CC BY
118
Биомедицина • № 1, 2010, С. 5—16
8 ОБЗОРЫ
Роль ядерных рецепторов в регуляции биотрансформации ксенобиотиков
С. II. Ларина, И. В. Игнатьев, Н. В. Чебышев, В. Г. Кукес
Московская медицинская академия им. И. М. Сеченова, Институт клинической фармакологии ФГУ НЦЭСМП, Москва
Контактная информация: e-mail: elmed@yandex.ru
Изучение генетической регуляции ферментов, участвующих в метаболизме и выведении лекарств и ксенобиотиков, представляет большой интерес для понимания молекулярных механизмов ответа на лекарства. Гидрофобные лиганды и ряд ядерных рецепторов участвуют в индукции раз-личных ферментов и транспортеров I, II и III фазы метаболизма ксенобиотиков. Ядерные рецепторы являются лиганд-активируемыми транскрипционными факторами. Эти белки модулируют регуляцию целевых генов, взаимодействуя с их промоторными или энхансерными последовательностями в специфических участках. Целевыми генами являются ферменты метаболизма, такие как цитохромы Р450 (СУР), транспортеры и ядерные рецепторы. Лиганд активируемые ядерные рецепторы играют важную роль в процессе восприятия токсических веществ, включая лекарства, вещества, загрязняющие окружающую среду и компоненты питания. Ключевым регулятором экспрессии СУРЗА, мета-болизирующего более 50 процентов лекарств у млекопитающих, является РХВ. ядерный рецептор. Сравнение аминокислотных последовательностей лигапд-связывающих доменов РХР различных видов животных выявило необычно широкую дивергенцию у ортологичных рецепторов. Эти различия объясняют видовую специфичность в индукции Р450 под действием различных лекарств.
Ключевые снова: биотрансформация, цитохром Р450, ядерные рецепторы, видовые различия.
Изучение генетической регуляции ферментов метаболизма ксенобиотиков и белков-транспортеров является важной и актуальной проблемой молекулярной фармакологии и токсикологии.
За последние годы накоплена информация о структуре и функции генов, кодирующих белки семейства цитохрома ?450 {20]. Геномы млекопитающих содержат по меньшей мере 17 семейств таких генов. Члены этих семейств кодируют от 50 до 80 различных белков у
разных видов [ 15]. У человека обнаруживают 57 генов Р450 и 19 псевдогенов. Четыре генных семейства, а именно СУР1, СУР2, СУРЗ и СУР4\ кодируют специфические ферменты печени, которые помимо своих основных эндогенных субстратов метаболизируют практически весь спектр ксенобиотиков (лекарства, токсины и пр.), попадающих в челове-
1 Поскольку гены и кодируемые ими белки носят одни и те же названия, в тех случаях, когда речь идет о гене, название напечатано курсивом.
ческий организм. Данные гены имеют сложные и многоуровневые механизмы регуляции. Им свойственна тканеспеци-фическая экспрессия, регуляция эндогенными гормонами и цитокинами, индукция различными ксенобиотиками. Многие индукторы способны повышать содержание белков суперсемейства цитохрома Р450 за счет изменения уровня транскрипции соответствующих генов. Подобная индукция является основным регулятором CYP Р450-зависимого метаболизма [2]. Главную роль в биотрансформации ксенобиотиков и лекарственных средств играют члены подсемейства CYP3A. Ферменты, кодируемые генами данной группы, метаболизируют большинство известных лекарственных средств (ЛС).
Значительный прогресс в понимании механизмов индукции ферментов биотрансформации ксенобиотиков и лекарств был достигнут сравнительно недавно, когда была показана важная роль ядерных рецепторов, особенно прегнан X рецептора (PXR) и конститутивного андростанового рецептора (CAR). Эти рецепторы являются членами суперсемейства лиганд-активируемых ядерных транскрипционных факторов. Ядерные рецепторы распознают специфические последовательности в промоторах или энхансерах генов-мишеней и модулируют экспрессию генов, участвующих в биотрансформации.
