Inovace studia molekulární a buněčné biologie

Transkript

1 Investice do rozvoje vzdělávání Inovace studia molekulární a buněčné biologie Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

2 Investice do rozvoje vzdělávání Buněčná biologie 2: KBB/BB2 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

3 Investice do rozvoje vzdělávání Jaderné a steroidní receptory Prof. RNDr. Zdeněk Dvořák, Ph.D. Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

4 Investice do rozvoje vzdělávání Cíl přednášky Seznámit posluchače s mechanismy signalizace steroidními a jadernými receptory a s jejich fyziologickou funkcí Klíčová slova Transkripční regulace, steroidy, retinoidy, thyroidy, xenoreceptory Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

5 SIGNAL TRANSDUCTION SIGNÁL HORMON RECEPTOR TRANSDUKTOR EFEKTOR KONEČNÁ BUNĚČNÁ ODPOVĚĎ DRUHÝ POSEL

6 RECEPTORY LIGANDY-AKTIVOVANÉ TRANSKRIPČNÍ FAKTORY vs. RECEPTORY po funkční a praktické stránce žádný rozdíl DOGMA: hormon-receptor-efektor receptor efektor receptor je aktivován hormonem - endogenní ligand hormon působek sekretovaný speciálními tkáněmi a orgány žlázy s vnitřní sekrecí ENDOKRINNÍ REGULACE-SIGNALIZACE místo vzniku a účinku hormonu je odlišné BUNĚČNÁ (BIOLOGICKÁ) ODPOVĚĎ JE POMALÁ (hodiny) ÚČINKY HORMONŮ JSOU DLOUHODOBÉHO CHARAKTERU DĚJE DŮLEŽITÉ PRO METABOLISMUS, DIFERENCIACI, IMUNITU, BIOTRANSFORMACI, ADAPTACI, STRES atd.

7 Na + Na + TYPY RECEPTORŮ R +/- R +/- R G G E E Hyperpolarization or depolarization Excitability change Second messengers Protein phosph. h nucleus Calcium release Protein phosph. Other R HRE mrna Cellular Cellular Cellular effects Cellular effects effects effects protein Channel-linked receptors (ionotropic) G-protein coupled receptors (metabotropic) Kinase-linked receptors Receptors linked to gene transcription milliseconds seconds minutes hours nicotinic ACh r. adrenoreceptors insulin r. GABA A r. muscarinic ACh r. growth factors r. cytokine r. steroid/thyroid r. MR, GR, AR, ER GR, TR, VDR, PR

8 JADERNÉ A STEROIDNÍ RECEPTORY STEROIDNÍ RECEPTORY pohlavní - Estrogenový (ER) - Progesteronový (PR) - Androgenní (AR) kortikoidní - Mineralokortikoidní (MR) - Glukokortikoidní (GR) JADERNÉ RECEPTORY thyroidní (TR) retinoidní (RXR, RAR) vitamin D receptor (VDR) xenoreceptory - Pregnanový X - Konstitutivní Androstanový - Aryluhlovodíkový ostatní (FXR, LXR, PPAR atd.) Germain P et al. (2006) Overview of Nomenclature of Nuclear Receptors. Pharmacol Rev 58:

9 MECHANISMUS ÚČINKU STEROIDNÍCH A JADERNÝCH RECEPTORŮ vnitrobuněčná lokalizace cytosolické GR, MR, ER, PR, AR, CAR, AhR (podléhají jaderné translokaci) jaderné RARs, RXRs, VDR, TR, PXR nemají druhého posla efektorem je DNA vazbou do DNA je spuštěna/zastavena genová exprese; tj. buněčná odpověď zvýšená/snížená syntesa specifických proteinů

10 MECHANISMUS ÚČINKU STEROIDNÍCH A JADERNÝCH RECEPTORŮ Hormon prochází plasmatickou membránou Vně buňky Hormon + Receptor Uvnitř buňky Jaderná translokace HR komplex se váže do DNA Buněčná odpověď

11 Volný steroidní hormon Hormon vázaný Na proteiny plasmy Biologická odpověď hsp NOVÝ PROTEIN HR HR HR Syntesa proteinu HR HR HR transkripce HR mrna mrna translace DNA

12 STRUKTURA JADERNÝCH RECEPTORŮ dimerization domains A/B C D E F NH 2 AF1 AF2 COOH N-terminal domain activation function ligand independent activation function ligand dependent LIGAND BINDING DOMAIN HINGE C-terminal domain variable DNA BINDING DOMAIN

