Nukleära receptorer är en klass av intracellulära proteiner som är ansvariga för uppfattningen av steroid- och sköldkörtelhormoner , såväl som vissa andra molekyler. En unik egenskap hos nukleära receptorer som skiljer dem från andra klasser av receptorer är deras förmåga att interagera direkt med genomiskt DNA och reglera uttrycket av närliggande gener, och därigenom kontrollera utvecklingen, homeostasen och kroppens metabolism . Därför klassificeras dessa receptorer som transkriptionsfaktorer [2] . Reglering av genuttryck av nukleära receptorer sker vanligtvis endast när en ligand är närvarande, en molekyl som påverkar receptorns beteende. Bindning av en ligand till en nukleär receptor resulterar i en konformationsförändring i receptorn, vilket i sin tur aktiverar receptorn, vilket resulterar i upp- eller nedreglering av genuttryck.
På grund av deras förmåga att interagera direkt med genomiskt DNA och kontrollera dess uttryck, spelar nukleära receptorer en nyckelroll i både embryonal utveckling och vuxen homeostas .
Nukleära receptorer kan klassificeras efter mekanism [3] eller homologi [4]
Nukleära receptorer är specifika för metazoer och finns inte i protozoer, alger, svampar eller växter. Människor, möss och råttor har 48, 49 respektive 47 nukleära receptorer [5] .
Ligander som binder till och aktiverar nukleära receptorer inkluderar lipofila substanser som endogena hormoner , vitamin A och D och främlingsfientliga hormonstörande ämnen . Eftersom uttrycket av ett stort antal gener regleras av nukleära receptorer kan liganderna som aktiverar dessa receptorer ha en stark effekt på kroppen. Många av dessa reglerade gener är associerade med olika sjukdomar, vilket förklarar varför de molekylära målen för cirka 13 % av de läkemedel som godkänts av US Food and Drug Administration riktar sig mot nukleära receptorer.
Ett antal nukleära receptorer, kallade föräldralösa receptorer , har inga kända (eller åtminstone allmänt erkända) endogena ligander. Vissa av dessa receptorer, såsom FXR , LXR och PPAR , binder ett antal metaboliska intermediärer , såsom fettsyror , gallsyror och/eller steroler , med relativt låg affinitet. Därför kan dessa receptorer fungera som metaboliska sensorer. [6] Andra nukleära receptorer, såsom CAR och PXR , verkar fungera som främlingsfientliga sensorer genom att reglera uttrycket av cytokrom P450-enzymer som metaboliserar dessa främlingsfientliga läkemedel. [7]
De flesta nukleära receptorer har molekylvikter mellan 50 000 och 100 000 dalton . Nukleära receptorer har en modulär struktur och innehåller följande domäner:
De N-terminala (A/B), DNA-bindande (C) och ligandbindande (E) domänerna är oberoende välvikta och strukturellt stabila, medan gångjärns (D) och valfria C-terminala (F) domäner kan vara konformationsmässig - flexibel och oberäknelig. De relativa orienteringarna av domänerna skiljer sig mycket åt när man jämför tre kända multidomänkristallstrukturer, varav två binder till DR1, en binder till DR4. [åtta]
Nukleära receptorer är multifunktionella proteiner som signalerar deras besläktade ligander . Nukleära receptorer (NR) kan delas in i två breda klasser enligt deras verkningsmekanism och subcellulära distribution i frånvaro av en ligand. Små lipofila ämnen, såsom naturliga hormoner, diffunderar över cellmembranet och binder till nukleära receptorer som finns i cellens cytosol (typ I NR) eller kärna (typ II NR). Bindning inducerar en konformationsförändring i receptorn, som, beroende på receptorklassen, utlöser en kaskad av efterföljande händelser som leder NR till DNA-transkriptionsregleringsställen, vilket leder till upp- eller nedreglering av genuttryck. De fungerar vanligtvis som homo/heterodimerer . [9] Dessutom har ytterligare två klasser identifierats: typ III, som är en variant av typ I, och typ IV, som binder DNA som monomerer .
Enligt funktionsmekanismen är nukleära receptorer indelade i fyra klasser:
Bindning av liganden till typ I nukleära receptorer i cytosolen resulterar i dissociation av värmechockproteiner , homodimerisering , translokation (dvs aktiv överföring) från cytoplasman till cellkärnan och bindning till specifika DNA-sekvenser kända som hormonsvarselement . (HRE). Typ I nukleära receptorer binder till HRE som består av två halvplatser separerade av DNA med variabel längd, och den andra halvplatsen inverteras från den första (inverterad upprepning). Typ I nukleära receptorer inkluderar underfamilj 3 medlemmar såsom androgenreceptorer , östrogenreceptorer , glukokortikoidreceptorer , progesteronreceptorer.