Индукция ферментов семейства CYP3A
Более 30 лет назад было установлено, что под воздействием ряда токсических агентов, включая синтетический стероид PCN, происходит активация защитного ответа организма, включающая в себя экспрессию определенных изоформ цитохрома Р450 [21]. PCN-индуцируемый
цитохром был выделен из клеток крыс, очищен и изучен. Этот фермент значительно отличался от известных на тот момент изоформ цитохрохма Р450. Анализ ДНК данного белка, получившего название CYP3A23, показал, что он является представителем нового генного семейства [7]. В настоящее время известно, что экспрессия гена CYP3A23 крысы может быть индуцирована широким спектром веществ, включая стероиды, дек-саметазон, бетаметазон, гидрокортизон, а-метилпреднизолон, мифепристон, де-гидроэпиандростерон, спиронолактон, триацетилолеандомицин (антибиотик), клотримазол, полихлор бифенилы, хло-рорганические пестициды, никардипин (антагонист кальциевых каналов), мети-рапон (ингибитор 11-В-гидроксилазы), фенобарбитал и пр.
У человека гомолог CYP3A23 крысы представлен геном CYP3A4. Его продукт вовлечен в окислительный метаболизм многих веществ, включая большую часть известных ЛС, и в количественном отношении является главным цитохромом, синтезируемым в печени. Индукция данного гена широким спектром ксенобиотиков подтверждена экспериментально. Этот процесс лежит в основе клинически важных лекарственных взаимодействий, а потому привлекает к себе значительное внимание. Хотя первоначально повышение активности CYP3A было выявлено в экспериментах in vivo, при воздействии на пациента различных ЛС (дексаметазона, триацетилолеандо-мицина и рифампицин), большинство индукторов экспрессии гена CYP3A4 выявлено с использованием первичной культуры гепатоцитов человека {in vitro)
[24]. Одним из наиболее сильных активаторов как in vivo, так и in vitro, оказался макролидный антибиотик рифампи-
цин [14]. Как и в случае гомологичного гена крысы СУРЭА23, экспрессия . ена СУРЗА4 индуцируется стероидами, включая дексаметазон, спиронолактон и ципротеронацетат [14]. Также индукто-?ами СУРЗА4 являются многие ЛС: кло-гримазол (фунгицид), фенобарбитал, фенитоин, фенилбутазон, сульфидими-ига, омепразол, лансопразол, метирапон л пр. [14].
Принципиально важно, что пред-::авители подсемейства СУР ЗА обладают видоспецифичными спектрами индукторов. Например, экспрессия генов ГУРЗА4 человека и СУРЗА6 кролика динаково сильно активируется рифам-ггнцином, тогда как ген СУРЗА23 крысы довольно слабо индуцируется этим ЛС .4]. Напротив, РСЫявляется эффектив--ым индуктором гена СУРЗА23 крысы, -о довольно слабым - для генов СУРЗА4 человека и СУРЗА6 кролика. Эти данные :вндетельствуют о существовании важных видоспецифических различий в ра-:>те рецепторов, которые в ответ на воздействие ксенобиотиков индуцируют жспрессию генов подсемейства СУРЗА.
Несмотря на важность цитохро-1 Р450, система биотрансформации и введения ксенобиотиков, сформировавшаяся в процессе эволюции, включает в себя и белки-транспоргеры (АТФ-: ависимые мембранные транспортеры),
• . торые «выбрасывают» молекулы ток-лгческих веществ из клеток, и ферменты : ;:отрансформации, осуществляющие : :>дификацию липофильных соединений (II фаза метаболизма), приводящую
• повышению их гидрофильности и де-Т1ющую их доступными для мочевой :->:скреции. Исследования обеих фаз ме-7-болизма ксенобиотиков, а также их -секреции привели к выявлению слож-
- ой сети ядерных и стероидных рецепто-
ров, которые обладают общими индукторами, сходными ДНК-связывающими доменами и взаимодействуют с одними и теми же генами.
