ГЕНЕТИКА, 2007, том 43, № 3, с. 308-316
ОБЗОРНЫЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СТАТЬИ
УДК 575.22:595.773.4
СТРОЕНИЕ И МЕХАНИЗМЫ ДЕЙСТВИЯ ЯДЕРНЫХ РЕЦЕПТОРОВ
© 2007 г. Ю. В. Николенко1, А. Н. Краснов1' 2
1 Институт биологии гена Российской академии наук, Москва 119334; факс: (495) 135-41-05; e-mail: j_nikolenko@go.ru 2 Университет г. Осло, Центр медицинских исследований в России, Москва 119334
Поступила в редакцию 03.05.2006 г.
Ядерные рецепторы - суперсемейство консервативных транскрипционных факторов, обладающих уникальной доменной структурой. Они играют важную роль в контроле онтогенеза, полового созревания, клеточной дифференцировки и в разнообразных метаболических процессах. Особенности гормональной сигнализации у Drosophila melanogaster делают ее перспективным модельным объектом для изучения функций и регуляции работы ядерных рецепторов. В статье представлены современные данные о молекулярном строении ядерных рецепторов, механизмах взаимодействия с лигандами и транскрипционными кофакторами. Подробно описаны известные на данный момент функции ядерных рецепторов в контроле эмбриогенеза и метаморфоза D. melanogaster.
МОЛЕКУЛЯРНОЕ СТРОЕНИЕ ЯДЕРНЫХ РЕЦЕПТОРОВ
Классический путь передачи сигнала извне в клетку - это сложный многостадийный процесс, который начинается с взаимодействия лиганда с рецептором на мембране. Рецептор в свою очередь инициирует в цитоплазме клетки каскад событий, в результате которых специфические факторы транскрипции определенным образом регулируют экспрессию генов в ядре. Транскрипционные факторы, относящиеся к суперсемейству ядерных рецепторов, благодаря своему уникальному строению используют другую стратегию. Ядерные рецепторы в составе одной белковой молекулы содержат домены, отвечающие за рецепторную функцию, способность связывать ДНК и влиять на транскрипцию. Таким образом, изменение экспрессии генов в клетке в ответ на внешнее воздействие осуществляется в одну стадию [1].
Ядерные рецепторы образуют одно из самых больших семейств (суперсемейство) транскрипционных факторов подцарства Metazoa [2]. Характерной структурной особенностью ядерных рецепторов является наличие двух консервативных доменов: ДНК-связывающего домена (DBD) и расположенного ближе к С-концу лиганд-свя-зывающего домена (LBD), соединенных гибким "шарнирным" участком (рис. 1,а). DBD разных ядерных рецепторов высококонсервативны и содержат два домена типа "цинковых пальцев", содержащих по четыре остатка цистеина. Первый "цинковый палец" содержит последовательность из пяти аминокислотных остатков, называемую Р-боксом, которая обеспечивает специфическое
связывание с ДНК. Второй "цинковый палец" имеет относительно слабую способность к диме-ризации, что позволяет DBD димеризоваться в присутствии молекулы ДНК-мишени. Менее консервативный LBD содержит основной район ди-меризации, который позволяет димеризоваться молекулам разных рецепторов между собой, что значительно расширяет спектр потенциальных ДНК-мишеней и регуляторных функций. LBD состоит из 11-13 а-спиральных участков, которые образуют гидрофобный "карман" для связывания молекулы лиганда. Расположенный на N-конце активационный домен AF-1 (activation function 1) может работать лиганд-независимо, в то время как домен AF-2, находящийся на С-конце LBD, часто работает лиганд-зависимо. Детальные структурные и молекулярные исследования показали, что при связывании лиганда осуществляется кон-формационный переход LBD в "активное" состояние посредством разворота а-спирали 12 в положение, при котором домен AF-2 получает способность рекрутировать транскрипционные коактиваторы
DBD
_L
Линкер
LBD _I_
"Цинковый палец" 1 "Цинковый палец" 2
Рис. 1. Строение (а) и механизм действия (•) ядерных рецепторов (по [1]). Пояснения см. в тексте.
a
[1]. Некоторые ядерные рецепторы содержат не все перечисленные домены; предположительно, отсутствующие домены были утрачены в ходе эволюции [3].
МЕХАНИЗМЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЯДЕРНЫХ РЕЦЕПТОРОВ С ДНК
И ЛИГАНДАМИ, ВЛИЯНИЕ ЯДЕРНЫХ
РЕЦЕПТОРОВ НА ТРАНСКРИПЦИЮ
В отсутствие лигандов в клетке "свободные" ядерные рецепторы локализуются в цитоплазме или в ядре. Лиганды ядерных рецепторов - это широкий спектр небольших липофильных молекул, таких как стероидные и тиреоидные гормоны, ретиноевая кислота и витамин D. Они легко проникают через клеточную и ядерную мембрану и связываются с ядерными рецепторами. Рецепторы при связывании лигандов претерпевают структурные изменения, способствующие присоединению лиганд-рецепторного комплекса к специфическим последовательностям ДНК. Эти последовательности называются гормон-акцепторными элементами (homo^ response elements, HRE) и обладают свойствами энхансеров, регулируя транскрипцию подконтрольных генов. HRE -это короткая последовательность, идентичная консенсусу AGGTCA или являющаяся его производным (рис. 1,6). Некоторые ядерные рецепторы, такие как SF-1 (steroidogenic factor 1) у позвоночных, могут работать в виде мономера, связываясь с одной консенсусной последовательностью. Другие ядерные рецепторы связываются в виде гомо-или гетеродимера с двумя консенсусами, которые вместе составляют функциональный HRE. Два консенсуса могут быть расположены в виде прямых или инвертированных повторов и разделены короткой вариабельной последовательностью, длина которой специфична для разных димеров рецепторов (0-6 пн). Таким образом, специфичность связывания ядерных рецепторов определяется нуклеотидной последовательностью и строением HRE [1].
