Receptory jądrowe. budowa i działanie

Transkrypt

1 Receptory jądrowe budowa i działanie

2 Ambystoma mexicanum Prof. Laura Kufman Uniwerytet Jagielloński 1917???

3 1902 po raz pierwszy użyto sława hormon zaczęła się rozwijać endokrynologia i koncepcja działania substancji przekaźnikowych 1911 ekstrakt ssaczej tarczycy wyindukował metamorfozę kijanki 1919 oczyszczenie z ekstraktów tkankowych tyroksyny i kortyzonu synteza hormonów steroidowych i ich pochodnych 1961 wykazanie że estrogen wiążą się z białkiem receptorowym w cytoplaźmie a następnie kompleks taki jest transportowany do jądra sklonowanie genu receptora estrogenu 1981 wykazanie że receptory hormonów steroidowych wiążą się do promotorów genów targetowych Willson TM and Moore JT 1988 opracowanie metody wykrywania receptorów dla których ligandy nie są znane (receptory sieroce) 1990 opisanie heterodimeryzacji z RXR 1996 odkrycie współdziałania receptorów jądrowych z koaktywatorami i korepresorami 1998 odkrycie roli fosforylacji w regulacji działania receptorów jądrowych 2000 odkrycie, ze wszystkie receptory występują w licznych podtypach i izoformach odkrycie, że o ekspresji genów decyduje wzajemna regulacja szlaków transdukcji sygnałów z receptorów powierzchniowych i receptorów jądrowych

4 Ewolucja receptorów jądrowych - - NR występują u wszystkich badanych Metazoa,, ale nie stwierdzono ich u innych organizmów - większość receptorów jest bardzo stara: białka ssacze mają swoje odpowiedniki u owadów - NR stanowią jedną nadrodzinę wywodzącą się prawdopodobnie od jednego przodka - pierwotny NR działał prawdopodobnie jako konstytutywny, homodimeryczny czynnik transkrypcyjny - u C. elegans znaleziono ich ponad 200, ale u D. melanogaster tylko 21 (mediują np. działanie ekdysomu) - u człowieka znanych jest 48 NR - na poziomie białka funkcjonalnych receptorów może e być znacznie więcej (alternatywny( splicing, różne promotory,, modyfikacja posttranslacyjne)

5

6

7

8

9 Receptory jądrowe (NR) - czynniki transkrypcyjne aktywowane przez ligandy NR regulują transkrypcje wiążą ążąc c się do sekwencji sygnałowych HRE (hormon response element) w genach targetowych.. Zwykle sekwencje te sąs zlokalizowana w obrębie bie promotora, ale czasem znajdują się kilkanaście kb up- lub down-stream od miejsca startu transkrypcji HRE TATA box TATA box TATA box TATA box

10 Receptory jądrowe - czynniki transkrypcyjne aktywowane przez ligandy HRE składa się z sekwencji 6 nukleotydów: AGAA AACA lub CA (rozpoznawana przez receptory hormonów steroidowych) AGGTCA (rozpoznawana przez pozostałe e receptory) AGTTCA TCA (rozpoznawana przez pozostałe e receptory)

11 Receptory jądrowe - czynniki transkrypcyjne aktywowane przez ligandy niektóre NR działaj ają jako monomery, łącz cząc c się do heksamerycznego motywu. np. SF-1, LHR zdecydowana większo kszość receptorów w działa a jako dimery, łącz cząc c się do sekwencji zbudowanej z dwóch heksamerów dimery mogą być albo homodimerami,, albo heterodimerami,, przy czym partnerem heterodimeryzacji jest receptor jądrowy RXR ER GR RAR TR VDR PPAR RXR homodimers heterodimers

12 RXR jest partnerem do heterodimeryzacji dla wielu innych NR wiąż ąże e się do DR1 jako homodimer i aktywuje transkrypcje genów w w odpowiedzi na kwas 9-cis-retinowy lub wysokie dawki atra jest aktywowany przez niecykliczne terpenoidy: : kwas metoprenowy (zanieczyszczenie) i kwas fytanowy (składnik chlorofilu obecny w diecie), ale z niskim powinowactwem. u ssaków w znane sąs 3 białka: RXRα,, RXRβ i RXRγ występuje we wszystkich komórkach opisanie naturalnego liganda dla RXRα było o pierwszym przykladem tzw. odwrotnej endokrynologii (najpierw sekwencja receptora, potem znaczenie fizjologiczne liganda i identyfikacja nowego hormonu); ligandy RXR sąs testowane jako potencjalne leki w różnego r typu nowotworach

