Dynorfiny jsou endogenní opiáty a hormony hypofýzy, což je třída opioidních peptidů, které vznikají z prekurzorového proteinu prodynorfinu. Když je prodynorfin štěpen během zpracování proproteinovou konvertázou 2 (PC2), uvolní se více aktivních peptidů: dynorfin A, dynorfin B a α/β-neo-endorfin. Depolarizace neuronu obsahujícího prodynorfin stimuluje zpracování PC2, ke kterému dochází uvnitř synaptických váčků v presynaptickém terminálu. Občas není prodynorfin plně zpracován, což vede k uvolnění „velkého dynorfinu“. Strukturálně se tato 32-aminokyselinová molekula skládá jak z dynorfinu A, tak z dynorfinu B. Dynorfin A, dynorfin B a velký dynorfin obsahují vysoký podíl reziduí základních aminokyselin, zejména lysinu a argininu (29,4%, 23,1%, respektive 31,2% bazických reziduí), stejně jako mnoho hydrofobních reziduí (41,2%, 30,8%, respektive 34,4% hydrofobních reziduí). Ačkoli se dynorfiny vyskytují široce distribuované v CNS, mají nejvyšší koncentrace v hypotalamu, dřeni, ponsu, středním mozku a míše. Dynorfiny jsou uloženy ve velkých (80-120 nm průměr) váčcích s hustým jádrem, které jsou podstatně větší než váčky ukládající neurotransmitery. Tyto velké váčky s hustým jádrem se liší od malých synaptických váčků tím, že je zapotřebí intenzivnější a delší stimulace, která způsobí, že velké váčky uvolní svůj obsah do synaptické štěrbiny. Ukládání váčků s hustým jádrem je charakteristické pro ukládání opioidních peptidů.
První vodítka k funkčnosti dynorfinů pocházejí od Goldsteina a kol. při jejich práci s opioidními peptidy. Skupina objevila v prasečím hypofýze endogenní opioidní peptid, který se ukázal jako obtížně izolovatelný. Sekvenováním prvních 13 aminokyselin peptidu vytvořili syntetickou verzi peptidu s podobnou účinností jako přírodní peptid. Goldstein a kol. aplikovali syntetický peptid do podélného svalu guinea ileum a zjistili, že je to mimořádně silný opioidní peptid. Peptid byl nazván dynorphin (z řeckého dynamis=power), aby popsal jeho účinnost.
Dynorfiny primárně působí prostřednictvím κ-opioidního receptoru (KOR), receptoru spřaženého s G-proteinem. Byly identifikovány dva podtypy KOR: K1 a K2. Ačkoli je KOR primárním receptorem pro všechny dynorfiny, peptidy mají určitou afinitu k μ-opioidnímu receptoru (MOR), δ-opioidnímu receptoru (DOR), glutamátovému receptoru typu N-methyl-D-asparagové kyseliny (NMDA) a bradykininovému receptoru. Různé dynorfiny vykazují různou selektivitu a potenci receptorů. Velký dynorfin a dynorfin A mají stejnou selektivitu pro lidský KOR, ale dynorfin A je selektivnější pro KOR oproti MOR a DOR než velký dynorfin. Velký dynorfin je silnější v KOR než dynorfin A. Velký dynorfin i dynorfin A jsou silnější a selektivnější než dynorfin B.
Dynorfin je produkován v mnoha různých částech mozku, včetně hypothalamu, hipokampu a míchy, a má mnoho různých fyziologických účinků, v závislosti na místě jeho produkce.
Bylo prokázáno, že dynorfin je modulátorem reakce na bolest. Han a Xie zjistili, že injekce dynorfinu do subarachnoidálního prostoru míchy potkanů vyvolala na dávce závislou analgezii, která byla měřena latencí chvostu. Analgezie byla částečně eliminována opioidním antagonistou naloxonem . Han a Xie zjistili, že dynorfin je 6-10x účinnější než morfin v přepočtu na mol. Navíc tolerance morfinu nesnižovala analgezii indukovanou dynorfinem. Ren a kol. prokázali některé složitosti související s analgezií indukovanou dynorfinem. Autoři zjistili, že kombinace subanalgetických hladin morfinu a dynorfinu A1-13, což je verze dynorfinu A obsahující pouze prvních 13 aminokyselin peptidu, v míše potkanů měla aditivní účinky. Nicméně, když byl dynorfin A1-13 injekčně aplikován do intracerebroventriulcární (ICV) oblasti mozku, měl antagonistický účinek na analgezii indukovanou morfinem.