Ядерные рецепторы
За последние десять лет была выявлена целая группа белков (так называемые «орфан»-рецепторы), которые являются важными регуляторами процесса биотрансформации. В их числе: PXR-рецептор (регулирует ряд процессов, протекающих при беременности), CAR-рецептор (участвует в процессе андро-генеза), AhR-рецептор (запускает каскад реакций под воздействием ароматических углеводородов), PPARa-рецептор (триггерный белок-переключатель), GR-рецептор (глюкокортикоидный рецептор), VDR-рецептор (рецептор витамина D) и многие другие. Эти рецепторы синтезируются в различных тканях и органах, участвующих в метаболизме и выведении ксенобиотиков, они обеспечивают молекулярную передачу сигналов непосредственно в клеточное ядро. В ядре такие сигналы (молекулы), взаимодействуя с регуляторными участками соответствующих генов, индуцируют (или модифицируют) их экспрессию.
Ядерные рецепторы обычно характеризуются наличием ДНК-связывающего домена типа «цинковые пальцы» (DBD) и С-концевого лиганд-связывающего домена (LBD). Сравнение аминокислотных последовательностей выявило высокое межвидовое сходство PXR-, CAR- и V DR-рецепторов. В то время как DBD-домены являются высоко консервативными, в структуре LBD-доменов наблюдаются различия, которые, по-видимому, и обеспечивают наблюдаемые видовые особенности метаболизма ксенобиотиков.
Уже изучены основные механизмы индукции экспрессии генов цитох-ромов Р450 ксенобиотиками. Ведущая роль в этих процессах принадлежит трем «орфан»-рецепторам - CAR, PXR и PPARa (табл. 1), которые участвуют в индукции экспрессии генов, принадлежащих к семействам CYP2, CYP3 и CYP4 [19]. В ответ на воздействие соответствующих сигнальных веществ (фенобарбитал для CAR-рецептора, прегненолон-ба-карбонитрил и рифампицин для PXR-рецептора и клофибриновая кислота для PPARa-рецептора) происходит их активация. Все эти рецепторы принадлежат к так называемом)' семейству ядерных рецепторов 1 (NR1). Они диме-ризуются с одним и тем же белком - RXR-рецептором. Образующийся комплекс перекрестно взаимодействует с широким спектром прочих внутриклеточных сиг-
нальных систем. Проведенные исследования позволяют предположить, что основной функцией этих рецепторов является регуляция активности цитохромов Р450 в печени, в ответ на воздействие ксенобиотиков или эндогенных метаболитов. Поэтому ксенобиотики в ряде случаев могут вызывать нарушения эндогенной регуляции с соответствующими патофизиологическими последствиями.
Структура PXR-рецептора
Все ядерные рецепторы обладают сходными структурными элементами: высоко вариабельным N-концевым доменом, центральным ДНК-связывающим доменом (DBD) и терминальным С-концевым доменом (LBD), отвечающим за взаимодействие с лигандами [6, 16]. Высоко консервативный DBD-домен состоит из примерно 70 аминокислотных остатков,
Таблица 1
Взаимодействие лигандов с ядерными рецепторами и их действие на ферменты биотрансформации лекарств (Фаза I и II) и АВС-транспортеры (Фаза III) [19]
Лиганд Ядерный рецептор Распознаваемый ДНК-элемент Регулируемый ген
Фаза 1 Фаза 2 Фаза 3
Ксенобиотики Фенобарбитал CAR DR-3, DR-4, DR-5, SR-6, ER-6 СУР2А6(+) CYP2B1(+) CYP2B6(+) CYP2C9(+) CYP2C19(+) UGT1A1 (+) ABCC2(+) ABCC3(+) ABCC4(+)
Ксенобиотики Стероиды SXR/PXR DR-3, DR-4, DR-5, ER-6, ER-8 CYP1A2(+) CYP2B6(+) CYP2C9(+) CYP2C19(+) CYP3A4(+) CYP3A7 CYP7A1(-) CYP3A(+) SULT2A1 (+) UGT1A1(+) UGT1A3(+) UGT1A4(+) ABCA1 (+) ABCB1(+) ABCB11(+) ABCC1(+) ABCC2(+) ABCC3(+) ABCG2(+)
Жирные кислоты Фибраты PPARa DR-1 CYP4A1 (+) CYP4A3(+) CYP7A UGT1A9(+) UGT2B4(+) ABCA1 (+) ABCC2(+) ABCD2(+) ABCD3(+)
формирующих два «цинковых пальца», '-'лждый «цинковый палец» образован четырьмя остатками цистеина, которые свя :ываются с одним атомом цинка. Т.ВО-домен содержит около 250 аминокислот, гго пространственная структура образует своеобразный гидрофобный «карман», в •втором происходит связывание лиганда. Помимо этого, ЫЮ-домен также содержит фрагменты, отвечающие за димеризацию,
- также участок, активирующий транс-
• глпцию генов-мишеней, так называемую --г-2-спираль (она располагается на самом конце домена) [6]. Когда происходит свя-: звание лиганда, АБ-2-спираль претерпевает конформационное изменение. Б тезультате такой активации рецептор способен связываться с соответствующими
етками-коактиваторами и инициировать “танскрипцию. Ы-концевой домен ядер--чых рецепторов высоко вариабелен как по ;~ше, так и по аминокислотному сос таву. Для более полного понимания эволю-л и биологической функции ядерных тецепторов подобные структуры изучались у различных видов. Проводился лнализ гомологии ЫЮ-доменов. Было _: казано, что все ядерные рецепторы "тадают общностью происхождения от
- екой исходной структуры с последующей эволюционной дивергенцией [18].
