Mechanizmus účinku jadrových receptorov. Tento obrázok znázorňuje mechanizmus jadrového receptora (NR) triedy I, ktorý sa v neprítomnosti ligandu nachádza v cytozole. Väzba hormónu vyvoláva disociáciu proteínov tepelného šoku (HSP), dimerizáciu a translokáciu do jadra, kde sa viaže na špecifickú sekvenciu DNA známu ako prvok hormonálnej odpovede (HRE). Komplex jadrového receptora DNA zase verbuje ďalšie proteíny, ktoré sú zodpovedné za transkripciu následnej DNA do mRNA, ktorá sa nakoniec prekladá do proteínu, čo vedie k zmene funkcie bunky.
Štruktúry vybraných endogénnych ligandov jadrových receptorov a názov receptora, na ktorý sa každý z nich viaže.
V oblasti molekulárnej biológie sú jadrové receptory triedou proteínov nachádzajúcich sa vo vnútri buniek, ktoré sú zodpovedné za vnímanie prítomnosti hormónov a niektorých ďalších molekúl. V reakcii na to tieto jadrové receptory ovplyvnené hormónmi pracujú v súčinnosti s inými proteínmi na regulácii expresie špecifických génov, čím regulujú mechanizmy organizmu (metabolizmus, vývojové charakteristiky, homeostatické funkcie)
Jadrové receptory majú schopnosť priamo sa viazať na DNA a regulovať expresiu susedných génov, preto sa tieto receptory klasifikujú ako transkripčné faktory. K regulácii expresie génov jadrovými receptormi dochádza len vtedy, keď je prítomný ligand – molekula, ktorá ovplyvňuje správanie receptora. Presnejšie povedané, väzba ligandu na jadrový receptor vedie ku konformačnej zmene receptora, ktorá následne aktivuje receptor, čo vedie k zvýšeniu regulácie expresie génu.
Jedinečnou vlastnosťou jadrových receptorov, ktorou sa odlišujú od iných tried receptorov, je ich schopnosť priamo interagovať s genomickou DNA a riadiť jej expresiu. Jadrové receptory preto zohrávajú kľúčovú úlohu vo vývoji a homeostáze organizmov. Ako sa podrobnejšie uvádza ďalej, jadrové receptory možno klasifikovať buď podľa mechanizmu, alebo podľa homológie.
Medzi ligandy, ktoré sa viažu na jadrové receptory a aktivujú ich, patria lipofilné látky, ako sú endogénne hormóny, vitamíny A a D a xenobiotické endokrinné disruptory. Keďže expresia veľkého počtu génov je regulovaná jadrovými receptormi, ligandy, ktoré tieto receptory aktivujú, môžu mať na organizmus závažné účinky. Mnohé z týchto regulovaných génov sú spojené s rôznymi ochoreniami, čo vysvetľuje, prečo sú molekulárnymi cieľmi približne 13 % liekov schválených FDA jadrové receptory.
Mnohé jadrové receptory, označované ako sirotčie receptory, nemajú žiadne známe (alebo aspoň všeobecne dohodnuté) endogénne ligandy. Niektoré z týchto receptorov, ako napríklad FXR, LXR a PPAR, viažu množstvo metabolických medziproduktov, ako sú mastné kyseliny, žlčové kyseliny a/alebo steroly, s relatívne nízkou afinitou. Tieto receptory teda môžu fungovať ako metabolické senzory. Zdá sa, že iné jadrové receptory, ako napríklad CAR a PXR, fungujú ako senzory xenobiotík, ktoré regulujú expresiu enzýmov cytochrómu P450, ktoré tieto xenobiotiká metabolizujú.
Jadrové receptory majú modulárnu štruktúru a obsahujú tieto domény:
Mechanizmus účinku jadrových receptorov. Tento obrázok znázorňuje mechanizmus jadrového receptora (NR) triedy II, ktorý sa bez ohľadu na stav väzby ligandu nachádza v jadre viazaný na DNA. Na účely ilustrácie je tu znázornený jadrový receptor, ktorý je heterodimerizovaný s RXR, a to receptor pre hormóny štítnej žľazy (TR). V neprítomnosti ligandu je TR viazaný na korepresorový proteín. Väzba ligandu na TR spôsobuje disociáciu korepresora a nábor koaktivátorového proteínu, ktorý následne naberá ďalšie proteíny, ako napríklad RNA polymerázu, ktoré sú zodpovedné za transláciu následnej DNA do RNA a nakoniec do proteínu, čo vedie k zmene funkcie bunky.
Nukleárne receptory (NR) možno rozdeliť do dvoch širokých tried podľa ich mechanizmu účinku a subcelulárnej distribúcie v neprítomnosti ligandu.
Malé lipofilné látky, ako sú prírodné hormóny, difundujú cez bunkovú membránu a viažu sa na jadrové receptory umiestnené v cytosole (NR typu I) alebo v jadre (NR typu II) bunky. To spôsobuje zmenu konformácie receptora, ktorá v závislosti od mechanistickej triedy (typ I alebo II) spúšťa množstvo následných udalostí, ktoré nakoniec vedú k zvýšeniu alebo zníženiu génovej expresie.
