Fyziologie působení farmak a
toxických látek
Přednáška č.2
Jaderné receptory (ER, AR, PR,
GR, TR, RAR/RXR, PPAR) a jejich
ligandy.
Jaderné receptory
• jaderné receptory představují největší skupinu transkripčních
regulátorů u mnohobuněčných živočichů;
• společná architektura – málo konzervovaná N-koncová doména,
vysoce konzervovaná DNA vazebná doména (DBD), spojovací
oblast, doména vázající ligandy (LBD) a variabilní C-koncová
doména;
• N-koncová doména bývá také označována jako doména zodpovědná
za tzv. aktivační funkci 1 (AF1) – pomocí této oblasti je jaderný
receptor regulován dalšími signálními dráhami indukujícími
specifické posttranslační modifikace, např. fosforylace; LBD je
označována jako AF2 – receptor je aktivován specifickým ligandem;
• spektrum ligandů jaderných receptorů je velmi široké, přesto je u
většiny jaderných receptorů neznáme a označujeme je jako sirotčí
(orphan) receptory;
JADERNÉ RECEPTORY
TRENDS in Endocrinology & Metabolism 12: 460 (2001)
J. Cell. Biochem. Suppls. 32/33:110–122, (1999)
Vazebné motivy DNA na které se váží jaderné receptory
Jaderné receptory bývají také někdy
rozdělovány na základě jejich
dimerizace:
•steroidní receptory – vytvářejí
homodimery – receptory pro estradiol
(ER), progesteron (PR), androgeny (ARs),
glukokortikoidy (GR) a mineralokortikoidy
(MR);
•receptory vytvářející heterodimery s
retinoidnímy X receptory (RXR;
receptor pro kyselinu 9-cis retinovou).
Patří sem receptory pro kyselinu all-trans
retinovou (RAR),vitamín D3 (VDR),
tyroidní hormony (TR), jaterní X receptor
(LXR), receptory aktivované
peroizómovými proliferátory (PPAR) a
další;
•skupina receptorů schopných vázat
DNA jako monomery – např. NGFI-B,
RevErb, ROR a SF-1.
TRENDS in Biochemical Sciences 26, 384, 2001
TRENDS in Biochemical Sciences 26, 384, 2001
GR a jeho aktivace kortizolem – modelová aktivace
jaderného receptoru
1. Volný lipofilní kortizol snadno prochází
buněčnou membránou a váže se na
GR;
2. Podobně jako další steroidní receptory
je GR v neaktivním stavu vázán v
cytoplazmě na tzv. heat shock proteiny
(hsp-90, hsp-70 a hsp-56);
3. Po navázání ligandu na receptor
dochází k uvolnění Hsp a translokaci
GR do jádra;
4. Vznikající homodimer se váže na
specifické sekvence DNA –
glukokortikoidní responzívní elementy
(GRE);
5. Ve spolupráci s dalšími koaktivátory a
faktory remodelujícími chromatin
iniciuje transkripci cílových genů;
Endocrinology: An Integrated Approach, Nussey S and Whitehead S., 2001.
Regulace transkripce jadernými receptory – komplexní
proces
TRENDS in Endocrinology & Metabolism, 12, 191, 2001
syntéza ligandů
jad. receptory
Transaktivace
metabolizace ligandů
Vnitrobuněčná signalizace
Cílové geny
(metabolismus,
buň. proliferace,
diferenciace a
buň. smrt)
Toxické látky, farmaka
?????
Jaderné receptory a enzymy:
Drug Metab. Pharmacokinet. 21: 437-457 (2006)
Science 294, 1866, 2001
Metabolické dráhy zajišťující syntézu a eliminaci ligandů
jaderných receptorů
Drug Metab. Pharmacokinet. 21: 437-457 (2006)
Jaderné receptory vytvářejí složitou síť regulující funkce
organismu
Drug Metab. Pharmacokinet. 21: 437-457 (2006)
Hepatocyty – mechanismy regulující transport a
metabolismus endogenních látek a xenobiotik
Jaderné receptory hrají zásadní roli v endokrinní signalizaci
Endocrinology: An Integrated Approach, Nussey S and Whitehead S., 2001.
Steroidní hormony a jejich receptory
Endocrinology: An Integrated Approach, Nussey S and Whitehead S., 2001.