Det har noterats att några av underfamiljen 2 nukleära receptorer kan binda till en direkt upprepning istället för en inverterad upprepning HRE . Dessutom binder vissa nukleära receptorer antingen som monomerer eller som dimerer, med endast en receptor-DNA-bindande domän bunden till en HRE-halvplats. Dessa nukleära receptorer anses vara föräldralösa receptorer eftersom deras endogena ligander fortfarande är okända.
Nukleär receptor/DNA-komplexet rekryterar sedan andra proteiner som transkriberar DNA:t under HRE till ett budbärar-RNA och så småningom till ett protein, vilket orsakar en förändring i cellfunktionen.
Typ II-receptorer, till skillnad från typ I, bevaras i kärnan oavsett bindningsstatus för liganden och binder dessutom till DNA som heterodimerer (typiskt RXR). I frånvaro av en ligand bildar typ II nukleära receptorer ofta komplex med corepressorproteiner. Bindning av liganden till den nukleära receptorn orsakar corepressor-dissociation och rekrytering av koaktivatorproteiner. Ytterligare proteiner, inklusive RNA-polymeras, rekryteras sedan till NR/DNA-komplexet, som transkriberar DNA:t till budbärar-RNA.
Typ II nukleära receptorer inkluderar huvudsakligen underfamilj 1, såsom retinsyrareceptorn , retinoid X-receptorn och sköldkörtelhormonreceptorn .
Typ III nukleära receptorer (primärt underfamilj 2 NRs) liknar typ I-receptorer genom att båda klasserna binder till DNA som homodimerer. Men typ III nukleära receptorer, till skillnad från typ I, binder till en direkt upprepning istället för en inverterad upprepning HRE.
Typ IV nukleära receptorer binder som monomerer eller dimerer, men endast en DNA-bindande domän av receptorn binder till en HRE-halvplats. Exempel på typ IV-receptorer finns i de flesta NR-underfamiljer.
Den vanligaste verkningsmekanismen för den nukleära receptorn involverar dess direkta bindning till DNA-hormonsvarselementet. Denna mekanism kallas transaktivering . Vissa nukleära receptorer har dock förmågan att direkt binda inte bara till DNA, utan även till andra transkriptionsfaktorer. Denna bindning resulterar ofta i deaktivering av den andra transkriptionsfaktorn i en process som kallas transrepression . Ett exempel på en nukleär receptor som är kapabel att transrepressa är glukokortikoidreceptorn (GR). Dessutom kan vissa GR-ligander, kända som selektiva glukokortikoidreceptoragonister ( SEGRA ) , aktivera glukokortikoider på ett sådant sätt att GR transrepressar snarare än transaktiverar. Denna selektivitet ökar separationen mellan de önskade antiinflammatoriska effekterna och oönskade metabola biverkningar av dessa selektiva glukokortikoider. [tio]
Den klassiska direkta effekten av nukleära receptorer på genreglering tar vanligtvis flera timmar innan en funktionell effekt manifesteras i celler – på grund av det stora antalet mellansteg mellan aktivering av nukleära receptorer och förändringar i proteinuttrycksnivåer. Det har emellertid observerats att många effekter av nukleära hormoner, såsom förändringar i jonkanalaktivitet, inträffar inom några minuter, vilket är oförenligt med den klassiska verkningsmekanismen för nukleära receptorer. Även om det molekylära målet för dessa icke-genomiska effekter av nukleära receptorer inte har visats slutgiltigt, har det antagits att det finns varianter av nukleära receptorer som är membranbundna snarare än lokaliserade i cytosolen eller kärnan. Dessutom fungerar dessa membranassocierade receptorer genom alternativa signaltransduktionsmekanismer som inte är relaterade till genreglering.
Även om det har föreslagits att det finns flera membranassocierade nukleära hormonreceptorer, har det visat sig att kanoniska nukleära receptorer krävs för många snabba effekter. Studier av genomiska och icke-genomiska mekanismer in vivo hämmas dock av avsaknaden av specifika molekylära mekanismer för icke-genomiska effekter som kan blockeras genom mutation av receptorn utan att störa dess direkta effekt på genuttryck.