13 DNA VAZEBNÉ SEKVENCE DNA MOTIV RARs RXRs VDR TR DR-1 AGGTCAnAGGTCA + DR-2 AGGTCAnnAGGTCA + DR-3 AGGTCAnnnAGGTCA + DR-4 AGGTCAnnnnAGGTCA + DR-5 AGGTCAnnnnnAGGTCA + DR-x = direct repeats (přímá opakování) sekvence nukleotidů oddělená x basemi

14 RETINOIDNÍ RECEPTORY formálně nejsou receptory jejich aktivátory (retinoidy a rexinoidy) nejsou považovány za hormony neboť nejsou syntetizovány žlázou s vnitřní sekrecí regulují růst,,přežití a diferenciaci buněk; hematopoezi, tvorbu kostí, vidění, reprodukci atd. esenciální pro existenci lidského organismu cílem jsou všechny tkáně ě ld lidského organismu exprese - u dospělých jedinců zejména kůže, rohovka, epitel plic a průdušek, imunitní systém differenciální exprese ve zdravých a nádorových tkáních diagnostický marker nádorových onemocnění potenciální terapeutický cíl dermatologie, onkologie

15 RETINOIDNÍ RECEPTORY RARs - Retinoic Acid Receptors - agonistou je kyselina all-trans-retinová - aktivátory retinoidy RXRs - Retinoid X Receptors - agonistou je kyselina 9-cis-retinová - aktivátory rexinoidy

16 RETINOIDNÍ RECEPTORY Retinoic Acid Receptors Retinoid X Receptors NR1B1 NR1B2 NR1B3 RAR 1 RAR 1 RAR 1 RAR 2 RAR 2 RAR 2 RAR 3 RAR 4 NR2B1 NR2B2 NR2B3 RXR 1 RXR 1 RXR 1 RXR 2 RXR 2 RXR 2 L L L RAR RXR RXR RXR RARE RXRE AGGTCAnnAGGTCA AGGTCAnAGGTCA AGGTCAnnnnnAGGTCA RXRE Retinoid X Responsive Element (DR-1 motiv) RARE Retinoic Acid Responsive Element (DR-2, DR-5 motivy) SMRT = silencing mediator of retinoic acid and thyroid hormone receptors

17 METABOLISMUS RETINOIDŮ různé tkáně játra

18 METABOLISMUS RETINOIDŮ

19 RETINOIDY A REXINOIDY Brtko J (2007) Biomed Pap Med Fac Univ Palacky Olomouc Czech Repub. 151(2):

20 THYROIDNÍ RECEPTORY Thyroidní Receptory NR1A1 NR1A2 TR 1 TR 1 TR 2 TR 2 L TR RXR TRE AGGTCAnnnnAGGTCA TRE Thyroid Responsive Element (DR-4 motiv) TRs řídí mnoho fyziologických funkcí (např. vývoj a růst skeletu; vývoj svalů; basalní metabolismus; syntesu žlučových kyselin ) regulace jaterního metabolismu a metabolismu periferních tkání

21 HYPOTHALAMUS-PITUITARY-THYROID AXIS Externí stimulus HYPOTHALAMUS TRH thyrotropin-releasing hormone (TRH) tripeptid; aktivace dráhy PI-PLC PŘEDNÍ HYPOFÝZA (ADENOHYPOFÝZA) TSH thyroid-stimulating hormone (TSH) thyrotropin glykoprotein dimer a řetězce; aktivace dráhy AC ŠTÍTNÁ ŽLÁZA T3 + T4 THYROIDNÍ RECEPTORY = BIOLOGICKÝ EFEKT

22 BIOSYNTESA THYROIDŮ I + + TGB jodace DIT MIT DIT TGB MIT coupling T3 DIT T4 DIT TGB MIT DIT I - MIT DIT MIT MIT T4 T3 tyrosin TGB Fagocytosa a pinocytosa dejodinasa dejodace lysosomy TGB TGB sekundární lysosom I - Na + /K + ATP-ase MIT DIT T3, T4 hydrolýza I - MIT = monojodotyrosin; DIT = dijodotyrosin T3, T4

23 BIOSYNTESA THYROIDŮ DIT + DIT DIT + MIT T4 T3 Probíhá v thyroglobinu dejodinasa tetrajódthyronin (thyroxin) trijódthyronin L TR TRE AGGTCAnnnnAGGTCA RXR

24 RECEPTOR PRO VITAMÍN D Vitamin D Receptor (VDR) NR1I1 L VDR RXR VDRE AGGTCAnnnnAGGTCA VDRE Vitamin i D Responsive Element (DR-3 motiv) Nedokonalost vazby do RE: VDR se váže do ER-6 motivu pro PXR a CAR PXR a CAR se váží do VDRE VDR kontroluje homeostasu vápníku mineralizace kostí regulace metabolických dějů narušení aktivity i VDR (+/-) vede k onemocněním ě skeletu

