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ホルモン（古代ギリシャ語のὁρμῶν（hormôn）「動き出す」に由来）は、多細胞生物におけるシグナル伝達分子の一種で、複雑な生物学的プロセスによって遠隔の器官や組織に送られ、生理機能や行動を調節する。[ 1 ]ホルモンは、動物、植物、菌類の正常な発達に必要である。
ホルモンの定義が広範であるため（ホルモンとは、産生部位から遠く離れた場所で作用を発揮するシグナル伝達分子である）、数多くの種類の分子がホルモンとして分類される可能性があります。ホルモンとみなされる物質には、エイコサノイド（プロスタグランジンやトロンボキサンなど）、ステロイド（エストロゲンやブラシノステロイドなど）、アミノ酸誘導体（エピネフリンやオーキシンなど）、タンパク質またはペプチド（インスリンやCLEペプチドなど）、ガス（エチレンや一酸化窒素など）が含まれます。
ホルモンは、臓器や組織間のコミュニケーションに使用されます。脊椎動物では、ホルモンは、消化、代謝、呼吸、感覚知覚、睡眠、排泄、授乳、ストレス誘発、成長と発達、運動、生殖、気分操作などの生理学的プロセスと行動活動の両方を含む、幅広いプロセスの調節に関与しています。[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]植物では、ホルモンは発芽から老化まで、発達のほぼすべての側面を調節します。[ 5 ]
ホルモンは、標的細胞の特定の受容体タンパク質に結合することで遠隔の細胞に影響を与え、細胞機能の変化を引き起こします。ホルモンが受容体に結合すると、シグナル伝達経路が活性化され、通常は遺伝子転写が活性化され、標的タンパク質の発現が増加します。ホルモンは、ゲノム効果と相乗的に作用する非ゲノム経路でも作用することがあります。[ 6 ]
水溶性ホルモン（ペプチドやアミンなど）は、一般的にセカンドメッセンジャーを介して標的細胞の表面で作用します。脂溶性ホルモン（ステロイドなど）は、一般的に標的細胞の形質膜（細胞質膜と核膜の両方）を通過して核内で作用します。ポリヒドロキシステロイドの一種であるブラシノステロイドは、植物ホルモンの6番目のクラスであり、内分泌反応性腫瘍の抗がん剤として、アポトーシスを引き起こし、植物の成長を制限するのに有用である可能性があります。脂溶性であるにもかかわらず、細胞表面の受容体に結合します。[ 7 ]
脊椎動物において、内分泌腺はホルモンを分泌し、内分泌シグナル伝達系に作用する特殊な器官である。ホルモン分泌は特定の生化学的シグナルに応答して起こり、多くの場合、負のフィードバック制御を受ける。例えば、高血糖（血清グルコース濃度）はインスリン合成を促進する。インスリンはグルコース濃度を低下させ、恒常性を維持する働きをし、結果としてインスリン濃度が低下する。
分泌されると、水溶性ホルモンは循環系を介して容易に輸送される。脂溶性ホルモンは、キャリア血漿糖タンパク質（例えば、チロキシン結合グロブリン（TBG））に結合してリガンド-タンパク質複合体を形成する必要がある。インスリンや成長ホルモンなどの一部のホルモンは、すでに完全に活性化された状態で血流中に放出される。プロホルモンと呼ばれる他のホルモンは、通常厳密に制御された一連のステップを経て、特定の細胞内で活性化される必要がある。[ 8 ]
内分泌系は、通常は有窓毛細血管を介してホルモンを直接血流中に分泌するのに対し、外分泌系は導管を用いて間接的にホルモンを分泌する。傍分泌作用を持つホルモンは、間質空間を通って近傍の標的組織に拡散する。
植物にはホルモンを分泌するための特殊な器官はないが、ホルモン生成には空間的な分布がある。例えば、ホルモンであるオーキシンは主に若い葉の先端と茎頂分裂組織で生成される。特殊な腺がないということは、ホルモン生成の主な場所は植物の生涯を通じて変化する可能性があり、生成場所は植物の年齢と環境に依存するということである。[ 9 ]
ホルモン産生細胞は、甲状腺、卵巣、精巣などの内分泌腺に存在します。[ 10 ]ホルモンシグナル伝達には、次のステップが含まれます。[ 11 ]
