Phylogenie und Evolution von Hormonsystemen

Zusammenfassung

Nach der klassischen Definition sind Hormone Substanzen, die von endokrinen Drüsen- oder Nervenzellen sekretiert werden und über den Blutstrom oder andere Körperflüssigkeiten in einen anderen Teil des Körpers gelangen, wo sie in geringsten Konzentrationen physiologische Prozesse auslösen. Betrachtungen zum Urspung und zur Evolution von Zell-Zell-Kommunikationssytemen lassen vermuten, dass exokrine Pheromone (Stoffwechsel-verwertbare Moleküle, Toxine) als die ursprünglichen bioregulatorischen Signalmoleküle bei der chemischen Kommunikation von einzelligen Organismen untereinander und mit der Biosphäre angesehen werden können. Die weite Verbreitung und die strukturelle Diversität von Pheromonen macht es wahrscheinlich, das solche Moleküle und ihre Rezeptoren als Vorläufermodule der Zell-Zell-Kommunikation in Metazoen (Vielzeller) dienten. Neurosekretorische Zellen, wie sie bei Cnidariern vorliegen, waren wahrscheinlich die Grundmodule zur Entwicklung von neurohormonellen Systemen höherer Tiere. Untersuchungen der letzten Jahre an genetischen Modellorganismen, wie Drosophila oder der Maus, zeigen, dass chemische Kommunikation zwischen benachbarten oder im Körper weit entfernten Zellen nicht nur von spezialisierten endokrinen oder neurosekretorischen Zellen ausgeht, sondern dass auch Gewebe und Organe wie das Herz oder das Fettgewebe eine unerwartete endokrine Funktion aufweisen (z. B. der Leptin-Signalweg). Durch vergleichende funktionelle Studien konnte nachgewiesen werden, dass molekulare Komponenten der Hormonsysteme zelluläre Signalsysteme repräsentieren, die allgemein bei Zell-Zell-Kommunikationsprozessen und der Differenzierung von Zelltypen während der Ontogenese eine zentrale Rolle spielen. Manche ihrer Funktionen sind evolutionär konserviert, andere jedoch nicht, wie am Beispiel von Steroidhormonen und des Prolaktin-Signalweges deutlich gemacht wird.

Abstract

Classically hormones are defined as molecules that are secreted by endocrine glandular or neurosecretory cells into the blood stream and transported to their target tissue where they induce physiological processes at very low concentrations. Studies on the potential origin and the evolution of cell-to-cell communication systems suggest that exocrine pheromones (food signals and toxins) might have been the primitive bioregulatory molecules of unicellular organisms for chemical communication with each other and with the biosphere. The broad distribution and the structural diversity of pheromones suggests that these molecules and their receptors were predecessor modules of cell communication systems in metazoa. Neurosecretory cells, as we find them in Cnidarians, possibly served as basic modules for the evolution of neurohormonal systems of higher animals. Studies on genetic model organisms, such as Drosophila or the mouse, have demonstrated that chemical communication between neighbouring or more distant cells does not just involve endocrine and neurosecretory cells, but also unexpectedly tissues and organs such as the heart or the adipose tissue (e. g. the leptin signalling pathway). Comparative endocrinology could show that molecular components of hormonal systems represent signalling networks that are generally used during cellular communication processes and the differentiation of cell types during ontogenesis. Some of their functions are evolutionarily conserved, others not, as dissussion on steroid hormones and the prolactin signalling pathway will demonstrate.

Schlüsselwörter

Phylogenie - Pheromon - Hormon - Hormonsystem - Zell-Zell-Kommunikation - Steroide - Prolaktin - Leptin

Key words

Phylogeny - pheromone - hormone - hormone system - cell-cell-communication - steroids - prolactin - leptin

