Inovace studia molekulární a buněčné biologie

Investice do rozvoje vzdělávání

Inovace studia molekulární a buněčné biologie

Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. I

ti

d

j

dělá á í

Investice do rozvoje vzdělávání

Buněčná biologie 2: KBB/BB2

Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. I

ti

d

j

dělá á í

Investice do rozvoje vzdělávání

Jaderné a steroidní receptory p y

Prof. RNDr. Zdeněk Dvořák, Ph.D.

Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. I

ti

d

j

dělá á í

Investice do rozvoje vzdělávání

Cíl přednášky Seznámit p posluchače s mechanismyy signalizace g steroidními a jadernými receptory a s jejich fyziologickou y g funkcí Klíčová slova Transkripční regulace, steroidy, retinoidy, thyroidy, xenoreceptory

Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. I

ti

d

j

dělá á í

SIGNAL TRANSDUCTION SIGNÁL

HORMON

RECEPTOR

TRANSDUKTOR

EFEKTOR KONEČNÁ BUNĚČNÁ ODPOVĚĎ

I

ti

d

j

dělá á í

DRUHÝ POSEL

RECEPTORY • LIGANDY-AKTIVOVANÉ TRANSKRIPČNÍ FAKTORY vs. RECEPTORY • po funkční a praktické stránce – žádný rozdíl • DOGMA: hormon-receptor-efektor hormon receptor efektor receptor je aktivován hormonem - endogenní ligand hormon – působek sekretovaný speciálními tkáněmi a orgány žlázy ž zy s vnitřní sekrecí

• ENDOKRINNÍ Í 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.

I

ti

d

j

dělá á í

TYPY RECEPTORŮ Na+

R

Hyperpolarization or depolarization

Na+

+/-

R

G

Channel-linked receptors (ionotropic)

milliseconds • nicotinic ACh r. • GABAA r.

I

ti

d

j

dělá á í

+/-

E

Protein phosph.

Cellular effects G-protein coupled receptors (metabotropic)

seconds • adrenoreceptors • muscarinic ACh r.

R E

Second messengers

Excitability change h Calcium release

Cellular effects

G

nucleus

Protein phosph. h h

mRNA

R

Other

HRE Cellular effects Kinase-linked receptors

Cellular effects

protein

Receptors linked to gene transcription

minutes

hours

• insulin r. • growth factors r. • cytokine r.

• steroid/thyroid r. • MR, GR, AR, ER GR, TR, VDR, PR

JADERNÉ A STEROIDNÍ RECEPTORY • STEROIDNÍ RECEPTORY

• JADERNÉ RECEPTORY

pohlavní

- Estrogenový (ER) - Progesteronový (PR) - Androgenní A d í (AR)

kortikoidní

- Mineralokortikoidní (MR) - Glukokortikoidní (GR)

thyroidní (TR) retinoidní (RXR, (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 58:685–704

I

ti

d

j

dělá á í

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 á exprese; tj. buněčná odpověď • zvýšená/snížená syntesa specifických proteinů I

ti

d

j

dělá á í

MECHANISMUS ÚČINKU STEROIDNÍCH A JADERNÝCH RECEPTORŮ Hormon prochází plasmatickou membránou