内分泌腺に信号が送られると、エキソサイトーシスやその他の膜輸送法を用いてホルモンが分泌される。階層モデルはホルモンシグナル伝達過程を過度に単純化したものである。特定のホルモンシグナルを受け取る細胞は、インスリンのように、さまざまな組織に存在する複数の細胞型のいずれかである可能性があり、インスリンは全身に多様な生理的効果をもたらす。また、異なる組織型は、同じホルモンシグナルに対して異なる反応を示すこともある。[ 12 ]
アーノルド・アドルフ・ベルトルトはドイツの生理学者であり動物学者で、1849年に睾丸の機能について疑問を抱きました。彼は去勢した雄鶏が睾丸が残っている雄鶏と同じ性的行動を示さないことに気づきました。彼はこの現象を調べるために雄鶏で実験を行うことにしました。彼は睾丸が残っている雄鶏のグループを飼育し、それらの雄鶏が正常な大きさの肉垂と鶏冠（二次性器）を持ち、正常な鳴き声と正常な性的行動と攻撃行動を示すことを確認しました。彼はまた、外科的に睾丸を取り除いたグループも飼育し、それらの雄鶏の二次性器が小さくなり、鳴き声が弱く、雌鶏に性的魅力を感じず、攻撃性も示さないことに気づきました。彼はこの器官がこれらの行動に不可欠であることを認識しましたが、その仕組みはわかりませんでした。これをさらに検証するために、彼は片方の睾丸を取り除いて腹腔内に置きました。雄鶏は行動し、正常な身体構造を示しました。彼は、精巣の位置は関係ないことがわかった。次に、精巣がこれらの機能を提供する遺伝的要因が関与しているかどうかを調べたいと思った。彼は、片方の精巣を切除した雄鶏に別の雄鶏の精巣を移植し、それらの雄鶏が正常な行動と身体構造を持っていることを確認した。ベルトルトは、精巣の位置や遺伝的要因は性器や性行動には関係なく、精巣内で分泌される何らかの化学物質がこの現象を引き起こしていると結論付けた。後に、この要因はホルモンであるテストステロンであることが特定された。[ 13 ] [ 14 ]
チャールズ・ダーウィンは進化論の研究で主に知られていますが、植物にも強い関心を持っていました。1870年代を通して、彼と息子のフランシスは植物が光に向かって動く様子を研究しました。彼らは、若い茎の先端（鞘葉）で光が感知されるのに対し、茎の下部で曲がりが生じることを明らかにしました。彼らは、「伝達物質」が先端から茎に光の方向を伝えると提唱しました。「伝達物質」という考えは当初他の植物生物学者によって否定されましたが、彼らの研究は後に最初の植物ホルモンの発見につながりました。[ 15 ] 1920年代には、オランダの科学者フリッツ・ワルモルト・ヴェントとロシアの科学者ニコライ・チョロドニー（それぞれ独立して研究）が、成長ホルモンの非対称的な蓄積がこの曲がりの原因であることを決定的に示しました。 1933年にこのホルモンはついにケーグル、ハーゲン＝スミット、エルクスレーベンによって単離され、「オーキシン」と名付けられました。[ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]
イギリスの医師ジョージ・オリバーとユニバーシティ・カレッジ・ロンドンの教授で生理学者のエドワード・アルバート・シェーファーは、副腎抽出物の生理学的効果について共同研究を行った。彼らは1894年に2つの報告書で初めて研究結果を発表し、1895年に完全な出版物を発表した。 [ 18 ] [ 19 ] 1902年にベイリスとスターリングによって発見されたセクレチンと誤って関連付けられることが多かったが、生理学的変化を引き起こす物質であるアドレナリンを含むオリバーとシェーファーの副腎抽出物は、最初に発見されたホルモンであった。ホルモンという用語は後にスターリングによって造語された。[ 20 ]
生理学者のウィリアム・ベイリスと生物学者のアーネスト・スターリングは、神経系が消化器系に影響を与えているかどうかを調べようとした。マーティン・ハイデンハインとクロード・ベルナールの研究[ 21 ]から、膵臓は胃から腸への食物の通過後に消化液の分泌に関与しており、これは神経系によるものだと彼らは考えていた。彼らは動物モデルで膵臓への神経を切断し、膵臓からの分泌を制御しているのが神経インパルスではないことを発見した。腸から血流に分泌される因子が膵臓を刺激して消化液を分泌させていることが判明した。これはセクレチンというホルモンと名付けられた。
1905年、スターリングはギリシャ語の「刺激する」または「興奮させる」から「ホルモン」という言葉を作り出し、それを「血流に沿って細胞から細胞へと速く移動し、体のさまざまな部分の活動と成長を調整する化学伝達物質」と定義した。 [ 22 ]
