamus. Ilska  Ökat CRH, Ökat (s). Via PVN?

Neuroendocrine homeostasis Non- hypo- thalamus (eg amygdala) Both stimulatory and inhibitory factors. Maintain homeostatic balance (feedback without delay, not like Clock/Bmal vs Cry/Per). Closed feedback loops between target organ and hypothalamus-pituitary. Can of course be modulated by exogenous stimuli.

Regulation of anterior pituitary hormones by releasing and inhibitory factors GHRH + Somato- statin - Dopamin - + + + ADH+ = cortico- tropin = thyreo- tropin = gonado- tropin = somato- tropin

Regulation of adenohypophysis by hypothalmic nuclei optic chiasm hypophyseal portal vessels median eminence Neuroendocrine cells of the: Arcuate nucleus (ARN) Growth hormone-releasing hormone (GHRH) Dopamine Paraventricular nucleus (PVN) Corticotropin-releasingfactor (CRF) Thyrotropin-releasing hormone (TRH) Vasopressin (ADH) Oxytocin Preoptic area (POA) and anterior hypothalamic area (AHA) Gonadotrophine releasing hormone (GnRH) Periventricular nucleus (Pe) Somatostatin anterior pituitary (adenohypophysis)

Hypothalamic control of GH secretion 4. Regulation of body growth Hypothalamic control of GH secretion + Somatostatin - Ghrelin from the stomach! + GHRH ↑GHRH + GH The pulsatile GH secretion from the anterior pituitary is regulated by the hypothalamus. ↑ Somatostatin

Negative feed-back of IGF-I on GH-secretion at the pituitary level Hypothalamus _ GHRH Somatostatin GH + Shortloop feedback - _ IGF-1 GH Longloop feedback + Somatostatin in many parts of the body. Almost always inhibiting something: ”Panstatin” Wallenius et al Endocrinology 2001

5. Reproduktion, inklusive beteende (GnRH) Hypothalamus Sexual behavior (Anterior) hypothalamus and limbic system Involved. Androgens and estrogens amplify “the usual sexual drive”. Effects by both if implanted into male or female hypothalamus. (Input to hypothalamus from vomeronasal organ. Controversial in humans?) GnRH Testo- sterone Pituitary FSH LH Inhibin B Testes

Effekter på könsidentitet Male Storlek Bed Nucleus of the Stria Terminalis (BSTc) Heterosexuell man = homosexuell man = 2*Kvinna = 2* transsexuell man (Zhou et al 1995; Nature 378:68-70). (some dispute about this.) Female

6+7. Förlossning och amning: oxytocin Hypothalamus SON PVN increased oxytocin brain stem anterolateral colums (ipsi- and contra-) medial forebrain bundle dorsal horn suckling LACTATION Hypothalamus SON PVN increased oxytocin uterus brain stem cervix anterolateral colums (ipsi- and contra-) medial forebrain bundle dorsal horn tactile stimulation PARTURITION

8+9. Törst och diures: Vasopressin (antidiuretisk hormon, ADH) Vardagsreglering Högt osmotiskt tryck (OVLT)   törst,  ADH Krisreglering: Låg blodvolym  a) angiotensin II (SFO) och b) ↓ Baroreceptorstim  (i) Ökad törst, Ökat ADH (även om lågt osmotisk tryck). (ii) Vasokonstriktion (vasopresin-effekt.) H2O ADH acts on aquaporin-2 in collecting ducts

Regulation of neurohypophysis by hypothalamic nuclei PVN Magnocellular: oxytocin and vaspressin (Parvocellular: CRH+ADH and TRH to ME.) SON optic chiasm posterior pituitary (neurohypophysis) systemic circulation Oxytocin ADH

10+11. Mechanism for setpoint: Feedback regulation of fat mass - Leptin The ob mouse lacks leptin (Jeff Friedman Nature 1994) S-leptin Feeding ↑ Energy Expenditure Fat mass - Fat

Problemet med leptin: De flesta obesa har högt, och inte lågt, leptin i blodet. Deras hjärnor är leptinokänsliga. ↑↑ matintag förbränning - ↑ Leptin ↑Fett