Hormon + Receptor

Vně buňky

Uvnitř buňky

Jaderná J d á translokace

HR komplex se váže do DNA Buněčná odpověď

I

ti

d

j

dělá á í

Volný steroidní hormon

Hormon vázaný Na proteiny plasmy

Biologická odpověď

hsp NOVÝ PROTEIN

HR

HR

HR

Syntesa y proteinu

HR HR

translace

HR mRNA transkripce

HR DNA I

ti

d

j

dělá á í

mRNA

STRUKTURA JADERNÝCH RECEPTORŮ dimerization domains

A/B

C

D

E

F COOH

NH2 AF1

• N-terminal domain • activation function • ligand independent

AF2

• activation function • ligand dependent • LIGAND BINDING DOMAIN

HINGE

DNA BINDING DOMAIN

I

ti

d

j

dělá á í

• C-terminal domain • variable

DNA VAZEBNÉ SEKVENCE DNA MOTIV

RARs

TR

+ +

DR 3 AGGTCAnnnAGGTCA DR-3

+

DR-4 AGGTCAnnnnAGGTCA DR 5 AGGTCAnnnnnAGGTCA DR-5 AGGTCA AGGTCA

VDR

+

DR-1 AGGTCAnAGGTCA DR-2 AGGTCAnnAGGTCA

RXRs

+

DR-x = direct repeats (přímá opakování) sekvence nukleotidů oddělená x basemi

I

ti

d

j

dělá á í

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

I

ti

d

j

dělá á í

RETINOIDNÍ RECEPTORY RARs - Retinoic Acid Receptors - agonistou jje kyselina y all-trans-retinová - aktivátory – „retinoidy“

RXRs - Retinoid X Receptors - agonistou je kyselina 9-cis-retinová - aktivátory – „rexinoidy rexinoidy“

I

ti

d

j

dělá á í

RETINOIDNÍ RECEPTORY Retinoic Acid Receptors

Retinoid X Receptors

NR1B1

NR1B2

NR2B1

NR2B2

NR2B3

RAR1 RAR2

RAR1  RAR1  RAR2 RAR2 RAR3 RAR4

RXR1 RXR2

RXR1  RXR2

RXR1  RXR2

NR1B3

L

L

RAR RXR

L RXR RXR

RARE

RXRE

AGGTCAnnAGGTCA AGGTCAnnnnnAGGTCA

AGGTCAnAGGTCA

RXRE – Retinoid X Responsive Element (DR-1 motiv) p Element ((DR-2,, DR-5 motivy) y) RARE – Retinoic Acid Responsive SMRT = silencing mediator of retinoic acid and thyroid hormone receptors I

ti

d

j

dělá á í

METABOLISMUS RETINOIDŮ různé tkáně

jjátra

I

ti

d

j

dělá á í

METABOLISMUS RETINOIDŮ

www.pn nas.org

I

ti

d

j

dělá á í

RETINOIDY A REXINOIDY

Brtko J (2007) Biomed Pap Med Fac Univ Palacky Olomouc Czech Repub. 151(2):187–194

I

ti

d

j

dělá á í

THYROIDNÍ RECEPTORY Thyroidní Receptory

NR1A1 TR1 TR 1 TR2

NR1A2 TR1 TR2

L

TR RXR TRE AGGTCAnnnnAGGTCA TRE – Thyroid Responsive Element (DR-4 (DR 4 motiv)

• TRs řídí mnoho fyziologických funkcí (např. vývoj a růst skeletu; vývoj svalů; basalní metabolismus; syntesu žlučových kyselin…) kyselin ) • regulace jaterního metabolismu a metabolismu periferních tkání I

ti

d

j

dělá á í

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 I

ti

d

j

dělá á í

BIOSYNTESA THYROIDŮ jodace

I+ +

MIT DIT

TGB

MIT

DIT TGB DIT

MIT

coupling

DIT

T3 T4

MIT DIT

TGB

MIT

MIT

DIT

T4

T3

Ityrosin

Fagocytosa a pinocytosa

TGB

dejodace

lysosomy

TGB

dejodinasa j TGB MIT DIT

I-

II

ti

d

j

dělá á í

hydrolýza T3, T4

Na+/K+ ATP-ase

MIT = monojodotyrosin; DIT = dijodotyrosin

sekundární lysosom

T3, T4

BIOSYNTESA THYROIDŮ DIT + DIT

T4

DIT + MIT

T3

Probíhá v thyroglobinu

dejodinasa j

tetrajódthyronin (th (thyroxin) i )

trijódthyronin

L

TR RXR AGGTCAnnnnAGGTCA

I

ti

d

j

dělá á í

TRE

RECEPTOR PRO VITAMÍN D Vitamin D Receptor (VDR) NR1I1

L

VDR RXR VDRE AGGTCAnnnnAGGTCA VDRE – Vitamin Vit i D Responsive R i Element El t (DR-3 (DR 3 motiv) ti ) Nedokonalost vazby do RE: • VDR se váže áž do d ER-6 ER 6 m motivu ti p pro PXR a CAR • PXR a CAR se váží do VDRE • • • •

