U polju molekularne biologije, nuklearni receptori su klasa proteina koji su prisutni u ćelijama i koji su odgovorni za respons na steroide i tiroidne hormone, kao i niz drugih molekula. Nakon aktivacije, ovi receptori učestvuju zajedno sa drugim proteinima u regulaciji ekspresije specifičnih gena, i na taj način kontrolišu razviće, homeostazu, i metabolizam organizma.
Nuklearni receptori imaju sposobnost direktnog vezivanja za DNK i regulacije izražavanja obližnjih gena, stoga se ovi receptori klasifikuju kao transkripcioni faktori. Do regulacije izražavanja gena nuklearnim receptorima generalno dolazi jedino kad je ligand — molekul koji utiče na ponašanje receptora — prisutan. Specifično, vezivanje liganda za nuklearni receptor dovodi od konformacione promene receptora, što zatim dovodi do aktivacije receptora, posledica toga je povišeno ili umanjeno izražavanje gena.
Jedinstveno svojstvo nuklearnih receptora po čemu se oni razlikuju od drugih klasa receptora je njihova sposobnost da direktno interaguju sa i kontrolišu izražavanje genomske DNK. Konsekventno nuklearni receptori igraju ključne uloge u razviću embriona, kao i u homeostazi odraslih osoba. Kao što je diskutovano ispod, nuklearni receptori se mogu klasifikovati bilo po mehanizmu ili homologiji.
Distribucija po vrstama Nuklearni receptori su specifični za metazoane (životinje) i ne nalaze se kod protista, algi, fungi, ili biljki. Među rano-odvojenim životinjskim vrstama sa sekvenciranom genomima, dva su nađena kod sunđera Amphimedon queenslandica, dva kod rebronoše Mnemiopsis leidyi, četiri kod pлакозое Trichoplax adhaerens i 17 kod žarnjaka Nematostella vectensis. Postoji 270 nuklearnih receptora kod samog nematoda C. elegans. Ljudi, miševi, i pacovi respektivno imaju 48, 49, i 47 nuklearna receptora svaki.
Ligandi
Ligandi koji se vezuju za i aktiviraju nuklearne receptore obuhvataju lipofilne supstance kao što su endogeni hormoni, vitamins A i D, i ksenobiotički endokrini disraptori. Pošto je izražavanje velikog broja gena regulisano nuklearnim receptorima, ligandi koji aktiviraju te receptore mogu da imaju dubuke uticaje na organizam. Mnogi od tih regulisanih gena su povezani sa raznim bolestima, što objašnjava zašto su molekulske mete za približno 13% lekova odobrenih od strane američke Uprave za hranu i lekove (FDA) nuklearni receptori.
Deo nuklearnih receptora se naziva orfanskim receptorima, zato što endogeni ligandi nisu poznati (ili bar ne postoji opšti konsenzus). Neki od tih receptora kao što je FXR, LXR, i PPAR vezuju brojne metaboličke intermedijere, kao što su masne kiseline, žučne kiseline i/ili steroli sa relativno niskim afinitetom. Ovi receptori stoga mogu da funkcionišu kao metabolički senzori. Drugi nuklearni receptori, kao što su CAR i PXR izgleda da funkcionišu kao ksenobiotički senzori koji povišavaju izražavanje citohroma P450, enzima koji metabolišu te ksenobiotike.
Struktura
Većina nuklearnih receptora ima molekulske mase u opsegu između 50,000 i 100,000 daltona.
Nuklearni receptori imaju modularnu strukturu i sadrže sledeće domene:
(A-B) N-terminalni regulatorni domen: Sadrži aktivacinu funkciju 1 (AF-1) čije dejstvo je nezavisno od prisustva liganda. Aktivacija transkripcije posredstvom AF-1 je normalno veoma slaba, i ona ne manifestuje sinergističko dejstvo sa AF-2 u E-domenu (vidi ispod) da bi proizvela robustnije pojačanje izražavanja gena. A-B domeni raznih nuklearnih receptora imaju veoma varijabilanu sekvencu. (C) DNK-vezujući domen (DBD): Ovaj visoko konzervirani domen sadrži cinkove prste koji se vezuju za specifične sekvence na DNK. One se nazivaju hormonskim responsnim elementima (HRE). (D) Hindž region je fleksibilni domen koji povezuje DBD sa LBD. Ovaj domen utiče na intracelularnu razmenu i subcelularnu distribuciju. (E) Ligand vezujući domen (LBD): Ovaj domen je između različitih receptora umereno konzerviran u pogledu sekvence i visoko strukturno konzerviran. Tercijarna struktura LBD se naziva alfa heliksnim sendvičnim savijanjem u kome se tri antiparalelna alfa heliksa ("punjenje sendviča") nalaze između dva alfa heliksa na jednoj strani i tri druga na drugoj ("hleb"). Otvor u kome se vezuje ligand je unutar LBD i neposredno ispod tri centralna antiparalelna alfa heliksa sendviča. Zajedno sa DBD, LBD doprinosi dimerizacionom interfejsu receptora. LBD isto takko vezuje koaktivatorske i korepresorske proteine. LBD sadrži aktivacionu funkciju 2 (AF-2), čije dejstvo je zavisno od prisustva vezanog liganda. (F) C-terminalni domen: Ovaj domen ima visoko varijabilnu sekvencu.