Den molekylära mekanismen för icke-genomisk signalering genom den nukleära sköldkörtelhormonreceptorn TRβ involverar fosfatidylinositol 3-kinas ( PI3K ). Denna signalering kan blockeras av en enda substitution av tyrosin till fenylalanin i TR β utan att störa direkt genreglering. Denna mekanism verkar vara konserverad i alla däggdjur, men inte i TRa eller några andra nukleära receptorer. Således ger den fosfotyrosinberoende associationen av TRβ med PI3K en potentiell mekanism för integration av utvecklings- och metabolisk reglering av sköldkörtelhormon och receptortyrosinkinaser. Dessutom kan sköldkörtelhormonsignalering genom PI3K förändra genuttrycket [11] .
Som visas i storskaliga experiment med två-hybridanalyser kan mänskliga nukleära receptorer dimeriseras med många andra nukleära receptorer (homotypisk dimerisering). [12] [13] Det finns dock specificitet: medlemmar av samma underfamilj har mycket liknande NR-dimeriseringspartners, och det underliggande dimeriseringsnätverket har vissa topologiska egenskaper, såsom närvaron av starkt sammankopplade nav ( RXR och SHP).
Nukleära receptorer associerade med hormonsvarselement attraherar ett betydande antal andra proteiner (kallade transkriptionella koregulatorer) som underlättar eller hämmar transkriptionen av den associerade målgenen till mRNA. Funktionerna hos dessa samregulatorer varierar och inkluderar kromatin -en ommodellering (gör målgenen mer eller mindre tillgänglig för transkription) eller bryggbildning för att stabilisera bindningen av andra samregulatoriska proteiner. Nukleära receptorer kan specifikt binda till ett antal samregulatorproteiner och därmed påverka cellulära signaltransduktionsmekanismer både direkt och indirekt [14] .
Bindning av agonistligander (se avsnitt nedan) till nukleära receptorer inducerar en receptorkonformation som företrädesvis binder koaktivatorproteiner. Dessa proteiner har ofta inneboende histonacetyltransferas (HAT) aktivitet, vilket dämpar associeringen av histoner med DNA och därför främjar gentranskription.
Bindning av antagonistligander till nukleära receptorer inducerar däremot en receptorkonformation som företrädesvis binder corepressorproteiner. Dessa proteiner rekryterar i sin tur histondeacetylaser (HDACs), som förbättrar histonassociationen med DNA och därför undertrycker gentranskription.
Beroende på den involverade receptorn, den kemiska strukturen hos liganden och vävnaden som behandlas, kan nukleära receptorligander uppvisa dramatiskt varierande effekter som sträcker sig från agonism till antagonism till omvänd agonism. [femton]
Aktiviteten hos endogena ligander (såsom hormonerna estradiol och testosteron ), när de är bundna till deras besläktade nukleära receptorer, resulterar i allmänhet i ökat genuttryck . Denna stimulering av genuttryck av en ligand kallas ett agonistsvar . De agonistiska effekterna av endogena hormoner kan också efterliknas av vissa syntetiska ligander, såsom det antiinflammatoriska läkemedlet dexametason . Agonistligander fungerar genom att inducera en receptorkonformation som främjar koaktivatorbindning (se övre halvan av figuren till höger).