13 Receptory jądrowe - czynniki transkrypcyjne aktywowane przez ligandy sekwencje HRE rozpoznawane przez dimery mogą być palindromami (są to jedyne sekwencje dla receptorów w hormonów steroidowych), odwróconymi palindromami AGGTCA...TGACCT TCCAGT...ACTGGA ACTGGA...TCCAGT TGACCT...AGGTCA bezpośrednimi powtórzeniami AGGTCA...AGGTCA TCCAGT...TCCAGT

14 Binding of receptors to hormone response elements (HRE) Receptors can bind as monomers, homodimers or RXR heterodimers. Steroid receptors bind as homodimers to palindromic elements spaced by three nucleotides. Monomeric binding requires the half- core motif precede by a 5 -flanking A/T reach sequence. Heterodimers can recognmize diverse HREs in which half-core motifs can be arranged as polindromes, direct repeats or inverted polindromes Aranda A. & Pascual A. Physiol Rev 2001.

15 Permissive and non-permissive heterodimers Permissive heterodimers, such as PPAR/RXR, can be activated by ligands of either RXR or its partner receptor and are synergistically activated in the presence of both ligands. Aranda A. & Pascual A. Physiol Rev 2001.

16 Permissive and non-permissive heterodimers In non-permissive heterodimers, such as RXR/RAR, heterodimerization precludes binding of the RXR ligand. Binding of ligand to the RAR moiety causes receptor activation and allows binding of the RXR ligand resulting in synergism. Aranda A. & Pascual A. Physiol Rev 2001.

17 Klasyfikacja receptorów jądrowych - na podstawie struktury pierwszorzędowej można je zaklasyfikować do 7 rodzin - w obrębie jednej rodziny mogą być receptory dla bardzo odmiennych ligandów a ten sam ligand może być wiązany przez receptory z różnych rodzin. Na podstawie ich zdolności do wiązania ligandów i dimeryzacji można je zakwalifikować do 4 typów: Typ I (homodimeryczne receptory hormonów steroidowych) - PR, ER, AR, GR, MR. Typ II (receptory sieroce, działające jako homodimery) - RXR Typ III (receptory działające jako heterodimery z RXR) TR, RAR, VDR, PPAR. Typ IV (receptory sieroce działające jako monomery) SF, LHR

18 N-terminal DBD LBD

19 Modular structure of nuclear receptors A typical nuclear receptor is composed of several domains The variable NH2-terminal region (region( A/B) contains the ligand-independent independent AF-1 transactivation domain. The conserved DNA-binding domain (DBD, region C) C is responsible for the recognition of specific DNA sequences A variable linker region D connects DBD to the E/F region The conserved E/F region contains ligand binding domain (LBD), dimerization structure and ligand-dependend dependend AF2 transactivation domain Aranda A. & Pascual A. Physiol Rev 2001.

20 Region A/B Jest najbardziej n zmienny pod względem wielkości i sekwencji, często zawierający AF-1 Zmienność form splicingowych poszczególnych receptorów w zwykle dotyczy tej domeny Prawdopodobnie decyduje o komórkowo rkowo-specyficznym działaniu aniu receptora Jest fosforylowany przez różne r kinazy zaangażowane w transdukcję sygnału u (MAPK, kinazy zależne od cyklin) co w znacznym stopniu moduluje aktywność receptora

21 Region DBD Domena najbardziej n konserwatywna, decydująca ca o rozpoznawaniu konsensusowych sekwencji DNA ma 2 palce cynkowe rozdzielone odcinkiem aminokwasów w każdym palcu 4 cysteiny koordynują jeden jon cynkowy sekwencja aminokwasów u podstawy pierwszego palca (P box) rozpoznaje motyw na DNA, a sekwencja u podstawy drugiego palca (D box) jest zaangażowana w dimeryzację

22 DBD of nuclear receptor DBD consists of two zinc fingers.. In the zinc fingers, four conserved cysteines coordinate a zinc ion. First finger contains P box residues, involved in the discrimination of the response element Second finger contains D box, which form a dimerization interface CTE (COOH-terminal extension) is critical for monomeric DNA binding Fingers form the DBD that recognizes a hemi-site of the response element Aranda A. & Pascual A. Physiol Rev 2001.