25 vitd A JEHO PREKURSORY

26 BIOSYNTESA VITAMÍNU D UV - h 7-dehydrocholesterol Previtamín D 3 Vitamín D 3 cholecalciferol kůže játra CYP27A CYP2R1 (-) CYP27B 25(OH)-D 3 25-cholecalciferol CYP24 L VDR VDRE RXR 1,25(OH) 2 -D 3 aktivní ledviny 24,25(OH) 2 -D 3 inaktivní AGGTCAnnnnAGGTCA (+) CYP24 aktivní forma vitamínu D3 aktivuje VDR VDR up-reguluje CYP24 a down-reguluje CYP27B dvojitá negativní zpětná ě vazba!!! 1,24,25(OH) 3 -D 3 inaktivní

27 LÉKY-INDUKOVANÁ OSTEOMALACIE při dlouhodobém užívání některých léků trpí pacienti tzv. OSTEOMALACIÍ jedná se o soubor klinických příznaků vyvolaných nízkými hladinami vitd obdoba křivice nedostatek vitd (slunečního svitu) stále není známý přesný mechanismus léky-indukované osteomalacie karbamazepin Biston, Tegretol - antiepileptikum fenobarbital Phenobarbital - hypnotikum kys. Valproová Depakine - antiepileptikum rifampicin Rifadin, Rifampicin - antibiotikum fenytoin Epilan, Salepin -antiepileptikum

28 LÉKY-INDUKOVANÁ OSTEOMALACIE Pascussi et al. (2005) J Clin Invest PXR transaktivuje VDRE v CYP24 promotoru up-regulace CYP24 = accelerace metabolismu VD3 down-regulace CYP27B = snížená syntéza aktivního VD3 pathofyziologické důsledky = osteomalacie CAR transaktivuje VDRE v CYP24 promotoru Moreau et al. (2007) BBRC

29 LÉKY-INDUKOVANÁ OSTEOMALACIE PXR CYP3A4 MDR1 CAR VDR CYP24 Osteomalacie Lékové interakce Antikonvulsivum kyselina valproová aktivuje PXR, CAR a VDR a indukuje expresi CYP3A4, MDR1 a CYP24 v primárních lidských hepatocytech Červený L., Švecová L., Anzenbacherová E., Vrzal R., Štaud F., Dvořák Z., Ulrichová J., Anzenbacher P., Pávek P. (2007) Valproic acid induces CYP3A4 and MDR1 genes expression by activation of Constitutive androstane receptor and Pregnane X receptor pathways. Drug Metab Dispos 35(7):

30 STEROIDNÍ RECEPTORY lokalizovány v cytosolu v komplexu s chaperony jejich ligandy jsou steroidní hormony po vazbě hormonu translokace receptoru do jádra vazba do DNA ve formě homodimerů (+koaktivátory) Pohlavní hormony - Estrogeny (estradiol) - Gestageny (progesteron) - Androgeny (testosteron) Kortikoidní hormony - Mineralokortikoidy (aldosteron) - Glukokortikoidy (kortizol)

31 STEROIDNÍ RECEPTORY RECEPTORY PRO POHLAVNÍ HORMONY Estrogenový Receptor Progesteronový Receptor Androgenní Receptor ER (NR3A1) ER (NR3A2) PR (NR3C3) AR (NR3C4) RECEPTORY PRO KORTIKOIDNÍ HORMONY Glukokortikoidní Receptor Mineralokortikoidní Receptor GR (NR3C1) GR MR (NR3C2)

32 HORMONE RESPONSE ELEMENTS Kortikoidní r. Pohlavní r. L GR GR L L AR AR L GRE ARE Glucocorticoid Response Element GRE GGTACAnnnTGTTCT Androgen Response Element ARE GG(A/T)ACAnnTGTTCT

33 STEROIDNÍ HORMONY Žlučové kyseliny Estery Steroidní hormony CHOLESTEROL - PREKURZOR syntesa viz biochemie (acetát, isopren, mevalonát, skvalen) číslování skeletu!!! kůra nadledvinek ALDOSTERON (mineralokortikoid; homeostasa sodíku) - KORTISOL (glukokortikoid; metabolické děje) žluté tělísko vaječníky varlata - PROGESTERON (gestagen; ženský pohlavní hormon) - ESTRADIOL (estrogen; ženský pohlavní hormon) - TESTOSTERON (androgen; mužský pohlavní hormon)

