CC BY
88
БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ БИОЛОГИЯ
МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ
ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О СТРОЕНИИ И ФУНКЦИИ ЭСТРОГЕНОВЫХ РЕЦЕПТОРОВ, ИХ КОНФОРМАЦИОННЫХ ИЗМЕНЕНИЯХ ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ С АГОНИСТАМИ И АНТАГОНИСТАМИ
Ездаков Ярослав Михайлович
студент Первого Московского государственного медицинского университета им. И.М. Сеченова,
119048, РФ, г. Москва, улица Малая Трубецкая, 8 E-mail: ya. yezdakov@gmail. com
Гимаев Илья Альбертович
студент Первого Московского государственного медицинского университета им. И.М. Сеченова,
119048, РФ, г. Москва, улица Малая Трубецкая, 8 E-mail: li14342 7@mail. ru
Тихонов Дмитрий Александрович
канд. мед. наук, старший преподаватель, Первого Московского государственного медицинского университета им. И.М. Сеченова,
119048, РФ, г. Москва, улица Малая Трубецкая, 8
E-mail: [email protected]
REVIEW OF MODERN REPRESENTATIONS ON THE STRUCTURE AND FUNCTION OF THE ESTROGEN RECEPTORS, THEIR CONFORMATIONAL CHANGES IN INTERACTION
WITH AGONISTS AND ANTAGONISTS
Yaroslav Ezdakov
student of the First Moscow state medical university of I.M. Sechenov, 119048, Russia, Moscow, Malaya Trubetskaya str., 8
Ilya Gimaev
student of the First Moscow state medical university of I.M. Sechenov, 119048, Russia, Moscow, Malaya Trubetskaya str., 8
Dmitry Tikhonov
candidate of medical sciences, senior lecturer, the First Moscow state medical university of I.M. Sechenov,
119048, Russia, Moscow, Malaya Trubetskaya str., 8
АННОТАЦИЯ
В данной статье рассматриваются особенности строения, конформационных изменений и ответа эстрогено-вых рецепторов. Авторы ставили перед собой цель сделать обзор российской и зарубежной литературы, получить наиболее современные и актуальные данные для дальнейших клинических научных исследований. В статье расписаны особенности генетики ЭР, синтеза, локализации, лиганд-рецепторного взаимодействия ЭР, а также даль-
Библиографическое описание: Ездаков Я.М., Гимаев И.А., Тихонов Д.А. Обзор современных представлений о строении и функции эстрогеновых рецепторов, их конформационных изменениях при взаимодействии с агони-стами и антагонистами // Universum: Химия и биология: электрон. научн. журн. 2017. № 9(39). URL: http://7universum.com/ru/nature/archive/item/5083
нейшего проведения сигнала и действия на различные органы, ткани и системы. Были изучены и проанализированы данные почти 40 российских и зарубежных источников. Данная работа представляет собой научный интерес для дальнейших исследований в различных областях медицины, таких как клиническая и общая фармакология, акушерство и гинекология, биологическая химия.
ABSTRACT
This article deals with the features of the structure, conformational changes, and signaling during the activation of ER. The authors set a goal to review Russian and foreign literature, obtain the most up-to-date and relevant data for further clinical research. The article features the genetics of ER, synthesis, localization, ligand-receptor interaction of ER, as well as further signal and action on various organs, tissues and systems. Data of more than 30 Russian and foreign sources were studied and analyzed. This work is vital for scientific interest for further research in various fields of medicine, such as Biochemistry, Pharmacology and Gyne^logy.
Ключевые слова: эстрогеновые рецепторы, агонисты, антагонисты, конформация, эффекты.
Keywords: estrogen receptors, agonists, antagonists, conformation, effects.
Эстрогеновые рецепторы (ЭР) синтезируются во многих клетках и имеют две формы ЭР-а и ЭР-Р, закодированные в разных генах. Ген ЭР-а находится в длинном плече 6 хромосомы, локусах q24—27, ген ЭР-Р расположен в локусе q21—22 хромосомы 14. Они обладают большой гомологичностью и являются транскрипционными факторами, имеющими центры связывания с промоторами и энхансерами ДНК.