Среди млекопитающих идентич-
- сть нуклеотидных последовательно-гтей 1ЛЮ-домена совпадает не более чем
т 75%, что является необычно низким значением для ортологичных ядерных тецепторов. Нуклеотидные последовательности, кодирующие 1Ж)-домены терных рецепторов курицы и рыбы, :еют 49% и 52% гомологии с аналогич-ной последовательностью гена РХ11 че-:: зека и 54% и 44% гомологии с геном ГАД человека соответственно. Этот уро-? ень гомологии сопоставим с различия-
ми между самими генами PXR и CAR у млекопитающих. Построение дендрограммы на основании структур LBD-последовательностей показало, что PXR-рецепторы обезьяны, свиньи и собаки могут быть выделены в отдельную группу [18]. LBD-домены ядерных рецепторов этих видов показывают наибольшую степень гомологии с LBD-доменом PXR-рецептора человека (96%, 87% и 83% соответственно). Это позволяет предположить существование большего сходства в профилях активации PXR-рецепторов этих трех видов и человека по сравнению с другими видами животных.
DBD-домены PXR-рецепторов млекопитающих высоко консервативны и имеют гомологию аминокислотного состава более 95% [9].
В настоящее время для многих видов показано наличие генетического полиморфизма PXR-рецепторов. Различные изоформы возникают при альтернативном сплайсинге либо за счет существования альтернативных промоторов. Например, при сплайсинге внутри рамки считывания, приводящим к делеции 41 аминокислоты с N-конца LBD-домена PXR-рецептора мыши образуется изоформа PXR2, обладающая более узким диапазоном индукторов [13]. У человека был описан похожий вариант, в котором отсутствуют 37 аминокислот [4]. Второй, относительно редкий вариант PXR-рецептора человека, обозначенный hPAR2, возникает в результате добавления 39 аминокислот к N-концу PXR-рецептора. Пока неизвестно, как такая модификация влияет на его активность.
Недавно была описана структура гена PXR человека [8]. Он располагается на 3 хромосоме (локус 3ql3-21), состоит из 10 экзонов и 9 интронов и имеет размер около 30 т.п.н. Первые два экзона транс-
крибируются только при синтезе изоформы ЬРА112.
Регуляция работы РХЕ-рецептора
В исследованиях на клеточных моделях было показано, что из всех известных ядерных рецепторов РХИ-рецешоры активируются самым широким спектром веществ. РХИ-рецепторы человека и макаки резуса имеют сходные профили активации вследствие их высокой гомологии (96%). Профиль активации РХЛ-рецептора кролика также похож на таковой у приматов, за редким исключением. РХЛ-рецепторы собаки и свиньи обладают такими же широкими спектрами индукторов, как и РХК-рецепторы других млекопитающих. РХЯ-рецепторы различных видов животных (за исключением рыб) проявляют высокое сродство не только к ксенобиотикам, но также и к различным стероидам, включая желчные кислоты.