Studie Laie a kol. zjistila, že dynorfin může ve skutečnosti stimulovat bolest. Skupina zjistila, že dynorfin působí na bradykininový receptor stejně jako na KOR. N-terminální tyrosin dynorfinu A je nezbytný pro aktivaci opioidních receptorů, jako je KOR, ale je zbytečný při vazbě na bradykininové receptory. Lai a kol. studovali účinky dynorfinu A2-13, který neobsahoval N-terminální tyrosin. Na základě výsledků dynorfinu A2-13 autoři navrhli mechanismus, ve kterém dynorfin A aktivuje bradykininové receptory a tím stimuluje bolestivou odpověď. Podle tohoto mechanismu dynorfin aktivuje bradykininové receptory, které spouští uvolňování iontů vápníku do buňky prostřednictvím napěťově citlivých kanálů v buněčné membráně. Blokace bradykininových receptorů v bederní oblasti míchy zvrátila přetrvávající bolest. Systém více cest by mohl pomoci vysvětlit protichůdné účinky dynorfinu v CNS.
Svensson et al. poskytl další možný mechanismus, kterým by dynorfin mohl způsobit bolest v míše. Autoři zjistili, že podání zkráceného dynorfinu A2-17, který se neváže na opioidní receptory, způsobuje zvýšení fosforylované p38 mitogenem aktivované proteinkinázy (MAPK) v mikrogliích v hřbetním rohu míchy. Aktivovaný p38 byl dříve spojován s uvolňováním prostaglandinu evokovaného NMDA, který způsobuje bolest. Dynorfin by tedy mohl také vyvolat bolest v míše cestou p38, která není opioidní.
Jiné studie identifikovaly roli stimulace opioidních receptorů pro dynorfin a kappa v neuropatické bolesti. Stejná skupina také ukázala, že dynorfin-KOR systém zprostředkovává proliferaci astrocytů prostřednictvím aktivace p38 MAPK, která byla nutná pro účinky neuropatické bolesti na analgetické odpovědi Všechny tyto zprávy dohromady naznačují, že dynorfin může vyvolat vícenásobné účinky jak na Kappa opioidní, tak i na jiné než opioidní dráhy pro modulaci analgetických odpovědí.
Závislost na kokainu vyplývá ze složitých molekulárních změn v mozku po několikanásobné expozici kokainu. Bylo prokázáno, že dynorfiny jsou důležitou součástí tohoto procesu. Ačkoli jednorázová expozice kokainu neovlivňuje hladiny mozkového dynorfinu, opakované expozice léku zvyšují koncentrace dynorfinu ve striatu a substantia nigra u potkanů. Jeden z navrhovaných molekulárních mechanismů pro zvýšení hladin dynorfinu zahrnuje transkripční regulaci pomocí CREB (3’, 5’-monofosfát response element binding protein). Podle modelu navrženého Carlezonem a spol. zvyšuje užívání kokainu expresi cAMP a cAMP-dependentní proteinkinázy (PKA). PKA vede k aktivaci CREB, která zvyšuje expresi dynorfinu v nucleus accumbens a dorzálním striatum, mozkových oblastech důležitých pro závislost . Dynorfin snižuje uvolňování dopaminu vazbou na KOR na dopaminových nervových terminálech , což vede k toleranci léku a abstinenčním příznakům (Berke a Hymen, 2000). Carlezon a kol. provedli několik experimentů, aby tento model potvrdili. Zjistili, že když myši dostanou injekci kokainu, dávají přednost tomu být v místě, kde jim byla injekce aplikována (vykazovaly silnější preferenci místa) výrazně více než kontrolní myši (injekčně podávaný fyziologický roztok). U myší s nadměrnou expresí CREB pod konstitutivním promotorem však byla pozorována averze místa. To naznačuje, že zvyšující se CREB obrací pozitivní účinky kokainu. Analýza Northern blot několik dní po nadměrné expresi CREB ukázala výrazný nárůst dynorfinové mRNA v nucleus accumbens. Blokování KOR antagonistou (norBNI) blokovalo averzivní účinky způsobené nadměrnou expresí CREB. Zdá se tedy, že užívání kokainu nakonec vede ke zvýšení transkripce prodynorfinové mRNA. Dynorfin inhibuje uvolňování dopaminu, který by neutralizoval příjemné účinky kokainu způsobené uvolňováním dopaminu.
Existují také důkazy naznačující, že zvýšené množství dynorfinu může člověka ochránit před závislostí na kokainu. Podle výzkumu na Rockefellerově univerzitě je gen pro dynorfin přítomen ve dvou verzích: „s vysokým výkonem“ a „s nízkým výkonem“ funkční variace . Funkční variace genu s vysokým výkonem obsahuje polymorfismy v promotorových oblastech, o nichž se spekuluje, že způsobují, že produkuje více kopií dynorfinové mRNA, což by lidem nesoucím tuto variaci poskytlo „vestavěný obranný systém“ proti drogové závislosti.
