Передача сигналов ядерными рецепторами

Ядерные рецепторы активируются жирорастворимыми сигналами (например, стероидными гормонами), которые проходят через плазматическую мембрану. После активации большинство из них функционируют как факторы транскрипции, контролирующие экспрессию генов для многочисленных биологических процессов.

Ядерные рецепторы представляют собой семейство регулируемых лигандами факторов транскрипции, которые активируются стероидными гормонами, такими как эстроген и прогестерон, и различными другими жирорастворимыми сигналами, включая ретиноевую кислоту, оксистеролы и гормоны щитовидной железы (Mangelsdorf et al. 1995). В отличие от большинства межклеточных мессенджеров, лиганды могут пересекать плазматическую мембрану и напрямую взаимодействовать с ядерными рецепторами внутри клетки (Fig. 1), вместо того, чтобы действовать через рецепторы клеточной поверхности. После активации ядерные рецепторы напрямую регулируют транскрипцию генов, которые контролируют широкий спектр биологических процессов, включая пролиферацию, развитие, метаболизм и размножение клеток. Хотя ядерные рецепторы в основном функционируют как факторы транскрипции, было также обнаружено, что некоторые из них регулируют клеточные функции в цитоплазме. Например, эстрогены действуют через эстрогеновые рецепторы в цитоплазме эндотелиальных клеток, быстро активируя сигнальные пути, которые контролируют сосудистый тонус и миграцию эндотелиальных клеток (Wu et al. 2011).

Сигнализация ядерных рецепторов.

Исследования слюнных желез личинок насекомых в 1960-х годах впервые показали, что стероидные гормоны регулируют транскрипцию. Последующая работа показала, что эстроген может избирательно активировать гены, кодирующие белки яичного белка и желтка, что привело к клонированию рецепторов эстрогена, глюкокортикоидов и гормонов щитовидной железы в 1980-х годах (Hollenberg et al., 1985; Green et al., 1986; Miesfeld et al.). и др., 1986; Сап и др., 1986; Вайнбергер и др., 1986). Теперь мы знаем, что в геноме человека закодировано 48 ядерных рецепторов (Mangelsdorf et al., 1995). Во многих случаях были идентифицированы лиганды для них, но осталось несколько «сиротских рецепторов» (Burris et al. 2012). Неясно, все ли они имеют добросовестные лиганды, потому что некоторые ядерные рецепторы могут действовать в отсутствие лиганда (таблица 1).

Таблица 1.

Общие ядерные рецепторы и их лиганды

Ядерные рецепторы имеют общую структуру, состоящую из сильно вариабельного амино-концевого домена, который включает несколько отдельных областей трансактивации (домен A/B; также обозначаемый как AF1 для функции активации 1), центральный консервативный ДНК-связывающий домен, который включает два Zn-домена. пальцев (домен C), короткую область, ответственную за ядерную локализацию (домен D), и большой, достаточно хорошо консервативный карбокси-концевой лиганд-связывающий домен (домен E, или LBD), который также способствует взаимодействиям подмножества ядерных рецепторов, образующих гетеродимеры (Mangelsdorf et al., 1995). Некоторые также обладают очень вариабельным карбоксиконцевым хвостом (домен F), который в большинстве случаев выполняет неизвестные функции.

Рецепторы могут существовать в виде мономеров, гомодимеров или гетеродимеров и распознавать последовательности ДНК, называемые элементами гормонального ответа (HRE), полученные из пар последовательностей с консенсусом RGGTCA (R представляет собой пурин). Их можно разделить на четыре подтипа в зависимости от способа их действия. Рецепторы типа I, такие как рецептор андрогена, рецептор эстрогена и рецептор прогестерона, закрепляются в цитоплазме белками-шаперонами (например, HSP90) (Echeverria and Picard 2010). Связывание лиганда освобождает рецептор от шаперона, обеспечивая гомодимеризацию, раскрытие последовательности ядерной локализации и проникновение в ядро ​​(Fig. 1). Оказавшись в ядре, комплекс лиганд-рецептор связывается с коактиваторами транскрипции, которые облегчают связывание и активацию генов-мишеней (Glass and Rosenfeld 2000; Bulynko and O’Malley 2011). Недавний полногеномный анализ местоположения показывает, что большинство сайтов связывания ядерных рецепторов в геноме расположены в энхансерных элементах, которые находятся далеко от сайта начала транскрипции, как это впервые задокументировано для рецептора эстрогена (Carroll et al. 2006).Исследования глюкокортикоидного рецептора позволяют предположить, что рецептор, связанный с лигандом, быстро обменивается со своими сайтами связывания и что увеличение и уменьшение активности рецептора следует за изменением концентрации эндогенных глюкокортикоидов.