Исследования, проведенные на РХЯ-рецепторе мыши, показали эффективную активацию как классическим индуктором СУРЗА РСЫ, так и антиглю-кокортикоидами [13]. Эти данные позволили предположить, что РХИ-рецептор играет важную роль в регуляции активности СУРЗА. Между тем, хотя РСМ и является эффективным активатором РХ11-рецепторов у мышей и крыс, он в значительно меньшей степени способен активировать аналогичные структуры у кролика и человека. Напротив, рифампицин хорошо активирует РХИ-рецепторы человека и кролика, но практически не активирует их у мышей и крыс [9]. При этом профили активации РХК-рсцепторов пересекаются с профилями индукции СУРЗА [9, 14]. Эти данные подтверждают гипотезу о том, что РХР-рецептор служит ключевым регу-
лятором экспрессии генов семейства СУРЗА, а также, что именно особенности работы PXR-рецепторов определяют профили индукции СУРЗА белков.
Спектр веществ, являющихся активаторами PXR-рецептора, постоянно расширяется, в том числе за счет ЛС (табл. 2)
[12]. Среди ксенобиотиков, которые активируют PXR-рецепторы, известны такие индукторы системы СУРЗА, как ме-тирапон, клотримазол, фенобарбитал, спиронолактон и транснонахлор. Также активаторами PXR-рецепторов являются: нифедипин (блокатор кальциевых каналов), ритонавир (ингибитор ВИЧ про-теазы), таксол (цитостатик), тамоксифен и 4-гидрокситамоксифен, троглитазон, ловастатин, дифенол А, диэтилгексил-фталат, нонилфенол и пр. [12].
Недавно сообщалось об открытии первого ингибитора PXR-рецептора. Мощный цитостатик эктеинасцидин-743 (ЕТ-743) блокирует его работу (как следствие, прекращается индукция генов CYP3A4 и MDR1) в опытах in vitro [22].
Механизм взаимодействия PXR-рецептора с генами-мишенями
Ядерные рецепторы регулируют транскрипцию целевых генов путем связывания со специфическими фрагментами ДНК. Члены подсемейства NR1, которое включает в себя PXR-рецепторы, функционируют в виде гетеродимеров с RXR-рецептором и связываются с участком ДНК, состоящим из двойной последовательности AG(G/T)TCA [15].
Необходимость RXR-рецептора как обязательного партнера димеризации для PXR-рецептора была продемонстрирована в экспериментах in vitro на мышах, когда выключение гена RXR приводило к прекращению прохождения сигнала через PXR-рецептор [23]. А воздействие
Таблица 2
Действие лекарств на РХИ человека [12]
Лекарственное средство Терапевтическое применение
Клотримазол Противогрибковое
-ипротерона ацетат Антиандрогенное
Дексаметазон П ротивовоспал ител ьное
Глютетимид Седативное
—"идрокситамоксифен Противораковое
Ловастатин Понижающий уровень холестерола
Метирапон Для диагности-
ки заболевания
.'фепристон (Р111486) Абортивное
Нифедипин Антиангинальное
Пактитаксел Противораковое
Фенобарбитал Противосудорожное, седативное
Рифампицин Антибиотики
Ритонавир Ингибитор про-теазы ВИЧ
Гиперфорин Антидепрессанты
Спиронолактон Антигипертензивное
Тамоксифен Противораковое
Троглитазон Противодиабетическое
;е:<саметазона, повышая уровень экс-“тессии гена ЯХД человека, приводило : увеличению эффективности работы ;' -И-рецептора (количество гетеродиме-:: з РХШЮЖ возрастало). Таким обра-I. ЮС11-рецептор играет центральную :: ль в регуляции многих метаболиче-ллн путей. Поэтому его можно рассма-лт;гаать как еще один важный элемент и: нтроля РХЯ-опосредованной регуля-гена СУРЗА4, особенно в ситуации, а :ла концентрация КХЯ-рецептора яв-' -ется лимитирующим фактором.
Строение опознаваемой последова--¿льности (взаимная ориентация повто-: ? и расстояние между ними) опреде-
ляет, какие именно гетеродимеры могут с ней связываться. Например, гетеродимеры ЮЖ-рецептора с УВЯ-рецептором.срецепторомтиро-идного гормона и с РХЛ-рецептором связываются с последовательностью, состоящей из двух прямых повторов со спейсерным участком в 3-5 п.н. [15]. Гетеродимер РХР/РХИ также связывается с последовательностью ОК-З, входящей в состав промоторов генов СУРЗА23 и СУРЗА2 [20] и в состав энхансера гена СУРЗА4, а также с последовательностью ЕБ.-6 промотора гена СУРЗА4.
