Alpha- and gamma-melanocyte stimulating hormones in obesity. A study of the key central areas of metabolic regulation

The melanocortin system is an important regulator of feeding, energy metabolism,and cardiovascular function and it consists of the pro-opiomelanocortin (POMC) derived melanocyte stimulating hormones (α-, β- and γ-MSH) and their endogenous melanocortin receptors, MC1R to MC5R. In the hypothalamus, α-MSH reduces food intake, and increases energy expenditure and sympathetic tone by binding to MC4R. Mutations affecting the MC4R gene lead to obesity in mammals. On the other hand, the metabolic effects of MC3R stimulation using agonists such as the endogenously expressed γ-MSH have been less extensively explored. The main objective of this study was to investigate the long-term effects of increased melanocortin tone in key areas of metabolic regulation in the central nervous system (CNS) in order to investigate the sitespecific roles of both α-MSH and γ-MSH. The aim was to stereotaxically induce local overexpression of single melanocortin peptides using lentiviral vectors expressing α-MSH (LVi-α-MSH-EGFP) and γ-MSH (LVi-γ-MSH-EGFP). The lentiviral vectors were shown to produce a long-term overexpression and biologically active peptides in cell-based assays. The LVi-α-MSHEGFP was targeted to the arcuate nucleus in the hypothalamus of diet induced obese mice where it reduced weight gain and adiposity independently of food intake. When the nucleus tractus solitarus in the brainstem was targeted, the LVi-α-MSH-EGFP treatment was shown to cause a small decrease in adiposity, which did not impact weight development. However, the α-MSH treatment increased heart rate, which was attenuated by adrenergic receptor blockade indicative of increased sympathetic activity. The LVi-γ-MSH-EGFP was targeted to the hypothalamus where it decreased fat mass in mice eating the standard diet, but the effect was abated if animals consumed a high-fat Western type diet. When the diet induced obese mice were subjected again to the standard diet, the LVi-γ-MSH-EGFP treated animals displayed increased weight loss and reduced adiposity. These results indicate that the long-term central anti-obesity effects of α-MSH are independent of food intake. In addition, overexpression of α-MSH in the brain stem efficiently blocked the development of adiposity, but increased sympathetic tone. The evidence presented in this thesis also indicates that selective MC3R agonists such as γ-MSH could be potential therapeutics in combination with low fat diets.

Pro-opiomelanokortiini (POMC) on keskushermoston melanokortiinijärjestemän keskeisin tekijä toimien esiasteena α-, β-, ja γ-melanosyyttejä stimuloiville hormoneille (MSH), jotka säätelevät ruokahalua, energiatasapainoa sekä sydän- ja verenkiertojärjestelmää melanokortiinireseptorien (MC1-5R) välityksellä. α-MSH:n sitoutuminen MC4-reseptoriin hypotalamuksessa vähentää syömistä, lisää energiankulutusta ja sympaattista tonusta akuutisti. MC4-reseptorin mutaatioiden tiedetään aiheuttavan lihavuutta sekä koe-eläimillä että ihmisillä, mutta keskushermostossa esiintyvän MC3-reseptorin ja tämän agonistin, γ-MSH:n roolista lihavuuden synnyssä ja aineenvaihdunnan säätelyssä tiedetään edelleen varsin vähän. Tämän väitöskirjan tavoitteena on ollut selvittää lentivirus geeniterapian avulla α-MSH:n ja γ-MSH:n pitkäkestoisia vaikutuksia keskushermoston metabolian säätelyn kannalta keskeisillä aivoalueilla. Osana väitöskirjatutkimusta tuotimme α-MSH (LVi-α-MSH-EGFP) ja γ-MSH (LVi- γ-MSH-EGFP) lentivirukset, joiden funktionaalisuus varmistettiin solupohjaisilla menetelmillä. Virusten todettiin yli-ilmentävän pitkäkestoisesti kutakin MSH peptidiä ja tuottavan biologisesti aktiivista proteiinia. α-MSH:n yli-ilmentäminen hypotalamuksen arcuatus nucleus (ARC)-tumakkeessa esti lihavuuden kehittymistä vähentäen hiirten painonkasvua vaikuttamatta ruuan kulutukseen. Vaikutus havaittiin myös aivorungon nucleus tractus solitarii (NTS)-tumakkeen alueella. Tällöin vaikutus näkyi lähinnä alentuneena rasvamassana. Tämän lisäksi α-MSH-käsittelyn saaneilla hiirillä todettiin kohonnut sydämensyke, joka oli estettävissä adrenergisten reseptorien salpauksella viitaten kohonneeseen sympaattiseen tonukseen. γ-MSH yli-ilmennys ARC-tumakkeessa vähensi rasvamassan kehittymistä standardirehulla, mutta ruokittaessa koe-eläimiä runsasrasvaisella rehulla tämä ero rasvamassassa hävisi. Lihavuuden kehityttyä runsasrasvaisen rehun vaihtaminen takaisin standardirehuun vähensi γ-MSH käsittelyn saaneiden hiirten rasvamassaa merkittävästi lisäämättä epäsuotuista sympaattista vaikutusta. Väitöskirjatutkimus osoittaa, että α-MSH aivojen ARC ja NTS tumakkeissa estää lihavuutta muilla kuin suoraan syömistä säätelevillä mekanismeilla ja että aivorungossa α-MSH lisää sympaattista aktiivisuutta. γ-MSH:n myönteiset vaikutukset rasvamassaan olivat riippuvaisia dieetin koostumuksesta. Tämän väitöskirjan löydökset laajentavat ymmärrystä MSH-peptidien sentraalisista vaikutuksista ja näiden peptidien soveltamisesta lihavuuden hoidossa.