Рецепторы типа II, такие как рецептор гормона щитовидной железы и рецептор ретиноевой кислоты, напротив, находятся в ядре, связанном с их специфическими ответными элементами ДНК, даже в отсутствие лиганда. Обычно они образуют гетеродимеры с ретиноидным X-рецептором (RXR) и в отсутствие лиганда проявляют активные репрессивные функции посредством взаимодействия с корепрессорными комплексами NCoR и SMRT (Chen and Evans, 1995; Horlein et al., 1995), которые связаны с деацетилазами гистонов (HDACs). ) (Уотсон и др., 2012). Связывание лиганда с LBD приводит к диссоциации корепрессоров и замещению их коактиваторными комплексами. Коактиваторные комплексы обычно содержат белки с ферментативными функциями, включая гистоновые ацетилтрансферазы, которые помогают открывать хроматин и облегчают активацию генов-мишеней (Glass and Rosenfeld 2000). Обратите внимание, что несколько рецепторов типа II связываются с лигандами, продуцируемыми в одной и той же клетке (например, ответы LXR на оксистеролы), что обеспечивает клеточно-автономную регуляцию с обратной связью.

Рецепторы типа III функционируют аналогично рецепторам типа I, за исключением того, что организация HRE отличается (это скорее прямой повтор, чем инвертированный), и рецепторы типа IV вместо этого связываются в виде мономеров с HRE с половинным сайтом (Mangelsdorf et al. 1995).

Лиганды аллостерически контролируют взаимодействия ядерных рецепторов с коактиваторами и корепрессорами, влияя на конформацию короткой спирали, обозначаемой как AF2 (функция активации 2), на карбокси-конце LBD (Glass and Rosenfeld 2000). В отсутствие лиганда спираль AF2 находится в открытой конформации, что делает возможным связывание корепрессоров с рецепторами II типа.При связывании с агонистом спираль AF2 принимает конформацию, в которой она образует одну сторону зажима заряда, который захватывает концы короткой спирали консенсусной последовательности LxxLL, присутствующей в белках-коактиваторах, которые непосредственно взаимодействуют с LBD (Nolte et al. 1998). Селективная модуляция активности ядерных рецепторов может быть достигнута с помощью синтетических лигандов, которые по-разному изменяют конформацию AF2 (Glass and Rosenfeld 2000). Например, тамоксифен, модулятор эстрогеновых рецепторов, предотвращает принятие AF2 конформации заряд-зажим, тем самым блокируя AF2-зависимую транскрипционную активность.

Функции ядерных рецепторов также могут модулироваться посттрансляционными модификациями, которые включают фосфорилирование, убиквитинирование и SUMOилирование (Berrabah et al. 2011; Treuter and Venteclef 2011; Lee and Lee 2012). Фосфорилирование может активировать некоторые ядерные рецепторы независимо от связывания лиганда и функционировать как основной механизм, регулирующий активность орфанных рецепторов (Berrabah et al. 2011). Убиквитинирование рецептора может происходить в ответ на связывание лиганда и может способствовать прекращению гормональной передачи сигналов (Lee and Lee 2012). SUMOylation обычно снижает активационную функцию ядерных рецепторов и/или способствует репрессорной активности (Treuter and Venteclef 2011).