I

ti

d

VDR kontroluje homeostasu vápníku mineralizace kostí regulace metabolických dějů narušení š í aktivity k i i VDR ((+/-) / ) vede d k onemocněním ě í skeletu k l

j

dělá á í

vitD A JEHO PREKURSORY

I

ti

d

j

dělá á í

BIOSYNTESA VITAMÍNU D 7-dehydrocholesterol

UV - h

Previtamín D3

Vitamín D3 cholecalciferol

kůže

játra

CYP27A CYP2R1

25(OH)-D ( ) 3 25-cholecalciferol

(-) L

CYP27B

1,25(OH)2-D3 aktivní

VDR RXR

CYP24

ledviny

24,25(OH)2-D3 inaktivní

VDRE AGGTCAnnnnAGGTCA

((+))

CYP24

• aktivní forma vitamínu D3 aktivuje VDR • VDR up-reguluje CYP24 a down-reguluje CYP27B • dvojitá d á negativníí zpětná ě á vazba!!! b !!!

I

ti

d

j

dělá á í

1,24,25(OH)3-D3 inaktivní

LÉKY-INDUKOVANÁ OSTEOMALACIE • • • •

při dlouhodobém užívání některých léků trpí pacienti tzv. OSTEOMALACIÍ jjedná se o soubor klinických ý p příznaků vyvolaných y ý nízkými ý hladinami vitD obdoba křivice – nedostatek vitD (slunečního svitu) stále není známý přesný mechanismus léky-indukované osteomalacie

• • • • •

karbamazepin – Biston, Tegretol - antiepileptikum fenobarbital – Phenobarbital - hypnotikum yp kys. Valproová – Depakine - antiepileptikum rifampicin – Rifadin, Rifampicin - antibiotikum fen t in – Epilan, fenytoin Epil n Salepin S lepin - antiepileptikum ntiepileptikum

I

ti

d

j

dělá á í

LÉKY-INDUKOVANÁ OSTEOMALACIE

Pascussi et al. (2005) J Clin Invest

• PXR transaktivuje t kti j VDRE v CYP24 promotoru t • 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

I

ti

d

j

dělá á í

LÉKY-INDUKOVANÁ OSTEOMALACIE CYP3A4   MDR1 PXR CAR • Lékové interakce

VDR

CYP24 • Osteomalacie Antikonvulsivum kyselina y valproová p aktivuje j PXR,, CAR a VDR a indukuje j 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 p acid induces CYP3A4 and MDR1 g genes expression p by y activation of Constitutive androstane receptor and Pregnane X receptor pathways. Drug Metab Dispos 35(7):1032-1041.

I

ti

d

j

dělá á í

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 A d ((testosteron)) Kortikoidní hormony

I

ti

d

j

dělá á í

- Mineralokortikoidy (aldosteron) - Glukokortikoidy (kortizol)

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

I

ti

d

j

dělá á í

GR (NR3C1) GR MR (NR3C2)

HORMONE RESPONSE ELEMENTS Kortikoidní r.

L

GR GR

L

GRE

Pohlavní r.

L

AR AR

L

ARE

Glucocorticoid Response Element – GRE

Androgen Response Element – ARE

GGTACAnnnTGTTCT

GG(A/T)ACAnnTGTTCT

I

ti

d

j

dělá á í

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

I

ti

d

j

dělá á í

- PROGESTERON (gestagen; ženský pohlavní hormon) - ESTRADIOL (estrogen; ženský pohlavní hormon) - TESTOSTERON (androgen; mužský ž ý pohlavníí hormon)

Zdroj: www.medchem.upol.cz I

ti

d

j

dělá á í

Zdroj: www.medchem.upol.cz I

ti

d

j

dělá á í

Cytostatika narušující mikrotubuly blokují funkci glukokortikoidního receptoru a způsobují inhibici bazální a inducibilní exprese enzymů metabolizujících léčiva PXR a CAR v primárních lidských hepatocytech léčiva,

GR

Destrukce mikrotubulů

PXR

Dvořák Dvořák Dvořák Dvořák I

ti

d

et et et et j

al. (2007) Cell Biol Toxicol 23(2):63-73. al. (2005) Curr Drug Metab 6:545-552. al. ((2003)) Mol Pharmacol 64(1):160-169. ( ) al. (2002) Toxicol In Vitro 16(3):219-227.