Literatur

• 1 Karlson P. Introduction: The concept of hormonal systems in retrospect and prospect.  Nova Acta Leopoldina NF. 1984;  56 9-19
• 2 Stoka A M. Phylogeny and evolution of chemical communication: an endocrine approach.  J Mol Endocrinology. 1999;  22 207-235
• 3 Vallesi A, Giuli G, Bradshaw R A, Leporini P. Autocrine mitogenic activity of pheromones produced by the protozoan ciliate Euplotes raikovi.  Nature. 1995;  376 522-524
• 4 Mackman R S, Sutherland E Q. Adenosine 3'-5'-phosphate in Escherichia coli.  J Biol Chem. 1965;  240 1309-1311
• 5 Johnson R L. et al .G-protein-linked signal transduction systems control development in Dictyostelium. Development 1989 Suppl 75-81
• 6 Bonner J T. Aggregation and differentiation in the cellular slime molds.  Ann Rev Microbiol. 1971;  25 75-92
• 7 Schapp , P . cAMP pulses coordinate morphogenetic movement during fruiting body formation of Dictyostelium minutum.  PNAS. 1984;  81 2122-2126
• 8 Weber I T, Takio K, Titani K, Steitz M. The cAMP-binding domains of the regulatory subunit of cAMP-dependent protein-kinase and the catabolite gene activator are homologous.  PNAS. 1982;  79 7679-7683
• 9 Saxe C L, Johnson R L, Devreotes P N, Kimmel A R. Expression of cAMP receptor gene of Dictyostelium and evidence for a multigene family.  Genes Dev. 1991;  5 1-8
• 10 Scharrer , E . Die Lichtempfindlichleit blinder Elritzen (Untersuchungen über das Zwischenhirn der Fische).  Z Vergl Physiol. 1928;  7 1-38
• 11 Bargmann W, Lindner E, Andres K H. Über Synapsen an endokrinen Epithelzellen und die Definition sekretorischer Neurone. Untersuchungen am Zwischenlappen der Katze.  Z Zellforsch. 1968;  77 282-298
• 12 Oschke A. Evolution of neurosecretory cells and systems.  Nova Acta Leopoldina NF. 1984;  56 39-50
• 13 Bückmann D. Development of Hormone Receptors. Csaba G (Ed) Experientia, Suppl. 53. Basel, Boston; Birkhäuser Verlag 1987
• 14 Jones W C. Is there a nervous system in sponges?.  Biol Rev. 1962;  37 1-50
• 15 Lentz T L. Primitive nervous systems. Yale Univ Press 1968
• 16 Grimmelikhuijzen J P, Westfall J A. The nervous system of Cnidarians. Breibach O, Kutsch W (eds) The nervous system of invertebrates: an evolutionary and comparative approach. Basel; Birkhäuser Verlag 1995
• 17 Grimmelikhuijzen J P, Leviev I, Carstensen K. Peptides in the nervous system of cnidarians: structure function and biosynthesis.  Int Rev Cytol. 1996;  167 37-89
• 18 Hökfelt T. et al . Neurons with multiple messengers with special reference to neuroendocrine systems.  Recent Prog Horm Res. 1986;  42 1-70
• 19 Laufer H, Downer R GH. Endokrinology of selected invertebrates. Liss., New York; (Invertebrate endocrinology, vol 2) 1988
• 20 Conn P J, Kaczmarek , L . The bag cell neurons of Aplysia.  Mol Neurobiol. 1989;  3 237-273
• 21 Gupta A P. Neurohemal organs of arthropods. Springfield; Thomas 1983
• 22 Keller R. Crustacean neuropeptides: structures, functions and comparative aspects.  Experientia. 1992;  48 439-448
• 23 Gäde G, Hoffmann K H, Spring J H. Hormonal regulation in insects: facts, gaps and future directions.  Physiol Rev. 1997;  77 963-1032
• 24 Veelaert D, Schoofs L, de Loof A. Peptidergic control of the corpus cardiacum-corpora allata complex of locusts.  Int Rev Cytol. 1998;  182 249-302
• 25 Joosse J, Geraerts W PM. Endocrinology. in: The Molluscs, vol. 4. London New York.; Academic Press 1983: 317-406
• 26 Franke H D, Pfannenstiel H D. Some aspects of endocrine control of polychaete reproduction.  Fortschr Zool. 1984;  29 53-72
• 27 Zhang Y, Proenca R, Maffei M, Barone M, Leopold L, Friedman J M. Positional cloning of the mouse obese gene and its human homologue.  Nature. 1994;  372 425-432
• 28 Tartaglia L A, Dembski M, Wng X, Deng N, Culpepper J, Devos R, Richards G L. et al . Identification and expression cloning of a leptin receptor.  Cell. 1995;  83 1263-1271
• 29 Chen H, Charlat O, Tartaglia L A, Woolf E A, Wenig X, Ellis S J, Lakey N D. et al . Evidence that the diabetes gene encodes the leptin receptor: identification of a mutation in the leptin receptor gene in db/db mice.  Cell. 1996;  84 491-495
• 30 Heftmann , E . Steroid hormones in plants.  J Nat Products Lloydia. 1975;  38 195-209
• 31 Watanabe M, Phillips K, Chen T. Steroid receptors in Pseudomonas testosteroni released by osmotic shock.  J Steroid Biochem. 1973a;  4 613-622
• 32 Watanabe M, Phillips K, Chen T. Induction of steroid-binding activity in Pseudomonas testosteroni.  J Steroid Biochem. 1973b;  4 623-632
• 33 Loose D S, Schurman D J, Feldman D. A corticosterone binding protein and endogenous ligand in C. albicans indicating a possible steroid-receptor system.  Nature. 1981;  293 477-479
• 34 Feldman D, Tokes L G, Stathis P A, Miller S C, Kurz W, Harvey D. Identification of 17β-estradiol as the estrogenic substance in Saccharomyces cerevisiae. .  PNAS. 1984;  81 4722-4726
• 35 Sauber F, Kappler C, Hoffmann J A. Ecdysteroids in Annelids. Bern, Switzerland; Vth Ecdysone Workshop 1981
• 36 Fleming M. Ascaris suum: role of ecdysteroids in moulting.  Exp Parasitol. 1985;  60 207-210
• 37 Ben-Jonathan N, Mershon J L, Allen D L, Steinmetz R W. Extrapituitary prolactin: distribution, regulation, functions and clinical aspects.  Endocrine Rev. 1996;  17 639-669
• 38 Bole-Feysot C, Goffin V, Edery M, Binart N, Kelly P A. Prolactin (PRL) and its receptor: actions, signal transduction pathways and phenotypes observed in PRL receptor knock out mice.  Endocrine Rev. 1998;  19 225-268
• 39 Clevenger C V, Kline J B. Prolactin receptor signal transduction.  Lupus. 2001;  10 706-718
• 40 Chen H W, Chen X, Oh S W, Marinissen M J, Gutkind J, Hou S X. Mom identifies a receptor for the Drosophila JAK/STAT signal transduction pathway and encodes a protein distantly related to the mammalian cytokine receptor family.  Genes Dev. 2002;  16 388-398
• 41 Keller R. Neurohormonale Systeme bei Invertebraten. In: Dudel J, Menzel R, Schmidt RF (Eds) Neurowissenschaft. Springer Verlag 2001: 243-259