Характерной чертой ядерных рецепторов в отношении их интегративной роли в развитии и гомеостазе является их способность регулировать разные гены в разных типах клеток. Например, рецепторы эстрогена регулируют различные наборы генов в головном мозге, молочной железе и матке, которые способствуют различным функциям этих органов. Недавние исследования показывают, что тканеспецифические ответы являются следствием связывания ядерных рецепторов с энхансерными элементами, которые выбираются клеточно-специфическим образом.Отбор энхансеров, специфичных для клеток, обеспечивается ключевыми определяющими линию факторами для каждого типа клеток, которые совместно взаимодействуют с образованием открытых участков хроматина, обеспечивающих точки доступа для сигнал-зависимых факторов транскрипции (рис. 2) (Heinz et al. , 2010). В случае LXR, например, сайты связывания, специфичные для макрофагов, устанавливаются взаимодействием между факторами, определяющими линию макрофагов, которые включают PU.1 и AP-1, тогда как в печени (Heinz et al. 2010) возникают сайты связывания LXR. в ассоциации с определяющими линию гепатоцитов факторами HNF4 и C/EBPα (Boergesen et al. 2012). В каждом случае в построение функционального энхансера вовлечен сложный многоэтапный процесс с участием многочисленных белков-коактиваторов, а тканеспецифические реакции могут быть дополнительно адаптированы путем экспрессии различных комплексов коактиватор/корепрессор (рис. 2) (Bulynko and O'Malley 2011). ).

Передача сигналов тканеспецифических ядерных рецепторов в гепатоцитах по сравнению с макрофагами.

Учитывая большое разнообразие процессов, контролируемых ядерными рецепторами, их нарушение регуляции может способствовать возникновению многих заболеваний, включая рак, диабет и бесплодие. Однако, поскольку они связываются с небольшими молекулами, они представляют собой многообещающие терапевтические мишени, для которых могут быть созданы селективные агонисты и антагонисты (Burris et al. 2012). Тамоксифен, например, является антагонистом рецептора эстрогена, который в настоящее время используется для лечения рака молочной железы, а тиазолидиндионы, нацеленные на γ-рецептор, активирующий пролиферацию пероксисом (PPARγ), используются для лечения диабета 2 типа. Поскольку ядерные рецепторы регулируют многие гены во многих тканях, синтетические лиганды обычно проявляют полезные терапевтические эффекты и нежелательные побочные эффекты, которые ограничивают клиническое использование. Таким образом, основные цели в области ядерных рецепторов включают в себя достижение лучшего понимания механизмов, лежащих в основе их действий в специфических типах клеток, и способов избирательной модуляции их активности (Burris et al. 2012).

Сноски

Редакторы: Льюис Кэнтли, Тони Хантер, Ричард Север и Джереми Торнер.

Дополнительные перспективы преобразования сигналов доступны на сайте www.cshperspectives.org.