dělá á í

CAR

CYP2B6

CYP2C8

CYP2C9

CYP3A4

Lékové interakce

XENORECEPTORY

L

AhR ARNT DRE

DRE: CACGCNA/T

AhR = Aryl Hydrocarbon Receptor; dioxinový receptor

L

PXR RXR NRE

NRE: AGGTCA-like AGGTCA like

PXR = Pregnanový X Receptor; NR1I2

L

CAR RXR NRE CAR = Konstitutivní Androstanový Receptor; NR1I3

I

ti

d

j

dělá á í

OSTATNÍ JADERNÉ RECEPTORY RECEPTOR

IUPHAR

LIGAND

Retinoid-related Orphan Receptor (ROR) R i id Retinoid-related l d Orphan O h R Receptor (ROR) Retinoid-related Orphan Receptor (ROR) Liver X Receptor (LXR) Li Liver X R Receptor t (LXR) Farnesoid X Receptor (FXR) Farnesoid X Receptor (FXR) Peroxisome proliferator activated r. Peroxisome-proliferator r (PPAR) Peroxisome-proliferator activated r. (PPAR Peroxisome-proliferator activated r. (PPAR Hepatocyte Nuclear Factor 4 (HNF4) Hepatocyte Nuclear Factor 4 (HNF4) Short Heterodimerization Partner (SHP Neuron-derived Neuron derived Orphan Receptor 1 (NOR1) Liver Receptor Homolog 1 (LRH-1)

NR1F1 NR1F2 NR1F3 NR1H3 NR1H2 NR1H4 NR1H5 NR1C1 NR1C2 NR1C3 NR2A1 NR2A2 NR0B2 NR4A3 NR5A2

cholesterol k kys. retinová i á sirotek oxysteroly oxysteroly t l žlučové kys. lanosterol leukotrien B4 mastné kys. prostaglandiny sirotek sirotek sirotek sirotek sirotek

Germain P et al. (2006) Overview of Nomenclature of Nuclear Receptors. Pharmacol Rev 58:685–704

I

ti

d

j

dělá á í

KOAKTIVÁTORY A KOREPRESORY J DERNÝCH RECEPTORŮ JADERNÝCH NRIP1 GRIP DRIP SMRT TRAM TRAP SRC-1 p300 p160 CREB CBP

I

ti

d

Nuclear Receptor Interacting Protein Glucocorticoid receptor Interacting Protein Vi Vitamin i D R Receptor Interacting I i Protein P i Silencing Mediator of Retinoic acid and Thyroid hormone receptors Thyroid hormone Receptor Activator Molecule Th Thyroid id hormone h m Receptor R pt Associated A i t d Protein P t i Steroid Receptor Co-activator 1 cAMP Response Element Binding protein CREB Binding Protein

j

dělá á í

POZNÁMKY ZÁVĚREM • jjaderné steroidní a xeno receptory p y jsou j ligandy g y aktivované transkripční faktory • u některých receptorů není zatím znám endogenní ligand – sirotčí i tčí receptory t • buněčný účinek na úrovni interakce s DNA (efektor) – modulace genové exprese • nemají druhého posla • důležitá funkce koaktivátorů a korepresorů p • existují různé funkční interakce mezi receptory – sdílení RE, koaktivátoru atd. • biologicky bi l i k signifikantní i ifik t í „non-genomic“ i “ effects!!! ff t !!!

I

ti

d

j

dělá á í

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

ti

d

j

dělá á í

LIGANDY JADERNÝCH RECEPTORŮ JAKO LÉČIVA

AR: • antiandrogeny – blokují funkci AR; např. např Bicalutamid • Bicaluplex, Atembin, Casodex • léčba rakoviny prostaty ER: • antiestrogeny – blokujíí funkci ER; např. Fulvestrant • Faslodex • léčba rakoviny prsu PR: • gestageny, např. dospirenon • Yadine, Eloine, Belanette • antikoncepční k č í přípravky ří k I

ti

d

j

dělá á í