Väzba ligandu na jadrové receptory typu I v cytozole (zahŕňa členov podrodiny NR 3) vedie k disociácii proteínov tepelného šoku, homo-dimerizácii, translokácii (t. j. aktívnemu transportu) z cytoplazmy do bunkového jadra a väzbe na špecifické sekvencie DNA známe ako prvky hormonálnej odpovede (HRE). Jadrové receptory typu I sa viažu na HRE pozostávajúce z dvoch polovičných miest oddelených variabilnou dĺžkou DNA a druhé polovičné miesto má sekvenciu invertovanú oproti prvej (invertovaná repetícia).
Komplex jadrový receptor/DNA potom naberá ďalšie proteíny, ktoré prepisujú DNA za HRE do messengerovej RNA a nakoniec do proteínu, čo spôsobuje zmenu funkcie bunky.
Receptory typu II (hlavne NR podrodiny 1) sa naopak udržiavajú v jadre bez ohľadu na stav väzby ligandu a navyše sa viažu ako heterodiméry (zvyčajne s RXR) na DNA. V neprítomnosti ligandu sú jadrové receptory typu II často komplexované s korepresorovými proteínmi. Väzba ligandu na jadrový receptor spôsobuje disociáciu korepresorov a nábor koaktivátorových proteínov. Do komplexu NR/DNA sa potom naverbujú ďalšie proteíny vrátane RNA polymerázy, ktoré preložia DNA na messengerovú RNA.
Jadrové receptory typu III (hlavne NR podrodiny 2) sú podobné receptorom typu I v tom, že obe triedy sa viažu na DNA a majú homodiméry. Avšak jadrové receptory typu III sa na rozdiel od jadrových receptorov typu I viažu na HRE s priamou opakovanou väzbou namiesto HRE s inverznou opakovanou väzbou.
Jadrové receptory typu IV sa viažu buď ako monoméry, alebo diméry, ale iba jedna DNA väzbová doména receptora sa viaže na jedno polovičné miesto HRE. Príklady receptorov typu IV sa nachádzajú vo väčšine podrodín NR.
Nukleárne receptory viazané na prvky hormonálnej odpovede získavajú značný počet ďalších proteínov (označovaných ako transkripčné koregulátory), ktoré uľahčujú alebo inhibujú transkripciu súvisiaceho cieľového génu do mRNA. Funkcie týchto koregulačných proteínov sú rôzne a zahŕňajú remodeláciu chromatínu (čím sa cieľový gén stáva viac alebo menej prístupným pre transkripciu) alebo funkciu mostíka na stabilizáciu väzby iných koregulačných proteínov.
Väzba agonistických ligandov (pozri časť nižšie) na jadrové receptory vyvoláva konformáciu receptora, ktorá prednostne viaže koaktivátorové proteíny. Tieto proteíny majú často vlastnú aktivitu histón acetyltransferázy (HAT), ktorá oslabuje väzbu histónov na DNA, a preto podporuje transkripciu génov.
Väzba antagonistických ligandov na jadrové receptory naopak vyvoláva konformáciu receptora, ktorá prednostne viaže korepresorové proteíny. Tieto proteíny následne regrutujú históndeacetylázy (HDAC), ktoré posilňujú väzbu histónov s DNA, a preto potláčajú transkripciu génov.
V závislosti od príslušného receptora, chemickej štruktúry ligandu a tkaniva, ktoré je ovplyvnené, môžu ligandy jadrových receptorov vykazovať dramaticky rôznorodé účinky v spektre od agonizmu cez antagonizmus až po inverzný agonizmus.
Aktivita endogénnych ligandov (ako sú hormóny estradiol a testosterón), keď sa viažu na svoje jadrové receptory, zvyčajne zvyšuje expresiu génov. Táto stimulácia expresie génu ligandom sa označuje ako agonistická odpoveď. Agonistické účinky endogénnych hormónov možno napodobniť aj niektorými syntetickými ligandmi, napríklad protizápalovým liekom dexametazónom, ktorý je súčasťou glukokortikoidných receptorov. Agonistické ligandy pôsobia tak, že vyvolávajú konformáciu receptora, ktorá podporuje väzbu koaktivátora (pozri hornú polovicu obrázku vpravo).
Iné syntetické ligandy jadrových receptorov nemajú zjavný účinok na transkripciu génov v neprítomnosti endogénneho ligandu. Blokujú však účinok agonistu prostredníctvom kompetitívnej väzby na rovnaké väzobné miesto v jadrovom receptore. Tieto ligandy sa označujú ako antagonisty. Príkladom antagonistického liečiva jadrového receptora je mifepristón, ktorý sa viaže na glukokortikoidové a progesterónové receptory, a preto blokuje aktivitu endogénnych hormónov kortizolu, resp. progesterónu. Antagonistické ligandy pôsobia tak, že vyvolávajú konformáciu receptora, ktorá zabraňuje väzbe koaktivátora a podporuje väzbu korepresora (pozri dolnú polovicu obrázka vpravo).