ЭР имеют доменную структуру. М-концевые А-В домены активируют транскрипцию независимо от лиганда (ТАР-1). Активность ТАР-1 регулируется ростовыми факторами через МАР-киназный путь [13].
ДНК-связывающий домен (DBD), содержит структуру типа цинкового пальца, типичную для ДНК-связывающих белков [23].
Домен F является вариабельной областью, содержащей последовательность аминокислот, образующую в пространстве 12 а-спиралей. Возможно, этот домен обусловливает различие в ответах на разные модуляторы.
Домен Е (LBD) - лиганд-связывающий домен, активирует транскрипцию (ТАР-2) [9]. Домен распознает различия в размере, форме и химических свойствах лиганда. Агонисты индуцируют конформаци-онные изменения, затрагивающие 12-ю спираль (самый крупный завиток LBD, важный для функционирования активатора транскрипции АР-2). При взаимодействии с агонистами 12 спираль укладывается напротив 3, 5/6 и 11 спиралей. В комплексе с антагонистами 12 завиток связан с гидрофобным пазом, состоящим из 3 и 5 спиралей. Эта ориентация 12 спирали частично скрывает аминокислотные остатки в пазу, необходимые для активности АР-2. Вероятно, антагонисты нарушают топографию АР-2 поверхности.
Коактиваторы транскрипции усиливают лиганд-за-висимую транскрипционную активность ЭР [10]. Они узнают связывающий участок с помощью короткой последовательности - мотива LXXLL (Ь - лейцин, X -другая аминокислота), известного как МЯ бокс.
Структура LBD ЭР показала, что мотив ЬХХЬЬ формирует центр короткой последовательности а спирали, которая распознается комплементарной ка-
навкой на поверхности рецептора. Этот пептид-свя-зывающий паз, образованный спиралями 3, 4, 5 и 12 и поворотом между 3 и 4 спиралями, - AF-2 поверхность ЭР. Действие активатора транскрипции AF-2 ЭР-а блокируется антагонистами, т.к. 12 спираль перекрывает часть сайта, узнающего коактиватор, делая его неполным.
Исследования показали, что 13-концевой пептид содержит NR бокс II, специфично связывающий комплекс агонист-LBD. NR box II пептид-связывающий участок - это паз, образованный остатками аминокислот спиралей 3, 4, 5 и 12 и аминокислотой из поворота между спиралями 3 и 4 (см. рис.1). По сторонам от этого участка все остатки неполярные, но концы сайта - полярные.
Рисунок 1. Комплексы лигандов с LBD ЭР
А. Изображения агонист-ЭР LBD-NR box II комплекс. Коактиватор и LBD показаны лентой. Пептид окрашен оранжевым, 12 спираль (остатки 538-546) -фуксиновая. 3, 4, 5 спирали подписаны и раскрашены синим. Агонист - зеленый. В. 2 ортогональных изображения комплекса антагонист-ЭР LBD. Остатки 536-544 12 спирали - фуксиновые. Антагонист -красный.
LBD взаимодействует с гидрофобными поверхностями NR box II пептида, сформированной мотивом LXXLL. Цепи, формирующие паз, удерживаются
Ван-дер Ваальсовыми связями и формируют специфическую поверхность внутри [5].
Рассмотрим изменение конформации рецептора на примере взаимодействия с DES (диэтилстилбес-трол) и OHT (4-гидрокси-тамоксифен).
Взаимодействие с DES ЭР-а напоминает Е2 (эстра-диол). Одно из фенольных колец DES заключается в том же положении, что и кольцо Е2, неподалеку от спиралей 3 и 6. Как и кольцо Е2, DES-А-кольцо входит в сцепление с боковыми цепями, его фенольная гидрок-сильная группа образует водородные связи с гамма-кар-боксилатом Glu-353 и гуанидиновой группой Arg-394. Кольцо А ' DES находится рядом со спиралями 7, 8 и 11 и формирует Ван-дер Ваальсовы связи с остатками аминокислот (аналогично кольцам С и D Е2). Существуют
незанятые полости, смежные с поверхностями B и C колец Е2. Этиловые группы DES, которые выступают вертикально от плоскости фенольных колец, плотно прилегают к этим пространствам. Полученные дополнительные неполярные контакты с боковыми цепями могут свидетельствовать о большей аффинности DES к рецептору (см. рис 2 А).