Hormones Peptide/protein Steroid Amino acid or fatty
acid derived
Thyroid hormones Thyroxine (T4)
Triiodothyronine (T3)
Adrenal cortical
steroids
Cortisol
Aldosterone
DHEA
Male reproductive
hormones
Inhibin Testosterone
Dihydrotestosterone
Female reproductive
hormones
Inhibin Estradiol
Oxytocin Progesterone
Human chorionic
gonadotropin (hCG)
Human chorionic
somatotrophin
Endocrinology: An Integrated Approach, Nussey S and Whitehead S., 2001.
Hlavní skupiny steroidních hormonů:
Shaded boxes show structural requirements for glucocorticoid and
mineralocorticoid activity. Hatched boxes show additional structural
requirements for specific glucocorticoid or mineralocorticoid
activity.
Endocrinology: An Integrated Approach, Nussey S and Whitehead S., 2001.
Syntéza kortizolu z cholesterolu v kůře nadledvinek
• Cholesterol je syntetizován v těle nebo
získáván z potravy v poměru cca 600
mg/300 mg denně.
• Vzhledem k tomu, že je nerozpustný ve
vodě, je z jater (hlavní místo jeho tvorby)
transportován ve formě lipoproteinů.
• V kůře nadledvinek dochází k zachycení
cca 80% cholesterol nezbytného pro
syntézu steroidů na receptorech pro
nízkodenzitní lipoproteiny (LDL). Zbylých
20% je syntetizováno z acetátu přímo v
buňkách nadledvinek.
Endocrinology: An Integrated Approach, Nussey S and Whitehead S., 2001.
Biosyntéza steroidních hormonů:
Endocrinology: An Integrated Approach, Nussey S and Whitehead S., 2001.
aromatáza
Endocrinology: An Integrated Approach, Nussey S and Whitehead S., 2001.
Male Testis Adrenal Peripheral
conversion
Testosterone 95 <1 <5
5α-DHT 20 <1 80
Androstenedione 20 <1 90
DHEA 2 <1 98
DHEA-S <10 90 Female
Ovary Adrenal Peripheral
conversion
Testosterone 5–25 5–25 50–70
5α-DHT - - 100
Androstenedione 45–60 30–45 10
DHEA 20 80 DHEA-S
<5 >95 Total
serum concentrations of testosterone - male: 9–25 nmol/l - female: 0.5–2.5 nmol/l
Abbreviations: DHT, dihydrotestosterone; DHEA(-S), dihydroepiandrosterone (-sulfate).
Endocrinology: An Integrated Approach, Nussey S and Whitehead S., 2001.
Biosyntéza pohlavních steroidních hormonů:
Biosyntéza pohlavních steroidních hormonů:
Endocrinology: An Integrated Approach, Nussey S and Whitehead S., 2001.
• jen asi 2% testosteronu v oběhu je ve volné formě, která je schopna vstoupit
do buněk. Zbytek je vázán v plazmě na albumin (cca 40%) nebo na sexhormone-binding
globulin (SHBG). Volná forma a vázaná forma je v
ronováze. SHBG je syntetizován v játrech a jeho hladina je kontrolována
řadou faktorů (estrogen, tyroidní hormony, androgeny, glukokortikoidy,
růstovým hormonem a dalšími faktory – stres, obezita apod.). Testosteron je v
játrech metabolizován na androsteron, etiocholanolon a ty jsou po konjugaci
exkretovány ve formě 17-ketosteroidů.
• estradiol, je transportován ve formě vázané na albumin (cca 60%) and SHBG
(30%). V játrech je rychle metabolizován na estron a poté většinou dále na
estriol nebo na 2- or 4-hydroxyestron pomocí katecho-O-methyltransferáz.
Metabolity jsou dále konjugovány a vyloučeny s močí.
Endocrinology: An Integrated Approach, Nussey S and Whitehead S., 2001.
Transport a metabolizace pohlavních steroidních
hormonů:
Tyroidní hormony štítné žlázy
Endocrinology: An Integrated Approach, Nussey S and Whitehead S., 2001.
Endocrinology: An Integrated Approach, Nussey S and Whitehead S., 2001.
Syntéza tyroidních hormonů:
1) Active uptake of iodide (I-)
in exchange for Na+.
2) Iodide may be discharged
from the follicular cell by
administration of competing
ions such as perchlorate,
bromide or chlorate.
3) Iodide uptake, the main
control point for hormone
synthesis, is stimulated by
TSH.
4) Oxidation of iodide by
hydrogen peroxide (H2O2)
to form active iodine. The
reaction is catalyzed by
thyroid peroxidase (TPO).
5) Active transport of iodine
across the apical surface
of the follicular cell.