N-terminal (A/B), DNK-vezujući (C), i ligand vezujući (E) domeni su samostalno dobro savijeni i strukturno su stabilni, dok hindž region (D) i opcioni C-terminalni (F) domen mogu da budu konformaciono fleksibilni i neuređeni. Iz pregleda tri poznate multi-domenske strukture proizilazi da su relativne orijentacije domena veoma različite. Dve od njih se vezuju za DR1, a jedna za DR4.
Mehanizam dejstva
Nuklearni receptori su multifunkcionalni proteini koji prenose signale svojih liganda. Nuklearni receptori (NR) se mogu klasifikovati u dve široke klase sledstveno njihovom mehanizmu dejstva i subcelularnoj distribuciji u odsustvu liganda.
Male lipofilne supstance kao što su prirodni hormoni se prenose difuzijom kroz memebrane i vezuju se za nuklearne receptore locirane u citosolu (tip -{I}- NR) ili jedru (tip -{II}- NR) ćelije. Vezivanje uzrokuje konformacione promene receptora koje u zavisnosti od klase receptora iniciraju specifičnu kaskadu daljih promena kojima se usmerava NR do DNK mesta za regulaciju transkripcije. To dovodi do povišenog ili umanjenog izražavanja gena. Oni generalno funkcionišu kao homo/heterodimeri. Pored toga, dve dodatne klase su isto tako poznate: tip -{III}- koja je varijanta tipa -{I}-, i tip -{IV}- koja vezuje DNK kao monomer.
Nuklearni receptori se mogu podeliti na sledeće četiri mehanističke klase:
Tip -{I}- Vezivanje liganda za nuklearne receptore tipa -{I}- u citosolu dovodi do disocijacije proteina toplotnog šoka, homo-dimerizacije, translokacije (i.e., aktivnog transporta) iz citoplazme u jedro, i vezivanja za specifičen DNK sekvence koje su poznate kao hormonski rensponsni elementi (HRE). Nuklearni receptori tipa I se vezuju za HRE, koji se sastoje od dva polumesta razdvojena DNK segmentom varijabilne dužine. Sekvenca drugog polumesta ima invertovanu sekvencu prvog polumesta (invertovano ponavljanje). Nuklearni receptori tipa I obuhvataju članove potfamilije 3, kao što su androgeni receptor, estrogeni receptori, glukokortikoidni receptor, i progesteronski receptor.
Poznato je da neki od nuklearnih receptora potfamilije 2 mogu da se direktno vežu za ponavljanje, umesto HRE invertovanog ponavljanja. Dodatno, pojedini nuklearni receptori se vezuju bilo kao monomeri ili dimeri, i pri tome samo se jedan receptorski domen DNK-vezivanja vezuje za polovinu HRE mesta. Ti nuklearni receptori su uglavnom orfanski receptori, pošto njihovi endogeni ligandi još uvek nisu poznati.
Kompleks nuklearnog receptora i DNK zatim regrutuje druge proteine koji transkribuju nizvodni DNK segment u informacionu RNK i konačno protein, i to dovodi do promena u ćelijskoj funkciji.
Tip -{II}- Receptori tipa -{II}-, za razliku od tipa -{I}-, se zadržavaju u jedru nezavisno od statusa vezivanja liganda. Osim toga, oni se vezuju kao heterodimeri (obično sa -{RXR}-) za DNK. U odsustvu liganda, nuklearni receptori tipa -{II}- su uglavnom u kompleksu sa korepresorskim proteinima. Vezivanje liganda za nuklearne receptore uzrokuje disocijaciju korepresora i regrutovanje koaktivatorskih proteina. Dodatni proteini među kojima su DNK polimeraze se zatim regrutuju na NR/DNK kompleks koji transkribuje DNK u informacionu RNK.