Land a kol. nejprve popsali mechanismus dysforie, při kterém kortikotropin uvolňující faktor (CRF) způsobuje uvolňování dynorfinů. Skupina zjistila, že zatímco kontrolní myši vyvolávají averzivní chování v reakci na vynucené plavecké testy a šoky nohou, myši postrádající dynorfin nevykazují žádné známky averze. Poznamenali, že injekční CRF vede k averzivnímu chování u myší s funkčními geny pro dynorfin i v nepřítomnosti stresu, ale ne u myší s delecí dynorfinového genu. Místo averze bylo eliminováno, když byl receptor CRF2 blokován antagonistou . Společně tyto výsledky přivedly Landa a kol. k závěru, že dysforické prvky stresu se vyskytují, když CRF2 stimuluje uvolňování dynorfinu a aktivuje KOR. Skupina dále předpokládala, že tato dráha může být zapojena do chování při hledání drog. Na podporu tohoto tvrzení bylo dříve prokázáno, že stres může obnovit chování při hledání kokainu u myší prostřednictvím CRF mechanismu. Bylo také prokázáno, že dynorfin ovlivňuje chování při vyhledávání drog a je vyžadován pro stresem vyvolané, ale ne prvotně vyvolané znovuobnovení vyhledávání kokainu. Následný prvek této dráhy byl později identifikován Bruchas a kol. Autoři zjistili, že KOR aktivuje p38, člena rodiny mitogenem aktivovaných proteinkináz (MAPK) prostřednictvím fosforylace. Aktivace p38 je nezbytná pro vytvoření chování závislého na KOR.
Vzhledem ke své roli při zprostředkování dysforie byl dynorfin zkoumán také v souvislosti s depresí. Newton a kol. studovali účinky CREB a dynorfinu na naučenou bezmoc, zvířecí model deprese, u myší. Autoři zjistili, že nadměrná exprese dominantního negativního CREB (mCREB) u transgenních myší měla antidepresivní účinek, pokud jde o chování, zatímco nadměrná exprese divokého typu CREB způsobila nárůst příznaků podobných depresi. Jak bylo popsáno dříve, CREB zvyšuje transkripci prodynorfinu, což vede ke vzniku různých podtypů dynorfinu. Newton a kol. tento mechanismus podporovali, protože mCREB byl kolokalizován se sníženou expresí prodynorfinu. Také přímý antagonismus dynorfinu způsobil antidepresivní účinky podobné těm, které byly pozorovány u exprese mCREB. Tudíž CREB-dynorfinová dráha reguluje náladu stejně jako odměny za kokain.
Shirayama et al. použil několik modelů deprese u potkanů k popisu účinků dynorfinů A a B na depresi. Autoři zjistili, že naučená bezmocnost zvyšuje hladiny dynorfinů A a B v hipokampu a nucleus accumbens a že injekční KOR antagonista norBNI navozuje zotavení z naučené bezmocnosti. Imobilizační stres způsobuje zvýšení hladin dynorfinů A a B v hipokampu a nucleus accumbens. Nucený stres z plavání zvyšuje hladiny dynorfinu A v hipokampu. Shirayama et al. dospěl k závěru, že oba dynorfiny A a B jsou důležité v reakci na stres. Autoři navrhli několik mechanismů, jak zohlednit účinky KOR antagonisty norBNI na naučenou bezmocnost. Za prvé, zvýšené hladiny dynorfinu blokují uvolňování glutamátu, neurotransmiteru podílejícího se na plasticitě v hipokampu, který by inhiboval nové učení. Blokování dynorfinových účinků by umožnilo uvolnění glutamátu a obnovení funkční plasticity v hipokampu, což by zvrátilo fenomén naučené bezmocnosti. Kromě toho by blokování dynorfinu posílilo signalizaci dopaminu a tím snížilo depresivní příznaky spojené se stresem . Autoři naznačují, že antagonisté KOR by mohli mít potenciál v léčbě deprese u lidí.
Apetit a cirkadiánní rytmy
Dynorfiny jsou důležité pro udržení homeostázy prostřednictvím kontroly chuti k jídlu a cirkadiánních rytmů. Przewlocki a kol. zjistili, že během dne jsou dynorfiny přirozeně zvýšeny v neurointermediárním laloku hypofýzy (NI hypofýzy) a stlačeny v hypotalamu. Tento průběh je v noci opačný. Navíc myši zbavené potravy a vody nebo samotné vody měly zvýšené hladiny dynorfinu v hypotalamu během dne. Deprivace samotné vody také snížila hladiny dynorfinu v NI hypofýze. Tato zjištění vedla Przewlockiho a kol. k závěru, že dynorfiny jsou nezbytné pro udržení homeostázy.