Для связывания многих лигандов ЭР может использовать одни и те же остатки аминокислот, что, предположительно, связано большим объемом ли-ганд-связывающего участка и его структурной пластичностью.
Рисунок 2. А - DES в лиганд-связывающей области, В - ОНТ. Показаны остатки аминокислот, участвующие в образовании связей с лигандами. Пояснения в тексте
Связывание антагониста ОНТ индуцирует кон-формацию LBD, отличную от связывания с DES. В комплексе DES, связи образуют части спиралей 3, 8 и 11 [25]. А состав и ориентация спирали 12 различны в двух структурах. Спираль 12 в комплексе DES состоит из остатков 538-546 аминокислот, в то время как в комплексе с ОНТ она состоит из остатков 536544 (см. рис. 1). Еще более существенно то, что спираль 12 в комплексе с ОНТ занимает часть коактива-тор-связывающего паза, формируемого остатками спиралей 3, 4, 5 и поворотом спиралей 3 и 4.
За исключением конформации 12 спирали структура пептид-связывающего паза почти идентична для комплексов с агонистом и антагонистом, поэтому участок этого паза вне спирали 12 называется «статичным» участком NR box связывающего сайта [5].
Антагонист связан с рецептором в том же месте, что агонисты (см. рис. 3). Ориентация антагониста в связывающей области обусловлена двумя структурными особенностями лиганда: фенольным кольцом А и громоздкой боковой цепью. А кольцо антагониста связано почти в том же месте, что А кольцо агониста (рис. 2).
Эстрогены реализуют свои эффекты двумя путями: геномным и негеномным. Активация первого пути (долгого) реализуется классическим способом: гормон пассивной диффузией попадает в клетку-мишень [18], связывается с цитоплазматическим рецептором, происходит диссоциация последнего от стабилизирующих шаперонов, комплекс рецептор-лиганд перемещается в ядро [2; 4]. В ядре рецепторы димеризуются (гомоди-меры ЭР-а-ЭР-а; ЭР-Р-ЭР-Р или гетеродимер ЭР-а-ЭР-Р) [5]. Этот димер связывается со специальным участком ДНК - энхансером - ответным элементом для эстрогенов (ERE) [3]. Произошедшие конформационные изменения позволяют связаться со специальными белками, активирующими транскрипцию, в том числе с РНК-полимеразой II.
Негеномные (быстрые) эффекты объясняются наличием ЭР, локализованных на цитоплазматиче-ской мембране клеток в специальном углублении -кавеоле. ЭР крепятся к мембране с помощью остатков пальмитиновой кислоты [1].
A. Комплексы с агонистом, антагонистом и Е2. Гормоны показаны в связывающем пространстве. 12 спираль окрашена в цвет фуксии, главные цепи спиралей окрашены красным.
B. Агонист (зеленый) в LBD полностью занимает лиганд-связывающую полость. Помечены AJ кольцо агониста и остатки аминокислот. Атомы углерода Met-421 цвета фуксии, атом серы желтый.
C. Антагонист (красный) и LBD. Конформация кольца В Met-421 принимает другую конформацию, по сравнению с агонистом.
Рисунок 3. Сравнение конформаций LBD в комплексах с разными лигандами [25]
Локализация эстрогеновых рецепторов и их функции
ЭР находятся во многих тканях организма человека и выполняют различные функции.
Разнообразие клеток костной ткани затрудняет возможности локализовать рецепторы и объяснить их функции. Установлено, что стимуляция ЭР повышает синтез ТФР-Р (трансформирующего фактора роста-Р), ингибирующего функции остеокластов и
снижает образование лизосомальных ферментов, что замедляет резорбцию кости. ЭР-а останавливают минерализацию костной ткани остеобластами, тогда как ЭР-Р - стимулируют.
