Nukleare RezeptorenNukleare RezeptorenEin ÜberblickEin Überblick
Inge SchusterInge SchusterInstitut für Pharmazeutisch ChemieInstitut für Pharmazeutisch Chemie
Universität WienUniversität Wien
Überblick Signaltransfer in ZellenSignaltransfer in Zellen Was sind Nukleare Rezeptoren?Was sind Nukleare Rezeptoren? Ursprung und Evolution Nuklearer RezeptorenUrsprung und Evolution Nuklearer Rezeptoren Relevanz Relevanz Strukturelemente Nuklearer RezeptorenStrukturelemente Nuklearer Rezeptoren Liganden Liganden Allgemeine MechanismenAllgemeine Mechanismen
Signaltransfer in ZellenSignaltransfer in Zellen Alle Zellen prüfen und verarbeiten permanent Alle Zellen prüfen und verarbeiten permanent
Information aus der „Umgebung“ Information aus der „Umgebung“ Detektion der Information durch RezeptorenDetektion der Information durch Rezeptoren Information in Form von Mediatoren/ Hormonen: Information in Form von Mediatoren/ Hormonen:
hochspezifischehochspezifische Schlüssel in RezeptorenSchlüssel in Rezeptoren Konformationsänderung des RezeptorsKonformationsänderung des Rezeptors Signal auf Gen-ExpressionSignal auf Gen-Expression Veränderte FunktionVeränderte Funktion
Signaltransfer durch RezeptorenSignaltransfer durch Rezeptoren
Intrazelluläre RezeptorenIntrazelluläre Rezeptoren MembranrezeptorenMembranrezeptoren
TranskriptionTranskription
Lipophiles Lipophiles Hormon Hormon aktiviert aktiviert Rezeptor im Rezeptor im NukleusNukleus
Extrazelluläre Peptid-Peptid-hormone, Cytokine...hormone, Cytokine...
Signal über Kaskade Signal über Kaskade von Protein-Protein von Protein-Protein Wechselwirkungen zum Wechselwirkungen zum NukleusNukleus
Definition: Nukleare Rezeptoren• Multi-funktionelle Liganden-aktivierte Transkriptionsfaktoren
• Regulieren die Expression von Targetgenen
DNADNA
RezeptorRezeptor
„„Schlüssel-Gene“ Schlüssel-Gene“ inin
EntwicklungEntwicklung
ReproduktionReproduktion
HomeostaseHomeostase
MetabolismusMetabolismus
CytosolCytosol
NucleusNucleus
LigandLigand
Superfamilie: Nukleare Rezeptoren (NR)Superfamilie: Nukleare Rezeptoren (NR) Sehr große (größte) Gen-Superfamilie, die für eukaryo-Sehr große (größte) Gen-Superfamilie, die für eukaryo-
tische Transkriptionsfaktoren kodierttische Transkriptionsfaktoren kodiert NR auf das Tierreich beschränktNR auf das Tierreich beschränkt NR stammen von einem gemeinsamen Vorläufer abNR stammen von einem gemeinsamen Vorläufer ab NR haben den NR haben den gleichen molekularen Aufbau aus gleichen molekularen Aufbau aus
definierten Modulen; MW 50 000 – 100 000 Ddefinierten Modulen; MW 50 000 – 100 000 D >> 200200 verwandte Gene identifiziert:verwandte Gene identifiziert:
– Caenorhabditis elegans (Nematode) ....... > 270 Caenorhabditis elegans (Nematode) ....... > 270
– Drosophila melanogaster......................... 21Drosophila melanogaster......................... 21
– Homo sapiens.......................................... 48Homo sapiens.......................................... 48
Phylogenetische AnalysePhylogenetische Analysein Säugetieren 48 (49) NR in 6 Subfamilienin Säugetieren 48 (49) NR in 6 Subfamilien
NR-VorläuferNR-Vorläufer
RXR (RXR ())
HNF-4HNF-4 (())
COUP-TF COUP-TF (())
TLXTLX
PNRPNR
TR2 (TR2 ())
NGFI-B NGFI-B ((
SF-1/FTZ-F1 SF-1/FTZ-F1 ((
GCNFGCNF
SHPSHP
DAX-1DAX-1
Liganden bekanntLiganden bekanntLiganden unbekannt : Orphan ReceptorsLiganden unbekannt : Orphan Receptors
TR (TR (
RAR (RAR ())VDRVDRPPARPPARPXRPXRLXRLXRFXRFXR
CAR (CAR ())Rev/Erb (Rev/Erb ())
RZR/ROR RZR/ROR (())
URUR
GRGR
ARAR
PRPR
MRMR
ER (ER (
ERR (ERR (
Steroid-RezeptorenSteroid-Rezeptoren
Chronologie von NR‘sChronologie von NR‘sEcdyson erzeugt Puffs am ChromosomEcdyson erzeugt Puffs am Chromosom
Steroidhormon – Rezeptoren Steroidhormon – Rezeptoren (AR, ER, GR, MR)(AR, ER, GR, MR)VDR , TRVDR , TR