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

• Berrabah W, Aumercier P, Lefebvre P, Staels B 2011. Контроль активности ядерных рецепторов в метаболизме с помощью посттрансляционных модификаций. FEBS Lett 585: 1640–1650 [PubMed] [Google Scholar]
• Бергесен М., Педерсен Т.А., Гросс Б., ван Херинген С.Дж., Хагенбек Д., Биндесболл С., Карон С., Лаллойер Ф., Штеффенсен К.Р., Небб Х.И. и др. 2012. Полногеномное профилирование рецептора X печени, ретиноидного рецептора X и рецептора α, активируемого пролифератором пероксисом, в печени мышей выявило обширное совместное использование сайтов связывания. Mol Cell Biol 32: 852–867 [бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
• Булынко Ю.А., О’Мэлли Б.В. 2011. Коактиваторы ядерных рецепторов: структурно-функциональная биохимия. Биохимия 50: 313–328 [бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
• Burris TP, Busby SA, Griffin PR 2012. Ориентация на орфанные ядерные рецепторы для лечения метаболических заболеваний и аутоиммунитета. Chem Biol 19: 51–59 [бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
• Кэрролл Дж.С., Мейер К.А., Сонг Дж., Ли В., Гейстлингер Т.Р., Экхаут Дж., Бродский А.С., Китон Э.К., Фертак К.С., Холл Г.Ф. и другие. 2006. Полногеномный анализ сайтов связывания рецепторов эстрогена. Nat Genet 38 : 1289–1297 [PubMed] [Google Scholar]
• Chen JD, Evans RM 1995. Корепрессор транскрипции, который взаимодействует с ядерными рецепторами гормонов. Nature 377: 454–457 [PubMed] [Google Scholar]
• Echeverria PC, Picard D 2010. Молекулярные шапероны, важные партнеры рецепторов стероидных гормонов для активности и подвижности. Biochim Biophys Acta 1803: 641–649 [PubMed] [Google Scholar]
• Glass CK, Rosenfeld MG 2000. Обмен корегуляторов в транскрипционных функциях ядерных рецепторов. Genes Dev 14: 121–141 [PubMed] [Google Scholar]
• Грин С., Уолтер П., Кумар В., Краст А., Борнерт Дж. М., Аргос П., Шамбон П. 1986.кДНК рецептора эстрогена человека: последовательность, экспрессия и гомология с v-erb-A. Nature 320: 134–139 ​​[PubMed] [Google Scholar]
• Heinz S, Benner C, Spann N, Bertolino E, Lin YC, Laslo P, Cheng JX, Murre C, Singh H, Glass CK 2010. Простые комбинации транскрипционных факторов, определяющих происхождение цис— регуляторные элементы, необходимые для идентификации макрофагов и В-клеток. Mol Cell 38: 576–589 [бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
• Холленберг С.М., Вайнбергер С., Онг Э.С., Черелли Г., Оро А., Лебо Р., Томпсон Э.Б., Розенфельд М.Г., Эванс Р.М. 1985. Первичная структура и экспрессия кДНК функционального глюкокортикоидного рецептора человека. Nature 318 : 635–641 [бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
• Хорлейн А.Дж., Наар А.М., Хайнцель Т., Торчиа Дж., Глосс Б., Курокава Р., Райан А., Камей Ю., Содерстром М., Гласс К.К. и др. 1995. Независимая от лиганда репрессия рецептором гормона щитовидной железы, опосредованная корепрессором ядерного рецептора. Nature 377: 397–404 [PubMed] [Google Scholar]
• Lee JH, Lee MJ 2012. Новые роли убиквитин-протеасомной системы в передаче сигналов стероидных рецепторов. Arch Pharm Res 35: 397–407 [PubMed] [Google Scholar]
• Мангельсдорф Д.Дж., Туммель С., Беато М., Херрлих П., Шутц Г., Умесоно К., Блумберг Б., Кастнер П., Марк М., Шамбон П. и др. 1995. Суперсемейство ядерных рецепторов: второе десятилетие. Cell 83: 835–839 [бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
• Miesfeld R, Rusconi S, Godowski PJ, Maler BA, Okret S, Wikstrom AC, Gustafsson JA, Yamamoto KR 1986. Генетическая комплементация дефицита глюкокортикоидного рецептора экспрессией клонированной кДНК рецептора. Cell 46: 389–399 [PubMed] [Google Scholar]
• Nolte RT, Wisely GB, Westin S, Cobb JE, Lambert MH, Kurokawa R, Rosenfeld MG, Willson TM, Glass CK, Milburn MV 1998. Связывание лиганда и сборка коактиватора рецептора-γ, активируемого пролифератором пероксисом. Природа 395: 137–143 [PubMed] [Google Scholar]
• Сап Дж., Муньос А., Дамм К., Голдберг Ю., Гисдал Дж., Лойц А., Беуг Х., Веннстром Б. 1986.Белок c-erb-A является высокоаффинным рецептором гормона щитовидной железы. Nature 324: 635–640 [PubMed] [Google Scholar]
• Treuter E, Venteclef N 2011. Транскрипционный контроль метаболических и воспалительных путей с помощью SUMOylation ядерного рецептора. Biochim Biophys Acta 1812: 909–918 [PubMed] [Google Scholar]
• Watson PJ, Fairall L, Schwabe JW 2012. Корепрессоры ядерных гормональных рецепторов: структура и функция. Mol Cell Endocrinol 348: 440–449 [бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
• Weinberger C, Thompson CC, Ong ES, Lebo R, Gruol DJ, Evans RM 1986. с-эрб-А ген кодирует рецептор гормона щитовидной железы. Nature 324: 641–646 [PubMed] [Google Scholar]
• Wu Q, Chambliss K, Umetani M, Mineo C, Shaul PW 2011. Передача сигналов неядерных рецепторов эстрогена в эндотелии. J Biol Chem 286: 14737–14743 [бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]

Статьи из Cold Spring Harbour Perspectives in Biology предоставлены здесь с любезного разрешения Лабораторный пресс Колд-Спринг-Харбор