Andra syntetiska nukleära receptorligander har ingen signifikant effekt på gentranskription i frånvaro av en endogen ligand. Emellertid blockerar de verkan av en agonist genom att kompetitivt binda till samma bindningsställe i den nukleära receptorn. Dessa ligander kallas antagonister. Ett exempel på ett nukleärt receptorantagonistläkemedel är mifepriston , som binder till glukokortikoid- och progesteronreceptorerna och därför blockerar aktiviteten hos de endogena hormonerna kortisol respektive progesteron. Antagonistligander fungerar genom att inducera en receptorkonformation som förhindrar samaktivering och främjar corepressorbindning (se nedre halvan av figuren till höger)
Slutligen främjar vissa nukleära receptorer låga nivåer av gentranskription i frånvaro av agonister (även kallad basal eller konstitutiv aktivitet). Syntetiska ligander som minskar denna basala nivå av nukleär receptoraktivitet är kända som omvända agonister. [16]
Ett antal läkemedel som verkar genom nukleära receptorer uppvisar ett agonistiskt svar i vissa vävnader och ett antagonistiskt svar i andra vävnader. Sådant beteende kan ha betydande fördelar genom att det tillåter att de önskade fördelaktiga terapeutiska effekterna av läkemedlet bibehålls samtidigt som oönskade biverkningar minimeras. Läkemedel med denna blandade agonist/antagonist-verkansprofil kallas selektiva receptormodulatorer (SRM). Exempel inkluderar selektiva androgenreceptormodulatorer (SARMs), selektiva östrogenreceptormodulatorer (SERMs ) och selektiva progesteronreceptormodulatorer (SPRMs). Verkningsmekanismen för SRM kan variera beroende på den kemiska strukturen hos liganden och den involverade receptorn, men många SRM tros fungera genom att främja en receptorkonformation som är nära balanserad mellan agonism och antagonism. I vävnader där koncentrationen av koaktivatorproteiner är högre än för corepressorer, förskjuts balansen mot agonister. Omvänt, i vävnader där corepressorer dominerar, beter sig liganden som en antagonist. [17]
Underfamilj | Grupp | Medlem | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
NRNC-symbol | Förkortning | namn | Gen | Ligand(er) | ||||
ett | Sköldkörtelhormonreceptorliknande | A | sköldkörtelhormonreceptor | NR1A1 | TRa | Sköldkörtelhormonreceptor-α | THRA | Sköldkörtelhormoner |
NR1A2 | TRp | Sköldkörtelhormonreceptor-β | THRB | |||||
B | retinsyrareceptor | NR1B1 | RARa | Retinsyra-α-receptor | RARA | vitamin A och relaterade föreningar | ||
NR1B2 | RARβ | Retinsyra-β-receptor | RARB | |||||
NR1B3 | RARy | Retinoinsyra-y-receptor | RARG | |||||
C | Receptorer aktiverade av peroxisomproliferatorn | NR1C1 | PPARa | Peroxisomproliferatoraktiverad receptor-α | PPARA | Fettsyror , prostaglandiner | ||
NR1C2 | PPAR-p/5 | Peroxisomproliferatoraktiverad receptor-β/δ | PPARD | |||||
NR1C3 | PPARy | Peroxisomproliferatoraktiverad receptor-y | PPARG | |||||
D | Rev-ErbA | NR1D1 | Rev-ErbAa | Rev-ErbAa | NR1D1 | Ädelsten | ||
NR1D2 | Rev-ErbAp | Rev-ErbAa | NR1D2 | |||||
E | E78C ( leddjur , trematoder , blötdjur, nematoder) [18] [19] |
NR1E1 | Eip78C | Ecdyson-inducerat 78C-protein | Eip78C | |||
F | RAR-relaterad föräldralös receptor | NR1F1 | RORa | RAR-relaterad föräldralös receptor-α | RORA | Kolesterol , Tretinoin | ||
NR1F2 | RORβ | RAR-relaterad föräldralös receptor-β | RORB | |||||
NR1F3 | RORγ | RAR-relaterad föräldralös receptor-y | RORC | |||||
G | CNR14 (nematoder) [18] | NR1G1 | sex-1 | Steroidhormonreceptor cnr14 [20] | sex-1 | |||
H | X-receptorer i levern | NR1H1 | EcR | Ecdysonreceptor, EcR (leddjur) | EcR | ekdysteroider | ||
NR1H2 | LXRp | Lever X-receptorer-β | NR1H2 | Oxysteroler | ||||