ホルモンの作用は放出される場所によって異なり、放出方法も様々である。[ 23 ]すべてのホルモンが細胞から放出されて血液中に運ばれ、標的の受容体に結合するまで放出されない。ホルモンシグナル伝達の主な種類は以下のとおりである。
ホルモンは構造ではなく機能によって定義されるため、多様な化学構造を持つ可能性があります。ホルモンは多細胞生物（植物、動物、菌類、褐藻類、紅藻類）に存在します。これらの化合物は単細胞生物にも存在し、シグナル伝達分子として作用する可能性がありますが、これらの分子をホルモンと呼ぶことができるかどうかについては合意がありません。[ 24 ] [ 25 ]
脊椎動物と比較して、昆虫や甲殻類は、セスキテルペノイドである幼若ホルモンなど、構造的に珍しいホルモンを多数持っている。[ 27 ]
ほとんどのホルモンは、最初に細胞表面受容体または細胞内受容体に結合することによって細胞応答を開始します。細胞には、同じホルモンを認識するが、異なるシグナル伝達経路を活性化する複数の異なる受容体がある場合もあれば、異なるホルモンを認識し、同じ生化学的経路を活性化する複数の異なる受容体がある場合もあります。[ 29 ]
ほとんどのペプチドホルモンおよび多くのエイコサノイドホルモンの受容体は細胞膜に埋め込まれた細胞表面受容体であり、これらの大部分は7つのαヘリックス膜貫通タンパク質からなるGタンパク質共役受容体（GPCR）クラスに属します。ホルモンと受容体の相互作用は通常、細胞質内でシグナル伝達と呼ばれる一連の二次的効果を引き起こし、多くの場合、他のさまざまな細胞質タンパク質のリン酸化または脱リン酸化、イオンチャネル透過性の変化、または二次メッセンジャーとして作用する可能性のある細胞内分子（例えば、サイクリックAMP）の濃度の増加を伴います。一部のタンパク質ホルモンは、細胞質または核に存在する細胞内受容体とイントラクリン機構によって相互作用します。[ 30 ] [ 31 ]
ステロイドホルモンや甲状腺ホルモンの場合、それらの受容体は標的細胞の細胞質内に存在します。これらの受容体は、リガンド活性化転写因子の核内受容体ファミリーに属します。これらのホルモンが受容体に結合するには、まず細胞膜を通過する必要があります。ホルモンは脂溶性であるため、細胞膜を通過することができます。結合したホルモンと受容体の複合体は、核膜を通過して細胞の核内に入り、そこで特定のDNA配列に結合し、特定の遺伝子の発現を調節し、それによってこれらの遺伝子によってコードされるタンパク質のレベルを上昇させます。[ 32 ]しかし、すべてのステロイド受容体が細胞内に存在するわけではないことが示されています。一部は形質膜と関連しています。[ 33 ]
ホルモンは体に次のような影響を与える：[ 34 ]
ホルモンは、他のホルモンの生成と放出を調節することもある。ホルモンのシグナルは、恒常性維持を通して体内の内部環境を制御する。
ホルモンの生合成と分泌の速度は、恒常性を保つ負のフィードバック制御機構によって調節されることが多い。このような機構は、ホルモンの代謝と排泄に影響を与える因子に依存する。したがって、ホルモン濃度が高いだけでは負のフィードバック機構を誘発することはできない。負のフィードバックは、ホルモンの「効果」の過剰産生によって誘発されなければならない。[ 35 ] [ 36 ]
ホルモン分泌は、以下の要因によって刺激および抑制される。
ホルモンの特別なグループの一つに、他の内分泌腺のホルモン産生を刺激するトロピックホルモンがあります。例えば、甲状腺刺激ホルモン（TSH）は、別の内分泌腺である甲状腺の成長と活動の増加を引き起こし、甲状腺ホルモンの分泌量を増加させます。[ 37 ]
活性ホルモンを循環系に素早く放出するために、ホルモン生合成細胞は、生物学的に不活性なホルモンをプレホルモンまたはプロホルモンの形で生成および貯蔵することがあります。これらは、特定の刺激に応じて、活性ホルモンの形に素早く変換されます。[ 37 ]
エイコサノイドは局所ホルモンとして作用すると考えられています。エイコサノイドは生成部位に近い標的細胞に特異的な効果を発揮するため、「局所的」であると考えられています。また、分解サイクルが速いため、体内の遠隔部位に到達することはありません。[ 38 ]