23 Region zawiasowy Niezbyt konserwatywny, łączy DBD i LBD, pozwalając c na rotację DBD Często zawiera sygnały y lokalizacji jądrowejj Mutacje w tym regionie często uniemożliwiaj liwiają interakcję z korepresorami

24 Region LBD Domena wiążą ążąca ligand i mediująca homo- lub hetero-dimeryzacj dimeryzację oraz interakcję z białkami szoku cieplnego Domena AF-2 na 12stej α-helisie LBD jest odpowiedzialna za transaktywację zależną od ligandu. Mutacje w obrębie bie AF2 prowadzi wadzić mogą do np. do syndromu niewrażliwo liwości na androgeny lub niewrażliwo liwości na hormony tyroidowe. Domena ta obejmuje także e inne sekwencje niezbędne do transaktywacji, rozproszone w spoczynkowym receptorze,, ale zbliżone do siebie po związaniu zaniu ligandu.

25 LBD of nuclear receptor Cylinders represents a-helices that are numbered from Note different position of the COOH- terminal helix 12 that contains the core AF-2 domain Unligated Ligated Aranda A. & Pascual A. Physiol Rev 2001.

26 Domain structure of nuclear receptors A. Lazar

27 , NR, NR HIF-1, NR, NR NR, NR

28

29 Mechanism of action of nuclear receptors Nuclear receptors are activated after ligand binding. Aranda A. & Pascual A. Physiol Rev Ligand can be generated in three different ways: 1) an active ligand or hormone is synthesized in a classical endocrine organ and enters the cell, 2) the ligand may be generated from a precursor or prohormone within the target cell, and 3) the ligand may be a metabolite synthesized within the target cell. The unliganded receptor may have a nuclear location. However, some steroid receptors are cytoplasmic in the absence of ligand due to their association with a large multiprotein complex of chaperones, including Hsp90 and Hsp56. Ligand binding induces dissociation of the complex and nuclear translocation. Once in the nucleus, the receptors regulate transcription by binding, generally as dimers,, to hormone response elements (HREs) normally located in regulatory regions of target genes.

30

31

32 Mechanism of action of nuclear receptors Nuclear receptors can be also activated independently of ligand binding. Some receptors may be constitutively active. Activity of others is modulated by other means,, for instance phosphory-lation mediated by hormones and growth factors that stimulate diverse signal transduction pathways. Aranda A. & Pascual A. Physiol Rev 2001.

33

34

35 co-activator

36 co-activator

37 co-activator

38 Localization of nuclear receptor binding sites in the promoter of vitellogenin in Xenopus laevis

39

40 Limited access of transcription factors to DNA in the nucleosome transcription factor cross-section of one side of nucleosome

41 Nukleosom

42 Acetylacja histonów

43

44

45

46

47

48

49 Coactivators and corepresors and histone acetylation Aranda A. & Pascual A. Physiol Rev 2001.

50 Drosophila polytene chromosome immunostained with anti- HDAC1 antibody (green), with DAPI as the blue counterstain

51

52 p160 and CBP/p300 coactivators bhlh basic helix loop helix PAS Per-Arnt Arnt-Sim homology region RID receptor interacting domain HAT AD1, AD2 activation domain HAT histone acetyltransferase CBP region of interaction with CBP/p300 CARM1 arginine methyl- transferase Aranda A. & Pascual A. Physiol Rev 2001.

53 b Nuclear receptor coactivators p300/cbp

54 psmrt and NCoR corepresors RD1, RD2, RD3 repressor domains RID receptor-interacting domain msim3a protein that recruits class I HDAC1 and HDAC-2 HDAC histone deacetylase CBP region of interaction with CBP/p300 CARM1 arginine methyl- transferase Aranda A. & Pascual A. Physiol Rev 2001.

55

56 Repression and activation of transcriptional regulation by nuclear hormone receptors Relative level of gene transcription

57 Dziekuję i zapraszam za tydzień. Co warto zapamiętać: - budowa receptorów jądrowych - sposoby działania receptorów jądrowych - podstawowe koaktywatory i korepresory - jaka jest funkcja receptor RXR Slajdy będą dostępne w bibliotece i na stronie Fan-clubu hemoksygenazy:

58

59 Signal transduction by hormons via nuclear recept A. Lazar

60 Transcriptional regulation in chromatin TR recruits a coactivator complex p300/cbp/pcaf (that( reteins chromatin in an open configuration) and transcriptional machinery associated with the promoter. This complex counteract the continued activity of the histone deacetylase (HD1).

61

62 Aranda A. & Pascual A. Physiol Rev 2001.

63 Coactivators and corepressors in transcriptional regulation by nuclear receptors CBP - calcium-binding protein; DRIP - D receptor interacting protein; HRE - hormone response element; HAT - histone acetyltransferase; HDAC - histone deacylase; ; N-CoRN CoR, nuclear receptor corepressor; NR - nuclear receptor; PCAF - p300/cbp associated factor; SMRT - silencing mediator of retinoid and thyroid receptors; TRAP - thyroid hormone receptor associated protein. A. Lazar