Локализация и функции ЭР в ЦНС многообразны и обусловлены как геномными, так и негеномными эффектами. Вот немногие из них: модуляция эстрогенами серотонинергического и адренергического тонуса определяет влияние эстрогенов на настроение
и поведение женщин в климактерическом периоде, на когнитивные способности (лимбическая система) [24]. ЭР контролируют транскрипцию белков, поддерживающих жизнедеятельность, развитие и активность нейронов (нейротрофинов) и их рецепторов; нейротрофины, в свою, очередь могут активировать ЭР в отсутствие эстрогенов [19; 35]. Есть предположение о локализации рецепторов в вентромедиаль-ных ядрах гипоталамуса (ядра голода), действие эстрогенов на них снижает аппетит.
В эндотелиоцитах обнаружены оба типа рецепторов. Их стимуляция ведет к активации NO-синтазы, следовательно, образованию NO, что ведет к кратковременному расширению просвета сосуда (негеномный эффект) [14].
Эстрогены снижают уровни липопротеинов низкой плотности (ЛПНП) и липопротеина (а), повышают уровни липопротеинов высокой плотности (ЛПВП) [34]. Эстрогены снижают уровни синтеза молекул адгезии сосудистых клеток (VCAM), молекул адгезии воспалительных клеток (ICAM), что препятствует внедрению провоспалительных клеток в стенку сосуда. Все это обусловливает замедление атеросклеротических процессов [16]. Кроме того, снижается образование металлопротеиназ, а значит и замедляется процесс ремоделирования сосудов [12, 30, 31].
Практически во всех клетках эпидермиса обнаружены эстрогеновые рецепторы. В большинстве структур кожи ЭР-ß доминируют над ЭР-а [21]. Стимуляция ЭР подавляет апоптоз кератиноцитов путем экспрессии антиапоптического белка Bcl-2 [11]. Негеномные эффекты реализуются за счет активации протеинкиназы А и цАМФ-пути. Эстрогены не совсем понятным образом подавляют деградацию коллагена; известно, что при нарушении его деградации увеличивается толщина кожи и ее эластичность, а также улучшается гидратация [15]. Примечательно, что ЭР-а расположены обособленно от ЭР-ß и андро-генных рецепторов в сальных железах [26]. Эстрогены снижают продукцию кожного сала и количество сальных желез, что применяется в лечении акне. ЭР-ß в большом количестве обнаружены в клетках волосяных фолликулов, их стимуляция вызывает активацию роста волос. Таким образом, эстрогены, опосредуя свои эффекты через ЭР обоих типов, замедляют старение кожи [6].
Последние исследования функций ЭР в ЖКТ показывают, что эстрогены (преимущественно за счет
ЭР-Р) увеличивают всасывание воды и ионов натрия в толстой кишке [20], что вызывает уменьшение объема и увеличение жесткости каловых масс, это приводит к недостаточной стимуляции механорецепто-ров кишки и к запору [36].
В гладкомышечных клетках, эпителиоцитах стенки влагалища локализованы ЭР-а и -р. В эксперименте на мышах выявлено, что стимуляция этих рецепторов вызывает образование отверстия влагалища и активирует процесс ороговения эпителия [22]. У человека снижение активности эстрогенов или их рецепторов влечет за собой уменьшение толщины эпителия и повышение рН, что вызывает активацию микрофлоры [38].
Исследование ЭР позволяет оценить потенциальную способность эндометрия к имплантации плодного яйца. Снижение экспрессии ЭР ведет к развитию простой железистой гиперплазии эндометрия с кистозными изменениями желез.
У мужчин ЭР обнаружены в простате и яичках (оба типа рецепторов). Точное назначение эстрогенов в мужском организме мало изучено, но есть предположение, что эстрогены участвуют в развитии и созревании спермы, следовательно, они могут влиять на мужскую фертильность. Отмечено снижение либидо у мужчин с низкими значениями эстрогенов. В простате стимуляция ЭР-а способствует гиперплазии железы (вероятно, ЭР- а играют роль в дифференци-ровке эпителиальных клеток в неонатальном периоде), но активация ЭР- Р в простате блокирует негативные последствия активности ЭР-а [17].
ЭР локализуются в эпителии альвеол, протоков, фибробластах молочной железы. Причем всего 710% нормальных клеток должны иметь рецепторы. Эстрогены оказывают влияние на рост молочной железы в пубертатном периоде. Повышение концентрации эстрогенов ведет к увеличению размеров молочной железы (в том числе злокачественному), пигментации ареолы [37].