Napokon, niektoré jadrové receptory podporujú nízku úroveň transkripcie génov v neprítomnosti agonistov (označované aj ako bazálna alebo konštitutívna aktivita). Syntetické ligandy, ktoré znižujú túto základnú úroveň aktivity jadrových receptorov, sú známe ako inverzní agonisti.
Selektívne modulátory receptorov
Mnohé lieky, ktoré pôsobia prostredníctvom jadrových receptorov, vykazujú v niektorých tkanivách agonistickú odpoveď, zatiaľ čo v iných tkanivách antagonistickú. Takéto správanie môže mať značné výhody, pretože môže umožniť zachovanie požadovaných priaznivých terapeutických účinkov lieku pri minimalizácii nežiaducich vedľajších účinkov. Lieky s týmto zmiešaným agonisticko-antagonistickým profilom účinku sa označujú ako selektívne modulátory receptorov (SRM). Príkladom sú selektívne modulátory estrogénových receptorov (SERM) a selektívne modulátory progesterónových receptorov (SPRM). Mechanizmus účinku SRM sa môže líšiť v závislosti od chemickej štruktúry ligandu a príslušného receptora, predpokladá sa však, že mnohé SRM pôsobia tak, že podporujú konformáciu receptora, ktorá je v tesnej rovnováhe medzi agonizmom a antagonizmom. V tkanivách, kde je koncentrácia koaktivátorových proteínov vyššia ako korepresorov, je rovnováha posunutá v agonistickom smere. Naopak v tkanivách, kde prevládajú korepresory, sa ligand správa ako antagonista.
Najbežnejší mechanizmus účinku jadrových receptorov zahŕňa priamu väzbu jadrového receptora na prvok hormonálnej odpovede DNA. Tento mechanizmus sa označuje ako transaktivácia. Niektoré jadrové receptory však majú schopnosť viazať sa nielen priamo na DNA, ale aj na iné transkripčné faktory. Táto väzba často vedie k deaktivácii druhého transkripčného faktora v procese známom ako transrepresia.
Klasické priame účinky jadrových receptorov na reguláciu génov zvyčajne trvajú niekoľko hodín, kým sa v bunkách prejaví funkčný účinok, pretože medzi aktiváciou jadrových receptorov a zmenami v hladinách expresie proteínov existuje veľké množstvo medzistupňov. Bolo však pozorované, že niektoré účinky aplikácie hormónov, ako je estrogén, sa prejavujú v priebehu niekoľkých minút, čo je v rozpore s klasickým mechanizmom pôsobenia jadrových receptorov. Hoci molekulárny cieľ týchto negenómových účinkov jadrových receptorov nebol jednoznačne preukázaný, predpokladá sa, že existujú varianty jadrových receptorov, ktoré sú spojené s membránou namiesto toho, aby boli lokalizované v cytosole alebo jadre. Okrem toho tieto membránové receptory fungujú prostredníctvom alternatívnych mechanizmov prenosu signálu, ktoré nezahŕňajú génovú reguláciu.
Nasleduje zoznam 48 známych ľudských jadrových receptorov rozdelených podľa sekvenčnej homológie. Zoznam je usporiadaný takto:
Fylogenetický strom ľudských jadrových receptorov
Podčeľaď 1: Receptory podobné tyroidným hormónom
Podčeľaď 2: Receptor podobný retinoidu X
Podčeľaď 3: Estrogénovým receptorom podobné
Podčeľaď 4: Nervovému rastovému faktoru IB podobné
Podčeľaď 5: Steroidogénny faktor
Podčeľaď 6: Jadrový faktor podobný zárodočným bunkám
Podčeľaď 0: Rôzne
História jadrových receptorov
Nižšie je uvedený stručný výber kľúčových udalostí v histórii výskumu jadrových receptorov.
Konštitutívny androstánový receptor –
Jadrový väzbový faktor –
E2F –
Farnezoidný receptor X –
Kruppel-like faktory –
Nanog –
NF-kB –
Oct-4 –
P300/CBP –
Peroxisome proliferator-activated –
PIT-1 –
Rho faktor –
R-SMAD –
Sigma faktor –
Sox2 –
Sp1 –
STAT proteín
Základná špirála-smyčka-špirála:
Aryl uhľovodíkový receptor –
Faktory indukovateľné hypoxiou –
MYC –
MyoD –
Myogenin –
transkripčný faktor Twist
Základný leucínový zips:
Ccaat-enhancer-binding proteins –
CREB –
Základný leucínový zips typu helix-loop-helix:
transkripčný faktor spojený s mikroftalmiou –
Sterolový regulačný prvok viažuci proteín
Receptory steroidných hormónov
Typ I:
Glukokortikoidný receptor –
Mineralokortikoidný receptor –
Receptor pohlavných hormónov (androgénny receptor, estrogénový receptor, progesterónový receptor)
Typ II:
Kalcitriolový receptor –
Retinoidový receptor (receptor kyseliny retinovej, receptor retinoidu X) –
Receptor hormónov štítnej žľazy