6) Incorporation of active
iodine into the tyrosine
residues of thyroglobulin
molecules to form monoand
di-iodotyrosines (MIT
and DIT).
7) Uptake of the thyroglobulin
into the lumen of the
follicle and lining of
iodinated tyrosine residues.
Syntéza tyroidních hormonů:
Endocrinology: An Integrated Approach, Nussey S and Whitehead S., 2001.
1) Under the influence of TSH, colloid droplets
consisting of thyroid hormones within the
thyroglobulin molecules are taken back up into
the follicular cells by pinocytosis.
2) Fusion of colloid droplets with lysosomes causes
hydrolysis of thyroglobulin and release of T3
and T4.
3) About 10% of T4 undergoes mono-deiodination
to T3 before it is secreted. The released
iodide is reutilized. Several-fold more iodide is
reused than is taken from the blood each day
but in states of iodide excess there is loss
from the thyroid.
4) On average approximately 100 μg T4 and about
10 μg T3 are secreted per day
Endocrinology: An Integrated Approach, Nussey S and Whitehead S., 2001.
Uvolňování tyroidních hormonů:
Podobně jako steroidní hormony jsou i tyroidní hormony prakticky nerozpustné ve vodě –
po uvolnění se rychle vážou na proteiny v plazmě, především transthyretin, thyroxinebinding
globulin (TBG) a albumin. Ty mají různou afinitu vůči T3 a T4; cca 70%
cirkulujících tyroidních hormonů se váže na TBG. Jen velmi malý podíl (<0.5%) tyroidních
hormonů existuje ve volné formě a je v rovnováze s vázanými formami tyroidních
hormonů.
• tyroidní hormony jsou metabolizovány
pomocí specifických deiodináz (viz čísla
v závorkách);
• část T4 může být přímo konjugována a
vyloučena z organismu;
• podobně část T3 může být sulfatována
(T3S) nebo přeměněna na derivát
kyseliny octové – (TRIAC)´, který je
ještě účinější než T3;
Endocrinology: An Integrated Approach, Nussey S and Whitehead S., 2001.
Transport a metabolizace tyroidních hormonů:
• cca 80% uvolněných tyroidních hormonů tvoří T4, ale ten je relativně málo
aktivní a tak je považován za prohormon. Většina T4 je působením deiodináz v
cílových tkáních přeměněna na biologicky aktivní T3 a inaktivní rT3;
• odstraněním I z uhlíku 5′ prostřednictvím deiodináz typu 1 a 2 vzniká T3,
zatímco odstraněním I z uhlíku 5 vzniká rT3. Dalším odštěpením atomů I
vznikají di- a monojódtyroniny a jód organismus znovu využívá. část
konjgovaných slučenin je vylučována močí a žlučí.
Endocrinology: An Integrated Approach, Nussey S and Whitehead S., 2001.
Transport a metabolizace tyroidních hormonů:
Endocrinology: An Integrated Approach, Nussey S and Whitehead S., 2001.
Struktura a aktivace tyroidních receptorů:
Receptory pro retinoidy (RAR, RXR)
Transport a
metabolismus
retinoidů
Transport a metabolismus retinoidů
J Neurobiol 66, 606, 2006
Retinoidy a jejich receptory:
Proteiny podílející se na transportu retinoidů:
Struktura a aktivace retinoidních receptorů:
Struktura a aktivace retinoidních receptorů:
TRENDS in Endocrinology & Metabolism 12, 460, 2001
Receptory aktivované peroxizómovými
proliferátory (PPAR)
Struktura a aktivace PPAR:
Cílové geny PPAR:
PPARs jsou aktivovány vícenenasycenými mastnými kyselinami, eikosanoidy a řadou
syntetických látek. Vzhledem k různé expresi isoforem PPAR hraje každý typ PPAR
unikátní roli v organismu:
PPARα je hlavní regulátor katabolismu mastných kyselin – kontrola exprese řady proteinů
podílejících se na transportu a metabolismu mastných kyselin, především v játrech - liver
fatty acid–binding protein, ABC transportéry, ABCD2 and ABCD3 – transport mastných
kyselin do peroxizómů - β-oxidace mastných kyselin; jaterní CYP4A enzymy - katalýza ϖoxidace
ligandů PPARα.
PPARγ je klíčový regulátor adipogeneze a hraje významnou roli buněčné diferenciaci,
citlivosti na inzulín, rozvoji aterosklerózy a nádorových onemocnění. Mezi jeho ligandy patří
mastné kyseliny, metabolity kyseliny arachidonové, triterpenoidy a některá léčiva (např.
thiazolidinediony). Na rozdíl od PPARα, PPARγ napomáhá ukládání tuků prostřednictvím
posílení diferenciace adipocytů a indukce syntézy lipogenních proteinů.