Установлено, что в жировой ткани экспрессиру-ются ЭР-р. Основной эффект - регуляция активности липопротеинлипазы - главного фермента регуляции накопления триглицеридов в адипоцитах. В жировой ткани бедер и ягодиц расположено больше всего рецепторов, там же активность ЛП-липазы выше. Накопление жиров необходимо для нормального течения беременности и в период лактации [33].
ЭР- Р обнаружены в немелкоклеточном раке легкого [32].
Список литературы:
1. Acconcia F., Ascenzi P., Fabozzi G. et al. S-palmitoylation modulates human estrogen receptor-a functions. //Bio-chem Biophys Res Comm 2004. Vol.316. р.878—883.
2. Allan G.F., Tsai S.Y. et al. Ligand-dependent conformational changes in the progesterone receptor are necessary for events that follow DNA binding. Proc Natl Acad Sci — USA 1992;89 —р. 11750—11754.
3. Bagchi M.K., Elliston J.F., Tsai S.Y. et al. Steroid hormonedependent interaction of human progesterone receptor with its target enhancer element. // Mol Endocrinol 1988. Vol 2. р.1221—1229.
4. Bagchi M.K., Tsai S.Y., Tsai M.J. et al. Identification of a functional intermediate in receptor activation in progesterone-dependent cell-free transcription. // Nature 1990. Vol. 345. р.547—550.
5. Brzozowski A. , A. Pike, Z. Dauter, R. Molecular basis of agonism and antagonism in the oestrogen receptor. //Nature, 1997.Vol.389. p.753-758
6. Cosmetics Design Europe. [Электронный ресурс]. —Режим доступа: www.cosmeticsdesign-europe.com/news. March 2007.
7. Feng W. , R.C. Ribeiro, R.L. Wagner, H. Hormone-dependent coactivator binding to a hydrophobic cleft on nuclear receptors. //Science, 1998. Vol.280. p. 1747-1749.
8. Frasor J., Barnett D.H., Danes J.M. et al. Response-specific and ligand dose-dependent modulation of estrogen receptor (ER) alpha activity by ER beta in the uterus. //Endocrinology 2003. Vol.144. p.3159—3166.
9. Giangrande P.H., McDonnell D.P. The A and B isoforms of the human progesterone receptor: two functionally different transcription factors encoded by a single gene. Rec Prog Hormone Res 1999;54. P.291—314.
10. Horwitz K.B., Jackson T.A., Bain D.L. et al. Nuclear receptor coactivators and corepressors. //Mol Endocrinol 1996. Vol.10.p.1167—1177.
11. Kanda N, Watanabe S. 17-ß-estradiol inhibits oxidative stress-induced apoptosis in keratinocytes by promoting Bcl-2 expression. //J Invest Dermatol 2003. Vol.121. p.1500-1509.
12. Koh K.K., Shin M.-S., Sakuma I., et al. Effects of conventional or lower doses of hormone replacement therapy in postmenopausal women. //Artheroscler Thromb Vasc Biol 2004. Vol.24. p.1516-1521.
13. Kumar V., S. Green, G. Stack, M. Berry. Functional domains of the human estrogen receptor. //Cell. 1987. Vol.51. p.941-951
14. Li L., Haynes M.P., Bender J.R. Plasma membrane localization and function of the estrogen receptor a variant (ER46) in human endothelial cells. //Proc Natl Acad Sci. USA. 2000. Vol.97. p.5930—5935.
15. Mahonen A, Jukkola A, Risteli L, Risteli J, Maenpaa PH. Type I procollagen synthesis is regulated by steroids and related hormones in human osteosarcoma cells. //J Cell Biochem. 1998. Vol.68. p.151-163.
16. Manson J.E., Allison M.A., Rossouw J.E., et al. WHI and WHI-CACS Investigators. Estrogen therapy and coronary-artery calcification. //N Engl Med 2007. Vol.356. p.2591-2602.
17. McPherson SJ, Ellem SJ, Simpson ER. Endocrinology 2007 Vol. 148, No.2. p.566-574
18. O'Malley B.W., Tsai S.Y., Bagchi M. et al. Molecular mechanism of action of a steroid hormone receptor. Rec Prog Hormone Res 1991. Vol.47. p.1—26.