Nuklearni receptori tipa -{II}- obuhvataju prvenstveno potfamiliju 1, na primer receptor retinoinske kiseline, retinoidni X receptor i receptor tiroidnog hormona.
Tip -{III}- Nuklearni receptor tipa -{III}- (uglavnom NR potfamilija 2) su slični sa tipom -{I}- receptora po tome da se obe klase vezuju za DNK kao homodimeri. Međutim, receptori tipa -{III}-, za razliku od tipa -{I}-, vezuju se za HRE direktnog ponavljanja, umesto HRE invertovanog ponavljanja.
Tip -{IV}- Nuklearni receptori tipa -{IV}- se vezuju bilo kao monomeri ili dimeri, ali se samo jedan DNK vezujući domen receptora vezuje za jednu polovinu HRE mesta. Primeri receptora tipa -{IV}- se nalaze u većini NR potfamilija.
Koregulatorni proteini
Nuklearni receptori vezani za elemente hormonskog responsa regrutuju znatan broj drugih proteina (transkripcionih koregulatora) koji olakšavaju ili inhibiraju transkripciju asociranog ciljnog gena u iRNK. Funkcije tih koregulatora su različite i obuhvataju hromatinsko remodelovanje (što čini ciljni gen više ili manje dostupnim za transkripciju) ili funkcija premoštavanja čime se stabilizuje vezivanje drugih koregulatornih proteina. Nuklearni receptori se mogu specifično vezati za brojne koregulatorske proteine, i na tačan oni mogu da utiču na ćelijske mehanizme prenosa signala direktno, kao i indirektno.
Koaktivatori Vezivanje agonista za nuklearne receptore indukuje konformacije receptora koje preferentno vezuju koaktivatorske proteine. Ti proteini često imaju intrinsično histonsko acetiltransferazno (HAT) dejstvo, kojom se slabi asocijacija histona i DNK, i stoga se pospešuje transkripcija gena.
Korepresori Vezivanje antagonista za nuklearne receptore indukuje konformacione promene receptore koje favorizuju vezivanje korepresorskih proteina. Ti proteini, zatim regrutuju histonske deacetilaze (HDAC), čime se pojačava asocijacija histona i DNK, i na taj način se represuje transkripcija gena.
Agonizam vs antagonizam
U zavisnosti od receptora, hemijske strukture liganda i tkiva u kome se proces odvija, ligandi nuklearnih receptora mogu da imaju dramatično različite efekte koji su u opsegu od agonizma do antagonizma do inverznog agonizma.
Agonisti Aktivnost endogenih liganda (kao što su hormoni estradiol i testosteron) kad su vezani za njihove korespondirajuće nuklearne receptore je normalno da povećavaju izražavanje gena. Ova stimulacija ekspresije gena ligandom se naziva agonističkim responsom. Agonistička dejstva endogenih hormona se mogu oponašati pomoću pojedinih sintetičkih liganda, na primer, agonist glukokortikoidnog receptora je anti-inflamatorni lek deksametazon. Agonisti deluju putem indukovanja konformacije receptora koja pogoduje vezivanju koaktivatora (pogledajte gornju polovinu slike na desnoj strani).
Antagonisti Drugi sintetički ligandi nuklearnih receptora nemaju očiglednog uticaja na transkripciju gena u odsustvu endogenog liganda. Međutim oni blokiraju dejstvo agonista putem konkurentskog vezivanja za isto mesto vezivanja u nuklearnom receptoru. Ovi ligandi se nazivaju antagonistima. Primer leka koji je antagonist nuclearnog receptora je mifepriston, koji se vezuje za glukokortikoidne i progesteronske receptore i stoga blokira dejstvo endogenih hormona kortizola i progesterona, respektivno. Antagonisti deluju putem indukovanja konformacije receptora koja sprečava vezivanje koaktivatora i pospešuje vezivanje korepresora (pogledajte donju polovinu slike na desnoj strani).
Inverzni agonisti Konačno, pojedini nuklear receptori podstiču nizak nivo genske transkripcije u odsustvu agonista (to se naziva bazalnom ili konstitutivnom aktivnošću). Sintetički ligandi koji redukuju taj bazalni nivo aktivnosti nuklearnih receptora su poznati kao inverzni agonisti.
Selektivni receptorski modulator