ホルモンは受容体アゴニストによっても調節されます。ホルモンはリガンドであり、リガンドとはタンパク質上の受容体部位に結合することでシグナルを生成するあらゆる種類の分子のことです。ホルモンの効果は、問題のホルモンと同じ標的受容体に結合する競合リガンドによって阻害され、調節されることがあります。競合リガンドが受容体部位に結合すると、ホルモンはその部位に結合できなくなり、標的細胞からの応答を引き出すことができなくなります。これらの競合リガンドはホルモンのアンタゴニストと呼ばれます。[ 39 ]
多くのホルモンとその構造的および機能的類似体は医薬品として使用されています。最も一般的に処方されるホルモンは、エストロゲンとプロゲステロン（ホルモン避妊法およびHRTとして）[ 40 ] 、チロキシン（甲状腺機能低下症用のレボチロキシンとして）、ステロイド（自己免疫疾患およびいくつかの呼吸器疾患用）です。インスリンは多くの糖尿病患者に使用されています。耳鼻咽喉科で使用される局所製剤には、アドレナリンの薬理学的同等物が含まれていることが多く、ステロイドクリームとビタミンDクリームは皮膚科診療で広く使用されています。[ 41 ]
ホルモンの「薬理学的投与量」または「生理的投与量を超える投与量」とは、健康な体内で自然に発生する量よりもはるかに多い量のホルモンを指す医学用語です。薬理学的投与量のホルモンの効果は、自然発生量に対する反応とは異なる場合があり、治療上有用な場合もありますが、潜在的な副作用がないわけではありません。例えば、薬理学的投与量の糖質コルチコイドは炎症を抑制する効果があります。
神経学的レベルでは、行動はホルモン濃度に基づいて推測することができ、ホルモン濃度はホルモン放出パターン、ホルモン受容体の数と位置、遺伝子転写に関与するホルモン受容体の効率によって影響を受ける。ホルモン濃度は行動を誘発するわけではない。なぜなら、そうすると他の外部刺激が損なわれるからである。しかし、ホルモン濃度は特定の事象が発生する確率を高めることによってシステムに影響を与える。[ 42 ]
ホルモンは行動に影響を与えるだけでなく、行動や環境もホルモン濃度に影響を与える可能性がある。[ 43 ]このようにフィードバックループが形成され、行動がホルモン濃度に影響を与え、それがまた行動に影響を与え、それがまたホルモン濃度に影響を与える、といった具合になる。[ 44 ]例えば、ホルモンと行動のフィードバックループは、断続的に分泌されるホルモンによって影響を受ける行動が、そのホルモンの継続的な放出を直接的に妨げるため、断続的なホルモン分泌に恒常性をもたらす上で不可欠である。[ 45 ]
特定のホルモンと行動の相互作用がシステム内に存在するかどうかを判断するために、3つの大まかな推論段階が使用される可能性があります。[ 46 ]
口語ではしばしば同じ意味で使われるが、ホルモンと神経伝達物質の間には明確な違いがいくつかある。[ 47 ] [ 48 ] [ 39 ]
神経ホルモンは、神経伝達物質と共通点を持つホルモンの一種です。[ 51 ]神経ホルモンは、ニューロンからの入力を受ける内分泌細胞、つまり神経内分泌細胞によって産生されます。[ 51 ]古典的なホルモンと神経ホルモンはどちらも内分泌組織から分泌されますが、神経ホルモンは内分泌反射と神経反射の組み合わせによって神経内分泌経路が形成される結果です。[ 39 ]内分泌経路はホルモンの形で化学信号を生成しますが、神経内分泌経路はニューロンの電気信号に関係します。[ 39 ]この経路では、ニューロンによって生成された電気信号の結果として、神経ホルモンである化学物質が放出されます。[ 39 ]最後に、古典的なホルモンと同様に、神経ホルモンは標的に到達するために血流中に放出されます。[ 39 ]
ホルモンの輸送と結合タンパク質の関与は、ホルモンの機能を考える上で不可欠な側面である。[ 52 ]結合タンパク質との複合体の形成にはいくつかの利点がある。結合したホルモンの有効半減期が長くなり、結合したホルモンの貯蔵庫が形成されることで、結合していないホルモンの濃度の変動が均一化される（結合したホルモンは、結合していないホルモンが除去されたときにそれを置き換える）。[ 53 ]ホルモン結合タンパク質の使用例としては、体内のチロキシンの最大80%を運搬するチロキシン結合タンパク質があり、これは代謝率の調節に重要な要素である。[ 54 ]
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