RARRARPPAR , RXRPPAR , RXRGCNF, ROR, SF-1; FXR, LXRGCNF, ROR, SF-1; FXR, LXR Orphan receptorsOrphan receptors
19591959
19701970
19801980
19901990
20002000
NR in Körperzellen NR in Vielfalt von Zelltypen eines Organismus vorhandenNR in Vielfalt von Zelltypen eines Organismus vorhanden Diese Zellen sind Target für Wirkung der spezifischen Diese Zellen sind Target für Wirkung der spezifischen
NR-LigandenNR-Liganden Pleiotrope Effekte auf Zell-/Organ Entwicklung, Pleiotrope Effekte auf Zell-/Organ Entwicklung,
Homeostase, Metabolismus und ApoptoseHomeostase, Metabolismus und Apoptose Beispiel:Beispiel: Vitamin D Rezeptor (VDR)Vitamin D Rezeptor (VDR)
- In praktisch allen Körperzellen und TumorgewebenIn praktisch allen Körperzellen und Tumorgeweben
- Reguliert > 60 Gene Reguliert > 60 Gene - Calcium HomöostaseCalcium Homöostase- Proliferation /DifferenzierungProliferation /Differenzierung- ImmunmodulationImmunmodulation
Welche Bedeutung haben NR für Medizin und Pharmazie?
NR und Steroidhormon-Analoga: Publikationen 1960 - 2003 (NIH-library)
Agonisten – Antagonisten klassischer NR‘s: herausragende Rolle Agonisten – Antagonisten klassischer NR‘s: herausragende Rolle in Prevention/Therapie benigner und maligner Defektein Prevention/Therapie benigner und maligner DefekteGigantisches Potential von Liganden von Orphan Receptors Gigantisches Potential von Liganden von Orphan Receptors (Reverse Endocrinology)(Reverse Endocrinology)
20032003 The Role of Nuclear The Role of Nuclear
Receptors in Receptors in Cardiovascular Cardiovascular
DiseaseDisease October 8 - 12, 2003 October 8 - 12, 2003 Hotel Del Coronado, Hotel Del Coronado,
Coronado Island in San Diego, Coronado Island in San Diego, CACA
Neue Aspekte
Sessions will present the latest developments in nuclear receptor structure and function and will spotlight the emerging roles of key nuclear receptors (PPARs, aldosterone, estrogen and thyroid) in cardiovascular disease. The cutting-edge presentations will range from basic nuclear receptor biology to clinical investigation of agents that target these receptors.
Modulstruktur von NR
NR: Modul-OrganisationNR: Modul-Organisation
NH2 COO-
variable N-terminale variable N-terminale RegionRegion
Konservierte DNA-Bindungs Konservierte DNA-Bindungs RegionRegion: 60-70 aa : 60-70 aa
(42-94 %)(42-94 %)
Konservierte Konservierte Liganden-Liganden-
BindungsregionBindungsregion(15–57 %)(15–57 %)
Variable Variable „Hinge“ „Hinge“ RegionRegion
variabelvariabel
A/B C D E/F
Konstitutive Aktivierungsfunktion
AF-1
Aktivierungsfunktion AF-2
Modulaufbau von NR‘sModulaufbau von NR‘s
NH2--COO- ER (estrogen R): 595 aa
-COO- RAR (Retinsäure R): RAR (Retinsäure R): 432 aa432 aaNH2-
-COO- TR (thyroid hormone R): TR (thyroid hormone R): 408 aa408 aaNH2-
-COO- VDR (Vitamin D RVDR (Vitamin D R): 420 aa): 420 aaNH2-
A/B C D E/F
-COO- PR (progesterone R):PR (progesterone R): 934 aa 934 aaNH2-
DNA-Bindungs Domäne – DNA Response Elements
DNA-Bindungs-Domäne (DBD)DNA-Bindungs-Domäne (DBD)
Sequenzerkennung
Sequenzerkennung
DimerisierungDimerisierung
A/B C D E FA/B C D E F
DNADNA
ZnZn
ZnZn
2 Zink-Finger 2 Zink-Finger (60-80 aa)(60-80 aa)
NH2 COO-
Response elementResponse element
Recognition -helix
DNA-Response Elements (RE)DNA-Response Elements (RE)
Symmetrisch (PalindromSymmetrisch (Palindrom))
GR-GRGR-GR
PR-PRPR-PR
AR-ARAR-AR
ER-ERER-ER
MR-MRMR-MR
RXR-RXRRXR-RXR
5‘5‘ AGAACAnnnTGTTCT 3‘AGAACAnnnTGTTCT 3‘
Nukleare Rezeptoren binden an RE‘s alsNukleare Rezeptoren binden an RE‘s als
Homo-Dimere Hetero-Dimere MonomerHomo-Dimere Hetero-Dimere Monomer
5‘ AGGTCA (n)5‘ AGGTCA (n)x x AGGTCA 3‘ AGGTCA 3‘ oderoder
RXRRXR
Direct Repeat Direct Repeat oderoder
Inverted PalindromeInverted PalindromeRXR-RAR (DR2, DR5)RXR-RAR (DR2, DR5)
RXR-VDR (DR3, IP9)RXR-VDR (DR3, IP9)
RXR-PPAR (DR1)RXR-PPAR (DR1)
RXR-PXR (DR3)RXR-PXR (DR3)
RXR-CAR (DR5).....RXR-CAR (DR5).....