РХ11-рецептор способен взаимодействовать с целым рядом регуляторных последовательностей (ЕЯ6, ВИЗ и ОЯЗ и пр.) в генах суперсемейства цитохромов Р450 у разных видов.
Кроме последовательностей СИЗ, 1Ж4 и ЕЯ6, гетеродимер РХК/КХР способен связываться с последовательностью 011-5, входящей в состав промоторных областей ряда генов (различные члены семейства СУЯ2В [25], МШ1 [5]), а также с последовательностью ЕК-8, расположенной в 5-концевом участке гена МНР2
[10]. Таким образом, комплекс РХЯ/ЯХР. способен связываться с регуляторными элементами различного строения. Интересно, что РХК/КХК- комплекс не формируется без активации веществами, которые связываются с ЯХИ-компонентом гетеродимера.
С другой стороны, у крысы ксенобиотики, индуцирующие СУРЗА, являются также одновременно индукторами и лигандами РХЯ-рецептора. Предстоит выяснить, является ли этот механизм частным примером или он носит общий характер. Если подобная
система регуляции существует и у человека, она может вызывать различные лекарственные взаимодействия. Например, при комбинированной терапии ВИЧ-инфицированных пациентов ингибиторами ВИЧ-протеазы (ритонавир, субстрат СУРЗА4) и противотуберкулезными ЛС (изониазид, рифампицин).
Любопытно также то, что некоторые индукторы СУРЗА также являются индукторами гликопротеина Р, кодируемого геном МОК 1, что объясняют наличием общих регуляторных последовательностей в промоторах данных генов [5].
Генетический полиморфизм РХЯ-рецептора
Уровень экспрессии СУРЗА4 в печени разных людей может различаться в 50 и более раз, что вызывает значительную индивидуальную вариабельность метаболизма ЛС [ 101. Немалая часть этих различий является следствием генетического полиморфизма. Для гена СУРЗА4 на настоящий момент не описано ни одного полиморфного варианта, который бы встречался с частотой, достаточной для объяснения широкой фенотипической вариабельности. Из этого было сделано предположение, что такая вариабельность может быть объяснена полиморфизмом гена РХК. Для данного гена уже описано около 40 однонуклеотидных замен, из которых семь приводят к аминокислотным заменам в последовательности белка. Из этих семи замен четыре (111220, У140М, 0163С и А370Т) были ассоциированы с изменением ответа на рифампицин. Однако частота минорного аллеля каждого из этих полиморфизмов была меньше 2%, что также не позволяет использовать их для объяснения широкой фенотипической вариабельности лекарственного метаболизма [12].
Роль РХЛ-рецептора в биотрансформации ксенобиотиков и лекарств
Идентификация и характеристика РХЯ-рецептора была важным событием в изучении системы защиты организма от воздействия ксенобиотиков [13]. Экспрессия гена РХД индуцируется большим числом эндогенных и экзогенных веществ, включая стероиды, антибиотики, противогрибковые вещества, желчные кислоты и антидепрессанты. Изучение трехмерной структуры ЬВО-домена РХК-рецептора показало, что он имеет большую сферическую лиганд-связывающую «полость», которая позволяет взаимодействовать с широким спектром гидрофобных веществ. Таким образом, в отличие от других ядерных рецепторов, которые имеют узкий спектр лигандов, РХК-рецептор выступает как общий сенсор для большого количества различных гидрофобных токсинов. РХИ-рецептор в составе гетеродимера с рецептором 9-цисретиноевой кислоты (МК2В) взаимодействует с регуляторными районами многих генов, контролирующих метаболизм ксенобиотиков. Опыты на трансгенных мышах подтвердили, что РХК-рецептор является регулятором экспрессии генов семейства СУРЗА [26]. Поэтому его активация различными ЛС создает молекулярную основу для лекарственных взаимодействий. Исследования, направленные на изучение работы РХК-рецептора, крайне важны при разработке новых ЛС.