Leptin signal for fasting - not overfeeding. high Ideal Decreased appetite Increased thermogenesis C Leptin Action Reality A D Increased appetite Decreased thermogenesis B low low high Serum Leptin Level Jeff Flier

Fasting adaptation when  leptin works OK (”to ration”) Leptin effect A B Severe hunger Decreased energy burning ( TRH,  (S) ) Diabetogenic effect  leptin   glucose uptake in muscle. (Like ↑ glucagon etc) Stimulated ACTH - Cortisol axis Decreased growth Despite ↑ GH. Inhibited reproduction, especially in women. Suppressed immune defence Much of this via the hypothalamus S-leptin

Ghrelin från den tomma magsäcken ger hunger Ghrelin från den tomma magsäcken ger hunger. PYY 3-36, GLP-1 från den fulla tarmen ger mättnad less obesity + more obesity matintag förbränning - Leptin full fettvävnad  Mättnad - + Ghrelin tom magsäck  Hunger * PYY 3-36 * GLP-1 full tarm (Byetta, Victoza) Mättnad (Ökat insulin) Fett

Ventromedial hypothalamus Hypothalamic lesion & Feeding Lateral hypothalamus lesion Ventromedial hypothalamus lesion After the invention of stereotaxis, whereby electrodes can be positioned into discrete brain structures, it was possible to perform studies in which specific brain areas could be lesioned. In 1940 Hetheringtom & Ranson showed that specific destruction of the VMN induced obesity - the animals just eat and eat and become enormously fat. We may infer that in intact animals, the VMN acts as a satiety centre (a region in the brain that inhibits feeding - the “I’m full centre”). A little later, using a similar technique, lesion of the lateral hypothalamus was shown to inhibit feeding. Even when animalsought to be completely ravenous they do not eat. Voracious appetite + obesity Loss of appetite + “skinnyness”

VMH (= VMN + ARN): satiety/leanness centre Hunger center is “active”, Satiety center is a break, that inhibits the hunger center. LH - These studies led to the idea of hypothalamic centres that are responsible for feeling of hunger and satiety. VMN: satiety centre LH feeding centre What happens if you lesion both? Hands up for obesity? Anorexia? Latter true because there is no feeding to inhibit. VMH VMH (= VMN + ARN): satiety/leanness centre LH (Lateral hypothalamus): feeding/obesity centre Anand & Brobeck 1950s

Sianaler från fettvävnad, tarm, magsäck reglerar mättnadscentrum som hämmar hungercentrum matintag förbränning mindre mättnad + mer mättnad Pro-fetma (hunger) MCH - Anti-fetma (mättnad) POMC- αMSH Leptin full fettvävnad  Mättnad + + - Ghrelin  Hunger GLP-1, PPY 3-36 Mättnad Fett

- Summary of peripheral hormones that affects the hypothalamus regarding energy expenditure and fat mass. OREXIN Lateral hypothalamus (pro-obesity) ( -MSH from POMC) MC4R PYY 3-36 Ventromedial Hypothalamus (anti-obesity) - GLP-1 (Part of VMH) POMC-αMSH antiobesity MCH pro-obesity (NPY-AGRP modulates) (Orexin modulates) (empty) Gut (full) Modified from Schwartz & Morton, Nature 418:595, 2002

Pro-opiomelanocortin (POMC) structure & effects of defect -MSH (Melanocyte stimulating hormone) ACTH (adrenocorticotropic β-endorphin -MSH Primary defect -MSH ACTH Eumelanin In hair/skin in adrenal cortex

POMC/Melanocortin/-MSH/ACTH gene mutation in humans. ”Barbiedrogen” Melanotan II: Minskad vikt ”Brun utan sol” Ökad libido! -MSH on MC1R in hair: red color (No black eumelanin – red pheomelanin dominates)  -MSH on MC4R in hypothalamus: obesity ACTH on MC2R: Adrenal cortex hypofunction Krude et al (1998) Nature Gen 19:155 Whites have less responsive MC1R Red pheomealin w/o UV light can promote melanomas!