Funkce PPARδ jsou méně známé. Jeho ligandy zahrnují mastné kyseliny s dlouhým
řetězcem, karboprostacyklin a předpokládá se, že ovlivňuje metabolismus lipidů ve
periferních tkáních.
Úloha PPAR v organismu:
Ligandy PPAR:
Pregnanový X receptor (PXR)
• aktivuje expresi genů obsahujících tzv. PXR responzívní elementy
(PXRRE);
• nejznámější cílový gen je CYP3A4; indukuje ale i další enzymy I. a II.
fáze biotransformace - ALDH, CYP2B, SULT, UGT;
• CYP3A podrodina – nejrozšířenější CYPy v játrech a střevní tkáni s
velmi širokou substrátovou specifitou, které hrají zásadní roli při
odbourávání celé řady léčiv, ale i toxických látek;
Cytochromy P450
RH + O2 + NADPH + H+ → ROH + H2O + NADP+
Cytochromy P450 (CYPy)
představují velkou rodinu
enzymů obsahujících hem,
které katalyzují
metabolismus řadu
endogenních a exogenních
substrátů:
Cytochromy P450
Cytochromy P450
Nature Reviews Cancer 6, 947, 2006
Carcinogenesis 22, 209, 2001
Cytochromy P450 a bioaktivace prokarcinogenů
PXR ligandy
Endocrine Reviews 23, 687, 2002
Překryv cílových genů PXR a CAR
Expert Opin Drug Metab Toxicol. 8, 803, 2012
Konstitutivní androstanový receptor (CAR)
• jak PXR, tak CAR hrají významnou úlohu v regulaci detoxifikace xenobiotik,
která umožňuje ochranu organismu před toxickými chemikáliemi;
• oba receptory mají některé společné rysy: široké spektrum ligandů s
variabilní strukturou a schopnost regulovat jak společné tak odlišné geny
zapojené do biotransformace xenobiotik;
• jak PXR, tak CAR jsou aktivovány řadou konvenčních léčiv, což je spojeno s
nežádoucími lékovými interakcemi;
• aktivita PXR je kontrolována transkripčně dalšími jadernými receptory (GR),
interakcí s ko-faktory a na post-translační úrovni řadou modifikací –
fosforylace, ubikvitinace. SUMOylace a acetylace;
• jaderné receptor, řazený mezi tzv. sirotčí jaderné receptory (není
znám jeho přirozený endogenní ligand);
• je aktivován jak některými toxickými endogenními metabolity, tak
toxickými exogenními sloučeninami;
• exprese CAR – vysoká hladina zejména v játrech;
• modelový ligand – opět druhově specifický CITCO (6-(4chlorophenyl)imidazo[2,1-b][1,3]thiazole-5-carbaldehyde
O-(3,4dichlorobenzyl)oxime)
– specifický pro člověka; TCPOBOP (1,4bis[2-(3,5-dichloropyridyloxy)]
benzene) – aktivuje myší CAR; navíc
nepřímá aktivace – např. fenobarbital;
Konstitutivní androstanový receptor (CAR)
Aktivace CAR
TRENDS in Pharmacological Sciences 25, 437, 2004
• v inaktivním stavu je CAR v cytoplazmě
navázán na CAR cytoplasmic retention
protein (CCRP) a heat shock protein 90
(HSP90);
• CAR může být aktivován přímo, vazbou
ligandu (TCPOBOP) nebo nepřímo
prostřednictvím enzymů jako je např.
protein fosfatáza 2A (PP-2A);
• po aktivaci je CAR translokován do
jádra kde se vážena CAR-respozívní
elementy (CAR-RE/PBREM) v
regulačních oblastech genů
kontrolujících metabolismus xenobiotik,
steroidů, žlučových kyselin a žlučových
barviv – po navázání ko-aktivátorů je
aktivována transkripce cílových genů;
• vedle aktivace ligandy může být CAR
aktivován také např. nutričním stresem
– při hladovění je indukována exprese
peroxisome proliferator-activated
receptor γ coactivator 1α (PGC-1α) –
který funguje jako ko-aktivátor CARregulované
transkripce;
Ligandy CAR
Biochemistry (Moscow) 76, 1087, 2011
CAR a PXR hrají roli jak v metabolismu
xenobiotik, tak v energetickém metabolismu
DMD 38, 2091, 2010