Индукция экспрессии СУРЗА4 является основой лекарственного взаимодействия, при котором одно ЛС усиливает метаболизм другого. Большинство ЛС индуцируют СУРЗА4 через активацию РХЛ-рецепгора. К примеру, экстрактзве-
робоя вызывает ускорение метаболизма Л С, являющихся субстратами CYP3A4 и CYP2C9. Предположительно механизм этого процесса включает в себя участие PXR-рецептора. В опытах in vitro экстракт зверобоя действительно активировал PXR-рецептор. Анализ различных компонентов экстракта показал, что повышение активности PXR-рецептора обеспечивалось единственным компонентом - гиперфорином [17].
Тот факт, что PXR-рецептор является причиной лекарственного взаимодействия, имеет важное фармакологическое значение. Изначально выявление индукторов гена CYP3A4 осуществлялось на поздних стадиях разработки ЛС с использованием первичных культур гепатоцитов человека, поскольку имеющиеся животные модели недостаточно релевантны [1]. Такие тесты требуют больших временных и финансовых затрат, кроме того, их результаты плохо воспроизводятся, если материал берется из различных источников. Поскольку модификация экспрессии гена CYP3A4 происходит через PXR-рецептор, то исследования in vitro позволяют относительно быстро и недорого выяснять, взаимодействует ли данное ЛС с PXR-рецептором, причем результаты таких тестов хорошо воспроизводятся. Довольно большой список лекарств-кандидатов может быть быстро протестирован на взаимодействие с PXR-рецептором. В зависимости от результатов одни ЛС могут быть заменены другими, со сходным терапевтическим эффектом, но не взаимодействующими с PXR-рецептором. Например, троглитазон (препарат для терапии сахарного диабета) является сильным антагонистом PXR-рецептора [9]. У человека в случае лекарственно-
го взаимодействия он вызывает рез кий гепатотоксический эффект. По этой причине данный препарат был снят с продажи. Аналогичные по своим терапевтическим свойствам пиоглитазон и росиглитазон не взаимодействуют с PXR-рецептором и не проявляют этих вредных эффектов. Тест на взаимодействие с PXR-рецептором также быстро и недорого позволяет проверять препараты растительного происхождения и биодобавки на способность изменять экспрессию CYP3A4.
Связь PXR-рецептора с CAR-рецептором
Наиболее близким к PXR-рецептору является CAR-рецептор. Структуры DBD- и LBD-доменов этих двух рецепторов имеют приблизительно 70% и 50% гомологии соответственно [3]. CAR-рецептор запускает каскад биохимических реакций в ответ на воздействие фенобарбитала.
В неактивном состоянии CAR-рецептор локализуется в цитоплазме
[11]. Фенобарбитал активирует CAR-рецептор, способствуя его перемещению в ядро. Интересно, что фенобарбитал не активирует CAR-рецептор путем непосредственного связывания с его LBD-доменом. По-видимому, фенобарбитал воздействует на CAR-рецептор через опосредованный механизм, включающий фосфорилирование, поскольку ингибиторы фосфатазы блокируют его действие [11].
Исходно было показано, что CAR- и PXR-рецепторы контролируют работу генов CYP2B и CYP3A соответственно
[13]. Затем было обнаружено, что PXR-рецептор также способен регулировать гены CYP2B [25]. Перекрывание целевых генов для PXR и CAR-рецепторов распространяется не только на семей-
ства CYP2B и CYP3A. Также происходит совместная регуляция генов семейства CYP2C, генов GST-семейства, генов, кодирующих сульфотрансферазы, УДФ-глюкуронозилтрансферазы и гена MRP2
[25]. Все это позволяет предположить наличие своеобразной «функциональной избыточности» сигнальных путей CAR- и PXR-рецепторов.
PXR- и CAR-рецепторы имеют пересекающиеся спектры лигандов, однако у CAR-рецептора этот спектр уже, чем у PXR-рецептора. Это объясняется предположительно, особенностями строения LBD-домена.
Сенсоры ксенобиотиков являются частью сложной сети транскрипционных факторов [21]. Поэтому PXR и CAR-рецепторы способны в определенной степени компенсировать потерю или дефект функции друг друга, что может объяснить отсутствие четкого и однозначного фенотипа у PXR(-) и CAR(-) но-каутных мышей.
