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Nukleare Rezeptoren Ein Überblick

Nukleare Rezeptoren Ein Überblick. Inge Schuster Institut für Pharmazeutisch Chemie Universität Wien. Überblick. Signaltransfer in Zellen Was sind Nukleare Rezeptoren? Ursprung und Evolution Nuklearer Rezeptoren Relevanz Strukturelemente Nuklearer Rezeptoren Liganden

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Nukleare Rezeptoren Ein Überblick

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Presentation Transcript

  1. Nukleare RezeptorenEin Überblick Inge Schuster Institut für Pharmazeutisch Chemie Universität Wien

  2. Überblick Signaltransfer in Zellen Was sind Nukleare Rezeptoren? Ursprung und Evolution Nuklearer Rezeptoren Relevanz Strukturelemente Nuklearer Rezeptoren Liganden Allgemeine Mechanismen

  3. Signaltransfer in Zellen • Alle Zellen prüfen und verarbeiten permanent Information aus der „Umgebung“ • Detektion der Information durch Rezeptoren • Information in Form von Mediatoren/ Hormonen: hochspezifischeSchlüssel in Rezeptoren • Konformationsänderung des Rezeptors • Signal auf Gen-Expression • Veränderte Funktion

  4. ExtrazellulärePeptid-hormone, Cytokine... Signal über Kaskade von Protein-Protein Wechselwirkungen zum Nukleus Lipophiles Hormon aktiviert Rezeptor im Nukleus Signaltransfer durch Rezeptoren Intrazelluläre RezeptorenMembranrezeptoren Transkription

  5. „Schlüssel-Gene“ in Entwicklung Reproduktion Homeostase Metabolismus Ligand Rezeptor Definition: Nukleare Rezeptoren • Multi-funktionelleLiganden-aktivierte Transkriptionsfaktoren • Regulieren die Expression von Targetgenen Cytosol DNA Nucleus

  6. Superfamilie: Nukleare Rezeptoren (NR) • Sehr große (größte) Gen-Superfamilie, die für eukaryo-tische Transkriptionsfaktoren kodiert • NR auf das Tierreich beschränkt • NR stammen von einem gemeinsamen Vorläufer ab • NR haben den gleichen molekularen Aufbau aus definierten Modulen; MW 50 000 – 100 000 D • >200verwandte Gene identifiziert: • Caenorhabditis elegans (Nematode) ....... > 270 • Drosophila melanogaster......................... 21 • Homo sapiens.......................................... 48

  7. GR AR PR MR ER (a,b) ERR (a,b,g) Steroid-Rezeptoren Phylogenetische Analyse in Säugetieren 48 (49) NR in 6 Subfamilien NR-Vorläufer TR (a,b) RAR (a,b,g) VDR PPAR PXR LXR FXR CAR (a,b) Rev/Erb (a,b) RZR/ROR (a,b,g) UR RXR (a,b,g) HNF-4(a,b,g) COUP-TF (a,b,g) TLX PNR TR2 (a,b) NGFI-B (a,b,g) SF-1/FTZ-F1 (a,b) GCNF SHP DAX-1 Liganden bekannt Liganden unbekannt : Orphan Receptors

  8. Chronologie von NR‘s 1959 1970 1980 1990 2000 Ecdyson erzeugt Puffs am Chromosom Steroidhormon – Rezeptoren (AR, ER, GR, MR) VDR , TR RAR PPAR , RXR GCNF, ROR, SF-1; FXR, LXR Orphan receptors

  9. NR in Körperzellen • NR in Vielfalt von Zelltypen eines Organismus vorhanden • Diese Zellen sind Target für Wirkung der spezifischen NR-Liganden • Pleiotrope Effekte auf Zell-/Organ Entwicklung, Homeostase, Metabolismus und Apoptose Beispiel: • Vitamin D Rezeptor (VDR) • In praktisch allen Körperzellen und Tumorgeweben • Reguliert > 60 Gene • Calcium Homöostase • Proliferation /Differenzierung • Immunmodulation

  10. Welche Bedeutung haben NR fürMedizin und Pharmazie?

  11. NR und Steroidhormon-Analoga: Publikationen 1960 - 2003 (NIH-library) Agonisten – Antagonisten klassischer NR‘s: herausragende Rolle in Prevention/Therapie benigner und maligner Defekte Gigantisches Potential von Liganden von Orphan Receptors (Reverse Endocrinology)

  12. Neue Aspekte 2003 The Role of Nuclear Receptors in Cardiovascular Disease October 8 - 12, 2003 Hotel Del Coronado, Coronado Island in San Diego, CA 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.