RZR/RORRZR/ROR
SF-1 (M, D,H)SF-1 (M, D,H)
Rev-Erb (M,D)Rev-Erb (M,D)
Hinge domainHinge domainNH2 COO-
Intramolekulare Wechselwirkungen zwischen LBD und Intramolekulare Wechselwirkungen zwischen LBD und Hinge D – Rolle in Liganden-Bindung, Dimerisierung Hinge D – Rolle in Liganden-Bindung, Dimerisierung Signal für nukleare LokalisationSignal für nukleare Lokalisation
COO -
NH2
Unterschiedliche Länge und Sequenz bei unterschied-Unterschiedliche Länge und Sequenz bei unterschied-lichen NRlichen NR
Konservierte Domäne bei Isoformen eines NRKonservierte Domäne bei Isoformen eines NR
D
Liganden-Bindungsdomäne (LBD)
Liganden-Bindungsdomäne (LBD)Liganden-Bindungsdomäne (LBD)A/B C D E FA/B C D E F
NH2 COO-
Liganden-Bindungsdomäne (LBD)Liganden-Bindungsdomäne (LBD)
• Konservierte Struktur aus 12 HelicesKonservierte Struktur aus 12 Helices• Konformationsänderung bei Bindung des LigandenKonformationsänderung bei Bindung des Liganden• Ligand im hydrophoben „Core“Ligand im hydrophoben „Core“
H12
H11
Apo-RXR
H12
H11
Holo-RAR
Bilder nach Aranda & Pascual, 2001
Crystallographic structure of the VDRmt Crystallographic structure of the VDRmt bound to 1,25(OH)bound to 1,25(OH)22DD33
Rochel, N., Wurtz, J.M., Mitschler, A., Klaholz, B. & Moras, D. (2000) The crystal structure of the nuclear receptor for vitamin D bound to its natural ligand. Mol. Cell 5, 173–179
X-Ray Analysen der Ligandenbindungs-Domäne X-Ray Analysen der Ligandenbindungs-Domäne (LBD) von > 15 NR‘s(LBD) von > 15 NR‘s
Bindung des Liganden führt zur Konformationsänderung Bindung des Liganden führt zur Konformationsänderung der LBD – Ligand vollständig eingebettet im hydrophoben der LBD – Ligand vollständig eingebettet im hydrophoben CoreCore
Hochaffine, spezifische Bindung (KD 10-9 – 10-12 M)
Mausefalle-Modell
LBD -multifunktionellLBD -multifunktionellA/B C D E FA/B C D E F
NH2 COO-
Bindung des LigandenBindung des Liganden
Dimerisierung (H 10,11,Dimerisierung (H 10,11, 7.8.9 7.8.9))
Reguliert transkriptionelle Reguliert transkriptionelle Funktion durch Funktion durch Interaktion mit Interaktion mit „Accessory Factors„Accessory Factors“ “
H12
H11
H10
AF-2AF-2
LBD-Dimerisierung
LBD
DBD
LBD-Dimerisierung >> DBD-Dimerisierung
RE
Mechanismus der NR-Funktion
TATA
NCoA: Receptor coactivator complexNCoA: Receptor coactivator complexTBP: TATA-Box binding proteinTBP: TATA-Box binding protein
NCoABasal Basal factorsfactors
TBP
RNA Pol IIRNA Pol II
CBP/CBP/p300p300
Histone acetylationHistone acetylation
Aktiver NR
DimerbildungDimerbildung
Liganden von NR‘s
NR-Liganden sind lipophile, kleine Moleküle Steroide, Retinoide, Eicosanoide, Thyronin........... MW 300 - 500 (< 1000) D Passive Penetration durch Zellmembranen
Templates für Synthese neue Wirkstoffe:Strukturelle Modifikation der Liganden zur gezielten, spezifischen Kontrolle der NR-Funktion
Optimierung der pharmakokinetischen Eigenschaften
Woher kommen Liganden der NR?Woher kommen Liganden der NR?