NR1H3 | LXRA | Lever-α X-receptorer | NR1H3 | |||||
NR1H4 | FXR | farnesoid X-receptor | NR1H4 | |||||
NR1H5 [21] | FXR-p | farnesoid X-receptor-β (pseudogen hos människor) |
NR1H5P | |||||
jag | vitamin D-receptorer | NR1I1 | VDR | Vitamin D-receptor | VDR | vitamin D | ||
NR1I2 | PXR | Pregnan X-receptor | NR1I2 | xenobiotika | ||||
NR1I3 | BIL | Konstitutiv androstanreceptor | NR1I3 | androstan | ||||
J | Hr96 [18] | NR1J1 | Hr96/ Daf-12 | Nukleär hormonreceptor HR96 | Hr96 | Kolesterol / dafakronsyra [22] | ||
NR1J2 | ||||||||
NR1J3 | ||||||||
K | Hr1 [18] | NR1K1 | Hr1 | Nukleär hormonreceptor HR1 | ||||
2 | Retinoid X-receptor-liknande | A | Nukleär faktor av hepatocyter -4 | NR2A1 | HNF4a | Hepatocyt nukleär faktor-4-α | HNF4A | Fettsyra |
NR2A2 | HNF4y | Hepatocyt nukleär faktor -4-y | HNF4G | |||||
B | Retinoid X-receptor | NR2B1 | RXRa | Retinoid X-receptor-a | RXRA | Retinoler | ||
NR2B2 | RXRp | Retinoid X-receptor-β | RXRB | |||||
NR2B3 | RXRy | Retinoid X-receptor-y | RXRG | |||||
NR2B4 | USP | Protein Ultraspiracle (leddjur) | usp | fosfolipider | ||||
C | Testikelreceptor | NR2C1 | TR2 | Testikelreceptor 2 | NR2C1 | |||
NR2C2 | TR4 | Testikelreceptor 4 | NR2C2 | |||||
E | TLX/PNR | NR2E1 | TLX | Drosophila genhomolog | NR2E1 | |||
NR2E3 | PNR | Nukleär receptor för fotoreceptorceller | NR2E3 | |||||
F | KUP /ÖR | NR2F1 | KUP-TFI | Kyckling ovalbumin - promotortranskriptionsfaktor I | NR2F1 | |||
NR2F2 | KUP-TFII | Kyckling-ovalbumin - promotortranskriptionsfaktor II | NR2F2 | Retinsyra [23] | ||||
NR2F6 | EAR-2 | V-erbA-relaterad gen | NR2F6 | |||||
3 | östrogenreceptorliknande | A | östrogenreceptor | NR3A1 | ERa | Östrogenreceptor-a | ESR1 | Östrogener |
NR3A2 | ERP | Östrogenreceptor-β | ESR2 | |||||
B | Östrogenkopplad receptor | NR3B1 | ERRa | Östrogenkopplad receptor-α | ESRRA | |||
NR3B2 | ERRp | Östrogenkopplad receptor-β | ESRRB | |||||
NR3B3 | ERRy | Östrogenkopplad receptor -y | ESRRG | |||||
C | 3-ketosteroidreceptorer | NR3C1 | GR | Glukokortikoidreceptor | NR3C1 | kortisol | ||
NR3C2 | HERR | Mineralokortikoidreceptor | NR3C2 | aldosteron | ||||
NR3C3 | PR | progesteronreceptor | PGR | progesteron | ||||
NR3C4 | AR | Androgenreceptor | AR | testosteron | ||||
D | Östrogenreceptorliknande (i Lophotrochozoa ) [24] |
NR3D | ||||||
E | Östrogenreceptorliknande (hos cnidarians ) [25] |
NR3E | ||||||
F | Östrogenreceptorliknande (i lamellär ) [25] |
NR3F | ||||||
fyra | Nervtillväxtfaktor IB-liknande | A | NGFIB/NURR1/NOR1 | NR4A1 | NGFIB | Nervtillväxtfaktor IB | NR4A1 | |
NR4A2 | NURR1 | Nukleär receptor-associerat protein 1 | NR4A2 | |||||
NR4A3 | NOR1 | Neuronal föräldralös receptor 1 | NR4A3 | |||||
5 | Steroidogen faktor-liknande |
A | SF1/LRH1 | NR5A1 | SF1 | Steroidogen faktor 1 | NR5A1 | Fosfatidylinositoler |
NR5A2 | LRH-1 | Lever-1-receptorhomolog | NR5A2 | Fosfatidylinositoler | ||||
B | Hr39-liknande | NR5B1 [18] | HR39/ FTZ-F1 | Nukleär hormonreceptorfaktor fushi tarazu I beta | Hr39 | |||
6 | Kärncellsfaktorliknande | A | GCNF | NR6A1 | GCNF | könscells kärnfaktor | NR6A1 | |
7 | NR med två DNA-bindande domäner [18] (plattmaskar, blötdjur, leddjur) |
A | 2DBD-NRa | NR7A1 | ||||
B | 2DBD-NRp | NR7B1 | ||||||
C | 2DBD-NRy | NR7C1 | leddjur "α/β" | |||||
åtta | NR8 [26] ( Eumetazoans ) | A | NR8A | NR8A1 | CgNR8A1 | Nukleär receptor 8 | AKG49571 | |
0 | Övrigt (ingen LBD eller DBD) | A | knr/knrl/egon [18] (leddjur) | NR0A1 | KNI | Zygotisk ruptur av proteinnoder | knl | |
B | DAX/SHP | NR0B1 | DAX1 | Doskänslig könsomkastning, kritisk region av binjurehypoplasi, på kromosom X, gen 1 | NR0B1 | |||
NR0B2 | SHP | Liten heterodimer partner | NR0B2 |