19. Osterlund MK, Keller E, Hurd YI. The human forebrain has discrete estrogen receptor alpha messenger RNA expression: high levels in the amygdaloid complex.// Neuroscience 2000. Vol.95. p.333-42.
20. Parry E, Shields R, Turnbull AC. The effect of pregnancy on the colonic absorption of sodium, potassium and water. J Obstet Gynaecol Br Commonw 1970. Vol.77 (7). p.616-619
21. Pelletier G, Ren L. Localization of sex steroid receptors in human skin. //Histol Histopathol 2004. Vol.19(2).p.629-636.
22. Rao K.S., Zanotti, S., Reddy, A.G., Rauch, F. Estradiol regulated programmed cell death in rat vagina: terminal differentiation or apoptosis? // Cell Biol. Int. 22. - 1998. -P. 105-113.
23. Schwabe J.W.R., Chapman L., Finch J.T. et al. The crystal structure of the estrogen receptor DNA-binding domain bound to DNA: how receptors discriminate between their response elements. //Cell 1993. Vol.75. p.567—578.
24. Scobie GA, Macpherson S, Millar MR, et al. Human oestrogen receptors: differential expression of ER alpha and beta and the identification of ER beta variants. //Steroids 2002. Vol.67. p.985-88.
25. Tanenbaum D.M. , Y. Wang, S.P. Williams, P.B. Sigler. Crystallographic comparison of the estrogen and progesterone receptor's ligand binding domains. //Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1998. Vol.95. p.5998-6003
26. Thornton MJ, Taylor AH, Mulligan K. The distribution of estrogen receptor beta is distinct to that of estrogen receptor alpha and the androgen receptor in human skin and the pilosebaceous unit. //J Invest Dermatol Symp Proc 2003.Vol.8.p.100-103.
27. Tzukerman M.T., Esty A., Santiso-Mere D. et al. Human estrogen receptor transactivational capacity is determined by both cellular and promoter context and mediated by two functionally distinct intramolecular regions. //Mol Endocrinol 1994.Vol.8.p.21—30.
28. Weihna Z., Andersson S., Cheng G. et al. Update on estrogen signaling. //FEBS Lett 2003.546. p. 17—24
29. Williams S.P., Sigler F.B. Atomic structure of progesterone complexed with its receptor. //Nature 1998. Vol.393. p.392—396.
30. Writing Group for the PEPI Trial. Effects of estrogen or estrogen/ progestin regimens on heart disease risk factors in postmenopausal women: The Postmenopausal Estrogen/Progestin Interventions (PEPI) Trial.// J Am Med Assoc 1995; 273. p.199-208.
31. Zanger D., Yang B.K., Ardans J., et al. Divergent effects of hormone therapy on serum markers of inflammation in postmenopausal women with coronary artery disease on appropriate medical management. //J Am Coll Cardiol. 2000. Vol.36. p.1797-1802.
32. Давыдов М.И., Богуш Т.А., Полоцкий Б.Е., Тюляндин С.А. //Вестник Российской академии медицинских наук. -2012 - № 2.- С. 17.
33. Сметник В.П. Половые гормоны и жировая ткань. - [Электронный ресурс]: krsk.sibnovosti.ru/health/ 105010-polovye- gormony-i-zhirovaya-tkan. 2010
34. Сметник В.П. Сердечно-сосудистая система в климактерии. Медицина климактерия под ред. В.П.Сметник. -Ярославль: Литера, 2006. - С. 438-569.
35. Сметник П.В., Ильина Э.М. Эстроегны и центральная нервная система. //Фарматека. 2013. № 3. С. 8-9.
36. Успенская Ю.Б. Актуальные проблемы акушерства. Том 14 выпуск 5. С. 69.
37. Шайкина А.С., Рыжавский Б.Я., Беков С.В.. Иммуногистохимический анализ рецепторов к эстрогенам в молочных железах в норме и при некоторых патологических процессах. //Дальневосточный медицинский журнал. 2012. № 4. С.48-50.
38. Шурыгина О.В. Эстроегновые рецепторы в тканях стенки влагалища млекопитающих // Фундаментальные исследования. 2013. № 3-1. С.181-183.