Dynorfin je spojován se stimulantem chuti k jídlu. Řada studií na potkanech prokázala, že zvýšení hladiny dynorfinu stimuluje stravování. Opioidní antagonisté, jako je například naloxon, mohou zvrátit účinky zvýšeného dynorfinu. Tato inhibice je zvláště silná u obézních zvířat nebo zvířat, která mají přístup k obzvláště lákavé potravě. Inui et al. zjistili, že podávání dynorfinu psům zvýšilo jejich příjem potravy i vody. Dynorfin hraje roli v stravovacím chování hibernujících zvířat. Nizeilski et al. zkoumali hladiny dynorfinu ve veverce obecné, která před zimou prochází obdobími nadměrného příjmu potravy a obdobími hladovění. Zjistili, že hladiny dynorfinu se během období hladovění zvýšily. Berman et al. zkoumali hladiny dynorfinu během období omezení příjmu potravy. Skupina zjistila, že zatímco potrava nemění expresi dynorfinu B, zvyšuje hladinu dynorfinu A v několika oblastech mozku potkanů (hypothalamus, nucleus accumbens a ložiskové jádro stria terminalis).
Nedávný výzkum na myších knockoutových s dynorfinem nezjistil rozdíly mezi knockoutovými a kontrolními zvířaty v příjmu potravy, ale zjistil, že u samců knockoutových myší bylo sníženo ukládání tuku. Mastné kyseliny byly u knockoutových zvířat oxidovány rychleji. Studie také ukázaly, že požití stravy s vysokým obsahem tuku zvyšuje genovou expresi dynorfinu v hypotalamu. Dynorfin tedy může způsobit přejídání, když je k dispozici strava s vysokým obsahem tuku.
Morley a Levine byli první, kdo popsali roli opioidních peptidů v potravě související se stresem. Ve své studii měly myši stažené ocasy (způsobuje stres), což navozovalo potravu. Stravování související se stresem bylo omezeno injekcí naloxonu, antagonisty opioidních peptidů. Mandenoff a kol. navrhli, že ačkoli endogenní opioidy nejsou nutné pro udržení tělesné hmotnosti a výdeje energie za předvídatelných okolností, aktivují se za stresujících podmínek. Zjistili, že endogenní opioidy, jako je dynorfin, stimulují chuť k jídlu a snižují výdej energie. Výše uvedené studie dohromady naznačují důležitý evoluční mechanismus, ve kterém se jí více jídla, ukládá se více živin a organismus v době stresu spotřebuje méně energie.
Kromě jejich role při regulaci tělesné hmotnosti bylo zjištěno, že dynorfiny regulují tělesnou teplotu. Opioidní peptidy byly nejprve zkoumány při hypertermii, kde bylo zjištěno, že agonisté MOR stimulují tuto odpověď při injekčním podání do periaqueductal gray (PAG) oblasti mozku. Xin a kol. ukázali, že podání dynorfinu A1-17 (agonista KOR) prostřednictvím mikrodialýzy do oblasti PAG vyvolalo u potkanů hypotermii. Autoři zjistili, že závažnost hypotermie byla úměrná podané dávce dynorfinu A1-17. Podání antagonisty KOR norBNI potkanům by mohlo zabránit hypotermii. Xin a kol. podcenili, že zatímco agonisté MOR zprostředkovávají hypertermii, agonisté KOR, jako je dynorfin, zprostředkovávají hypotermii. Sharma a Alm zjistili, že vystavení potkanů teplu (38˚C) způsobilo, že dynorfiny byly upregulovány v mozkové kůře, hipokampu, mozečku a mozkovém kmeni. Dále autoři zjistili, že podání inhibitorů syntázy oxidu dusnatého (NOS) snížilo hladinu dynorfinu A1-17 v mozku a zmírnilo příznaky související s tepelným stresem. Sharma a Alm dospěli k závěru, že hypertermie zvyšuje hladinu dynorfinu, což může způsobit poškození a podpořit reakci tepelného stresu. Dále předpokládali, že oxid dusnatý je součástí tohoto mechanismu. Ansonoff a kol. zjistili, že hypotermické účinky jsou zprostředkovány přes K1 (κ-opioidní receptor 1), ale ne K2. Autoři aplikovali agonistu KOR na knockoutové myši K1, což eliminovalo hypotermickou reakci. Zdá se tedy, že K2 nemá v hypotermickém mechanismu žádnou roli.
Nedávný výzkum prokázal, že plicní porod může být účinným prostředkem distribuce derivátů dynorfinu.