34 Zdroj:

35 Zdroj:

36 Cytostatika narušující mikrotubuly blokují funkci glukokortikoidního receptoru a způsobují inhibici bazální a inducibilní exprese enzymů metabolizujících léčiva, PXR a CAR v primárních lidských hepatocytech Destrukce mikrotubulů GR PXR CAR CYP2B6 CYP2C8 Dvořák et al. (2007) Cell Biol Toxicol 23(2): Dvořák et al. (2005) Curr Drug Metab 6: Dvořák et al. (2003) Mol Pharmacol 64(1): () Dvořák et al. (2002) Toxicol In Vitro 16(3): CYP2C9 CYP3A4 Lékové interakce

37 L AhR ARNT DRE XENORECEPTORY DRE: CACGCNA/T AhR = Aryl Hydrocarbon Receptor; dioxinový receptor L PXR NRE RXR NRE: AGGTCA-like PXR = Pregnanový X Receptor; NR1I2 L CAR NRE RXR CAR = Konstitutivní Androstanový Receptor; NR1I3

38 OSTATNÍ JADERNÉ RECEPTORY RECEPTOR IUPHAR LIGAND Retinoid-related Orphan Receptor (ROR ) NR1F1 cholesterol Retinoid-related id d Orphan Receptor (ROR ) NR1F2 kys. retinová Retinoid-related Orphan Receptor (ROR ) NR1F3 sirotek Liver X Receptor (LXR ) NR1H3 oxysteroly Liver X Receptor (LXR ) NR1H2 oxysteroly Farnesoid X Receptor (FXR ) NR1H4 žlučové kys. Farnesoid X Receptor (FXR ) NR1H5 lanosterol Peroxisome-proliferator activated r. (PPAR ) NR1C1 leukotrien B4 Peroxisome-proliferator activated r. (PPAR NR1C2 mastné kys. Peroxisome-proliferator activated r. (PPAR NR1C3 prostaglandiny Hepatocyte Nuclear Factor 4 (HNF4 ) NR2A1 sirotek Hepatocyte Nuclear Factor 4 (HNF4 ) NR2A2 sirotek Short Heterodimerization Partner (SHP NR0B2 sirotek Neuron-derived Orphan Receptor 1 (NOR1) NR4A3 sirotek Liver Receptor Homolog 1 (LRH-1) NR5A2 sirotek Germain P et al. (2006) Overview of Nomenclature of Nuclear Receptors. Pharmacol Rev 58:

39 KOAKTIVÁTORY A KOREPRESORY JADERNÝCH RECEPTORŮ NRIP1 Nuclear Receptor Interacting Protein GRIP Glucocorticoid receptor Interacting Protein DRIP Vitamin i D Receptor Interacting Protein SMRT Silencing Mediator of Retinoic acid and Thyroid hormone receptors TRAM Thyroid hormone Receptor Activator Molecule TRAP Thyroid hormone Receptor Associated Protein SRC-1 Steroid Receptor Co-activator 1 p300 p160 CREB camp Response Element Binding protein CBP CREB Binding Protein

40 POZNÁMKY ZÁVĚREM jaderné steroidní a xeno receptory jsou ligandy aktivované transkripční faktory u některých receptorů není zatím znám endogenní ligand sirotčí receptory buněčný účinek na úrovni interakce s DNA (efektor) modulace genové exprese nemají druhého posla důležitá funkce koaktivátorů a korepresorů existují různé funkční interakce mezi receptory sdílení RE, koaktivátoru atd. biologicky i signifikantní ifik non-genomic effects!!!

41 LIGANDY JADERNÝCH RECEPTORŮ JAKO LÉČIVA TR: Euthyrox, Letrox, Eltroxin hypofunkce štítné žlázy různé etiologie RAR kyselina all-trans retinová (ATRA): Airol, Locacid, Retin dermatologické aplikace (akné) Vesanoid onkologické aplikace (leukemie) GR kortikosteroidy: Dexamethason, Betamethason, Hydrokortisol protizánětlivé účinky, imunitní onemocnění, astma apod.

42 LIGANDY JADERNÝCH RECEPTORŮ JAKO LÉČIVA AR: antiandrogeny blokují funkci AR; např. Bicalutamid Bicaluplex, Atembin, Casodex léčba rakoviny prostaty ER: antiestrogeny blokují funkci ER; např. Fulvestrant Faslodex léčba rakoviny prsu PR: gestageny, např. dospirenon Yadine, Eloine, Belanette antikoncepční č přípravky