Endogene MetaboliteEndogene Metabolitedes Lipid-, Steroid-, Vitamin-Stoffwechselsdes Lipid-, Steroid-, Vitamin-Stoffwechsels
Exogene VerbindungenExogene Verbindungen
Nahrung, Umwelt, Nahrung, Umwelt, Pharmaka.........Pharmaka.........
parakrinparakrin
endokrinendokrin
autokrinautokrin
O
O
OH
OH
OH
O
OH
OH
OH
OH
O
OOH
OH
I O
I
I
NH2
OOH
1,25(OH)1,25(OH)22 Vitamin D Vitamin D33
(VDR)(VDR)
All-trans RetinsäureAll-trans Retinsäure
(RAR)(RAR)
13-cis Retinsäure13-cis Retinsäure
(RXR)(RXR)
ProgesteronProgesteron
(PR)(PR)
TestosteronTestosteron
(AR)(AR)
OestradiolOestradiol
(ER)(ER)
Trijod-ThyroninTrijod-Thyronin
(TR)(TR)
Liganden - Beispiele
Autokrine – parakrine Regulierung:Autokrine – parakrine Regulierung:
OOHH
25252424
DD
25(OH)D25(OH)D33CYP27BCYP27B
11,25(OH),25(OH)22DD33
CYP24CYP24
Calcitroic acid Calcitroic acid (Seitenkettenspaltung)(Seitenkettenspaltung)
11
7-DHC7-DHC
VDRVDR
Vitamin D Vitamin D SyntheseSynthese und und InaktivierungInaktivierung ebenso wie ebenso wie VDRVDR in Keratinocyten der Hautin Keratinocyten der Haut
Effekt von Liganden auf Gen-ExpressionEffekt von Liganden auf Gen-Expression
Target GenTarget Gen
Target GenTarget Gen
Target GenTarget Gen
Target GenTarget Gen
Target GenTarget Gen
InaktivInaktiv
AgonistAgonist
AntagonistAntagonist
Inverse AgonistInverse Agonist
Aktive Konformation
Inaktive Konformation
Liganden des Oestrogen Rezeptors (ER)Liganden des Oestrogen Rezeptors (ER)
OH
OH
O
N
OH
OH
OH
HydroxytamoxifenHydroxytamoxifen
OH
OH
O N
( )10
ICI 164384
OH
O
O
OH
OH
Genistein
AgonistAgonist Antagonist (AF2)Antagonist (AF2)
Agonist -Antagonist
NCoANCoA
AF-2
Dimerisierung
AgonistAgonist: Exponierte sites für Dimerisierung und Exponierte sites für Dimerisierung und Rekrutierung der Co-Aktivator Komplexe (NCoA)Rekrutierung der Co-Aktivator Komplexe (NCoA)
AntagonistAntagonist: Unvollständige/Fehlende Sites für Dimeri-ites für Dimeri-sierung und/oder Rekrutierung der NCoA-Komplexe sierung und/oder Rekrutierung der NCoA-Komplexe
RXR (RXR ())
HNF-4HNF-4 (())
COUP-TF COUP-TF (())
TLXTLX
PNRPNR
TR2 (TR2 ())
GRGR
ARAR
PRPR
MRMR
ER (ER (
ERR (ERR (
NGFI-B NGFI-B ((
SF-1/FTZ-F1 SF-1/FTZ-F1 ((
GCNFGCNF
SHPSHP
DAX-1DAX-1
TR (TR (
RAR (RAR ())VDRVDRPPARPPARPXRPXRLXRLXRFXRFXR
CAR (CAR ())Rev/Erb (Rev/Erb ())
RZR/ROR RZR/ROR (())
URUR
Inhalt des SeminarsInhalt des Seminars
JungbauerJungbauer HuberHuber
KlockerKlocker
ThalhammerThalhammer
TATA
NCoABasal Basal factorsfactors
TBP
CBP/CBP/p300p300
Wintersberger
LiteraturLiteratur
Aranda A, Pascual A (2001) Nuclear hormone receptors and gene expression Physiol.Reviews 81:1269-1304
Laudet V (1997) Evolution of the nuclear receptor superfamily: early diversification from an ancestral orphan receptor J.Mol.Endocrinol.19:207-26
Lazar MA (2002) Mechanism of action of hormones that act on nuclear receptors. www.Elsevier-international.com/e-books/pdf/451.pdf