Методом филогенетического анализа внутри суперсемейства ядерных рецепторов было выявлено несколько типов. Рецепторы I типа ("классические", или "стероидные") - это рецепторы про-гестинов (PR), эстрогенов (ER), андрогенов (AR), глюкокортикоидов (GR) и минералокортикоидов (MR). К рецепторам II типа относятся рецепторы тиреоидного гормона (TR), полностью транс-рети-ноевой кислоты (RAR), 9-цис-ретиноевой кислоты (RXR) и витамина D3 (VDR). ill тип включает в себя рецепторы, лиганды которых на данный момент неизвестны. Это так называемые орфанные рецепторы (orphan receptors), "рецепторы-сироты"; по крайней мере, некоторые из них могут функционировать лиганд-независимо [4].
а
Рис. 2. Молекулярные механизмы действия ядерных рецепторов (по [1]). а - механизм действия тиреоидного рецептора (TR). В отсутствие тиреоидного гормона гетеродимер TR-RXR связан с корепрессором и репрессирует транскрипцию гена-мишени (слева). При связывании с гормоном TR-RXR рекрутирует ко-активатор, высвобождает из комплекса корепрессор и таким образом активирует транскрипцию гена-мишени (справа); б - регуляция активности SF-1 за счет фосфорилирования. SF-1 связывается с ДНК в виде мономера и работает как конститутивный активатор транскрипции (слева). Фосфорилирование SF-1 специфической киназой приводит к резкому усилению его активационной способности (справа); в - механизм действия обратного агониста. Гомодимер ERRa в отсутствие лиганда активирует транскрипцию гена-мишени (слева). Активность ERRa подавляется при связывании обратного агониста (справа) (по [7]).
Между рецепторами разных типов существуют функциональные различия. Рецепторы I типа в отсутствие лиганда неактивны и находятся в цитоплазме в комплексах с шаперонами, а после связывания с лигандом перемещаются в ядро, где связываются с палиндромными повторами ДНК в виде гомодимера, организованного "голова к голове", и регулируют транскрипцию генов-мишеней. Рецепторы II типа конститутивно связаны с акцепторными элементами ДНК, которые образованы прямыми повторами и имеют разные паттерны димеризации, включая гетеродимериза-цию с RXR. Некоторые из таких рецепторов работают как репрессоры в отсутствие лиганда, поддерживая неактивное состояние гена-мишени посредством привлечения корепрессорных комплексов. При связывании гормона эти рецепторы привлекают коактиваторы, высвобождают из комплекса корепрессоры и таким образом индуцируют транскрипцию гена-мишени (рис. 2,а) [5]. Рецептор III типа БР-1 связывается с акцепторным элементом в виде мономера и работает ли-ганд-независимо как конститутивный активатор транскрипции. Фосфорилирование БР-1 стабилизирует "активную" конформацию молекулы и
резко повышает активационную способность рецептора (рис. 2,6) [6].
ТРАНСКРИПЦИОННЫЕ КОРЕГУЛЯТОРЫ ЯДЕРНЫХ РЕЦЕПТОРОВ
Корегуляторы ядерных рецепторов - это белки, которые взаимодействуют с ядерными рецепторами и опосредуют влияние гормональных сигналов на транскрипцию. Существуют корегуляторы, активирующие транскрипцию (коактиваторы), и корегуляторы, подавляющие транскрипцию (ко-репрессоры).
Одна из основных функций активированного (лиганд-связанного) ядерного рецептора - повышение доступности промотора гена-мишени для базального аппарата транскрипции. Соответственно первую группу коактиваторов ядерных рецепторов составляют факторы АТФ-зависимо-го ремоделинга хроматина, такие как SWI/SNF, NSD-1(nuclear receptor-binding SET domain-containing protein 1), TIF1a и др. [5, 8].
Другая группа коактиваторов ядерных рецепторов - это ацетилтрансферазы семейства SRC (steroid receptor coactivator) и CBP/p300 [5, 8].
Третья группа коактиваторов ядерных рецепторов представлена белками TRAP (thyroid receptor-associated proteins)/DRIP (vitamin D receptor-interacting proteins) [5, 8]. Эти факторы были открыты в биохимических исследованиях как коактиваторы, рекрутируемые TR и VDR соответственно. Дальнейшие исследования показали, что комплекс TRAP/DRIP функционирует как коактива-тор и для ядерных рецепторов других типов и, видимо, играет одну из основных ролей в сигнализации, опосредованной ядерными рецепторами. В молекулярных исследованиях было показано, что комплекс TRAP напрямую взаимодействует с аппаратом базальной транскрипции [9].
Помимо вышеперечисленных к коактивато-рам ядерных рецепторов относятся Е3-убикви-тин-лигазы, PCs (positive cofacors), HMGs и др. [5]. Некоторые ядерные рецепторы взаимодействуют напрямую с компонентами аппарата базальной транскрипции, например RAR взаимодействует с TFIIH [10].
По аналогии с коактиваторами, влияние коре-прессоров ядерных рецепторов на транскрипцию генов-м
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.