  13. Modulstruktur von NR

  14. COO- NH2 variable N-terminale Region Variable „Hinge“ Region variabel Konservierte DNA-Bindungs Region: 60-70 aa (42-94 %) Konservierte Liganden-Bindungsregion (15–57 %) Aktivierungsfunktion AF-2 Konstitutive Aktivierungsfunktion AF-1 NR: Modul-Organisation A/B CD E/F

  15. -COO- ER (estrogen R): 595 aa NH2- -COO- PR (progesterone R): 934 aa NH2- -COO- TR (thyroid hormone R): 408 aa NH2- -COO- RAR (Retinsäure R): 432 aa NH2- -COO- VDR (Vitamin D R): 420 aa NH2- Modulaufbau von NR‘s A/BCD E/F

  16. DNA-Bindungs Domäne – DNA Response Elements

  17. NH2 COO- 2 Zink-Finger (60-80 aa) Dimerisierung Sequenzerkennung Zn Zn Recognition a-helix Response element DNA-Bindungs-Domäne (DBD) A/B C D E F DNA

  18. RXR 5‘ AGGTCA (n)x AGGTCA 3‘ oder 5‘AGAACAnnnTGTTCT 3‘ DNA-Response Elements (RE) Nukleare Rezeptoren binden an RE‘s als Homo-Dimere Hetero-Dimere Monomer Symmetrisch (Palindrom) GR-GR PR-PR AR-AR ER-ER MR-MR RXR-RXR RZR/ROR SF-1 (M, D,H) Rev-Erb (M,D) Direct Repeat oder Inverted Palindrome RXR-RAR (DR2, DR5) RXR-VDR (DR3, IP9) RXR-PPAR (DR1) RXR-PXR (DR3) RXR-CAR (DR5).....

  19. NH2 COO- NH2 COO- Hinge domain D Unterschiedliche Länge und Sequenz bei unterschied-lichen NR Konservierte Domäne bei Isoformen eines NR • Intramolekulare Wechselwirkungen zwischen LBD und Hinge D – Rolle in Liganden-Bindung, Dimerisierung • Signal für nukleare Lokalisation

  20. Liganden-Bindungsdomäne (LBD)

  21. NH2 COO- H11 H12 H11 H12 Holo-RAR Apo-RXR Liganden-Bindungsdomäne (LBD) Liganden-Bindungsdomäne (LBD) A/B C D E F • Konservierte Struktur aus 12 Helices • Konformationsänderung bei Bindung des Liganden • Ligand im hydrophoben „Core“ Bilder nach Aranda & Pascual, 2001

  22. Crystallographic structure of the VDRmt bound to 1,25(OH)2D3 Rochel, N., Wurtz, J.M., Mitschler, A., Klaholz, B. & Moras, D. (2000) Thecrystal structure of the nuclear receptor for vitamin D bound to its natural ligand. Mol. Cell 5, 173–179

  23. Mausefalle-Modell X-Ray Analysen der Ligandenbindungs-Domäne (LBD) von > 15 NR‘s Bindung des Liganden führt zur Konformationsänderung der LBD – Ligand vollständig eingebettet im hydrophoben Core Hochaffine, spezifische Bindung (KD 10-9 – 10-12 M)

  24. NH2 COO- LBD -multifunktionell A/B C D E F AF-2 • Bindung des Liganden • Dimerisierung (H 10,11, 7.8.9) • Reguliert transkriptionelle Funktion durch Interaktion mit „Accessory Factors“ H10 H12 H11

  25. LBD-Dimerisierung LBD DBD RE LBD-Dimerisierung >> DBD-Dimerisierung

  26. Mechanismus der NR-Funktion Aktiver NR Histone acetylation CBP/p300 Dimerbildung RNA Pol II Basal factors NCoA TBP TATA NCoA: Receptor coactivator complex TBP: TATA-Box binding protein

  27. Liganden von NR‘s

  28. 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

  29. autokrin endokrin Woher kommen Liganden der NR? Endogene Metabolite des Lipid-, Steroid-, Vitamin-Stoffwechsels parakrin Exogene Verbindungen Nahrung, Umwelt, Pharmaka.........

  30. Liganden - Beispiele Trijod-Thyronin (TR) 1,25(OH)2 Vitamin D3 (VDR) Progesteron (PR) Testosteron (AR) Oestradiol (ER) All-trans Retinsäure (RAR) 13-cis Retinsäure (RXR)

  31. 24 25 D 7-DHC 1 O H 25(OH)D3 VDR CYP27B 1a,25(OH)2D3 CYP24 Calcitroic acid (Seitenkettenspaltung) Autokrine – parakrine Regulierung: Vitamin D Synthese und Inaktivierung ebenso wie VDR in Keratinocyten der Haut

  32. Target Gen Target Gen Target Gen Aktive Konformation Inaktive Konformation Effekt von Liganden auf Gen-Expression Inaktiv Agonist Antagonist Inverse Agonist Target Gen Target Gen

  33. ICI 164384 Hydroxytamoxifen Genistein Liganden des Oestrogen Rezeptors (ER) Agonist Antagonist (AF2)

  34. Dimerisierung NCoA AF-2 Agonist -Antagonist Agonist: Exponierte sites für Dimerisierung und Rekrutierung der Co-Aktivator Komplexe (NCoA) Antagonist: Unvollständige/Fehlende Sites für Dimeri-sierung und/oder Rekrutierung der NCoA-Komplexe

  35. TR (a,b) RAR (a,b,g) VDR PPAR PXR LXR FXR CAR (a,b) Rev/Erb (a,b) RZR/ROR (a,b,g) UR RXR (a,b,g) HNF-4(a,b,g) COUP-TF (a,b,g) TLX PNR TR2 (a,b) GR AR PR MR ER (a,b) ERR (a,b,g) NGFI-B (a,b,g) SF-1/FTZ-F1 (a,b) GCNF SHP DAX-1 Klocker CBP/p300 Huber Basal factors NCoA TBP Thalhammer TATA Inhalt des Seminars Jungbauer Wintersberger

  36. Literatur 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

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