Melanocortin-4 Receptor (MC4R) gene and obesity in humans Mutations the most common (5%) known cause of severe obesity (BMI >35-40). SNPs common cause of moderate obesity  body growth  bone mass  muscle mass  insulin resistance (more then expected from obesity) ↓ Blood pressure (despite obesity!) Less suppressed GH secretion if obesity is due to MC4R mutation. (Martinelli C E et al. JCEM 2011;96:E181-E188) (Skin and adrenal OK, unlike POMC mutation)

Gene variants  changed brain function  changed fat mass. . Genes with SNPs ↔ obesity FTO (DNA demethylase, 3 kg/ 2 allels, unknown mechanism. Expressed in ARC and PVN ) 2. MC4R (rec for α-MSH) FTO-gene MC4R gene Severity of obesity MC4R gene mutation FTO gene SNPs MC4R gene SNPs 1% Frequency of gene change

Hjärnan får info om mättnad också via vagusnerven. mindre fetma + mer fetma matintag förbränning - Leptin om mycket fett - - Vagusnerven stimuleras när full mage + Hormoner I blodet Fett

Interaction between hormones-hypothalamus and vagus-brainstem in regulation of satiety. Leptin PYY3-36 GLP-1 Ghrelin GLP-1? NTS: Nucleus of the solitary tract

12. Temperature regulation Afferents (Temp regulates MPOA): a) From thermal receptor skin and pharynx (TRPM8, menthol ligand). b) Infection Neuronal (e g vagal) input to brain  fever c) If worse infection: Cytokines like IL-1 via circulation to OVLT  ↑ prostaglandin synthesis  Fever. Efferents: Signals from hypothalamus to  burning: Rapid: Shivering in skeletal muscle. Rapid: (s)  3 receptor activity  uncoupling protein in BAT in small animals, babies and in adult humans. Slower: TRH  TSH  T4, T3 (acting in BAT)  energy dissipation too! (vasoconstriction skin, piloerction etc, mostly (S) and adrenal medulla) Preoptic area (MPOA) of anterior hypothalamus “thermostate”

IL-1 increases body temperature via PGE2 synthesis in OVLT  MPOA  Thermogenesis. ↑Cox-2 ↑mPGES PGE2 Thermo- genesis NSAID EP3R Endothelial cells In OVLT MPOA

Summary hypotalamus Reglerar basala kroppsfunktioner (tillsammans med hjärnstammen). Reglerar hormonfrisättning från hypofysens fram- och bak-lober. Hypothalamus är (liksom hjärnstammen) ”fett-termostat”, har hunger- och mättnads-centrum. information från fettvävnad (mättnadshormonet leptin) från magsäck (hungerhormonet ghrelin) från tarmen (mättnadshormoner som GLP-1). α-MSH viktig mättnads-neuropeptid, NPY viktig hunger- neuropeptid Biorytmer regl av suprachiasmatic nucleus,  melatonin- och cortisol-rytmer Orexin från laterala hypotalamus minskar sömn och fetma, men ökar aptit, narkolepsi pga brist. Reglerar törst och urinproduktion (ADH) Reglerar tillväxt, reproduktion, förlossning, amning. Viktig för feber och beteendeförändringar vid sjukdom.

Instuderingsfrågor hypothalamus Nämn 8 basala funktioner som regleras av hypopthalamus (nämn två som inte regleras av hypothalamus). Redogör för vilka hormoner från hypofysens framlob som regleras av hypotalamus. Hur? Vad reglerar dessa hormoner i sin tur? Vilka två hormoner har en utpräglad dygnsrytm? På vilket regleras de hypothalamus? Redogör för orexins effekter och hur sekretionen regleras. På vilka olika sätt reglerar hypothalamus olika aspekter på reproduktion. Hur reglerar leptin fettmassan? Varför har det inte blivit något läkemedel? Viken info om energi balansen kommer till hjärnan ifrån magtarmkanalen och hur? Redogör för vilka hormoner som frisätts från hypofysen baklob samt deras effekter och reglering av frisättning. Vilken roll har hypothalamus för reglering av kroppstemperatur?