Выводы и перспективы
В обзоре рассмотрена роль ядерных рецепторов в защите организма от ксенобиотиков. Наибольшее значение имеет PXR-рецептор. Он регулирует гены подсемейства CYP3A, а также целую группу других генов, экспрессирующихся преимущественно в печени и кишечнике, продукты которых вовлечены в метаболизм и элиминацию потенциально токсичных веществ. Ген PXR активируется большим количеством различных
Список литературы
1. Barwick J. L., Quattrochi L С., Mills A. S.
el al. Trans-species gene transfer for analysis of glucocorticoid-inducibie transcriptional activation of transiently expressed human CYP3 A4 and rabbit CYP3A6 in primary cultures
веществ, включая ксенобиотики кие эндогенные метаболиты, как ; ные кислоты и стероиды. PXR-рец! является сенсором широкого СП веществ. Несмотря на то, что да белок является в некотором смысл разборчивым» рецептором, сущес-интересные различия в механизм индукции у различных видов ж ных. Поскольку основная функция рецептора — защита организма о ствия широкого спектра ксенобио он является причиной осложнени одновременном применении неско лекарственных средств. Устано что активация PXR-рецептора вы; целый класс опасных для жизни . ственных взаимодействий, при ко одно вещество усиливает метаб другого. Дальнейшее изучение ли] данного рецептора позволит от к; новые ЛС, не вызывающие лекар ные взаимодействия. Детальны) лиз пространственной структурь домена PXR-рецептора может поз в ближайшем будущем описывап ства того или иного лекарств средства еще до того, как оно буд тезировано и испытано. Это при' значительному повышению безе сти в процессе начальных стади нических исследований. Изучек мологичных рецепторов И Проф1' активации у различных видов жи позволит выявить наиболее ре. ные модели для изучения лекарст средств in vivo.
of adult rat and rabbit hepatocytes // К Pharmacology. 1996. Vol.50. P. 10-16.
2. Conney A. H. H Cancer Res. 198'
P 4875-4917.
3. Dotzlaw H., Leygue E., Watson phy L. Tire human orphan receptor PXI ger RNA is expressed in both nor
- roplastic breast tissue // Clin. Cancer Res. . 1999. Vol.5. P. 2103-2107.
■j 4. Elshourbagy N. A., Guzelian P. S. Separa-a zi n, purifi cation, and characterization of novel . nn of hepatic cytochrome P-450 from rats rsated with pregnenolone- 16a-carbonitrile // J. : :L Chem. 1980. Vol.255. P. 1279-1285.
[•
5. GeickA., Eichelbaum M., Burk O. Nuclear ’ -dceptor response elements mediate induction -atestinal MDR1 by rifampin // J. Biol. Chem.
• . i.Vol.276. P. 14581-14587.
o. Giguere V. Orphan nuclear receptors: from , r:~e to function 11 Endocr. Rev. 1999. Vol.20. [ ? 759-725.
7. Hardwick J. P., Gonzalez F. /., Kas-r-:~ C. B. Cloning of DNA complementary to . ^.^chrome P-450 induced by pregnenolone-
- i-carbonitrile. Characterization of its mRNA,
and induction response // J. Biol. Chem. •5. Vol.258. P. 10182-10186.
: Hustert E., Zibat A., Presecan-Siedel E. r. ¿1. Natural protein variants of pregnane X ~ - - -Ttor with altered transactivation activity v: ¿rd CYR3A4 II Drug Metab. Dispos. 2001. V: 29. P. 1454-1459.
- Jones S. A., Moore L. B., Shenk J. L. et al.
- r rregnaneX receptor: a promise uousxenobiotic : . --. -.or that has diverger during evolution // Mol. E -1 ooinol. 2000. Vol. 14. P. 27-39.
. . Kast H. JR., Goodwin B., Tarr P. T. et al.
■ ir-'ation of multidrug resistance associated ** :ein 2 (ABCC2) by the nuclear receptors . ¿r.ane X receptor, farnesoid X-activated
- - :ir:or, and constitutive androstane receptor // 5.;^. Chem. 2002. Vol.277. P. 2908-2915. Kawamoto T., Sueyoshi T., Zelko 1. et al. P: ;^:barbutal-responsive nuclear translocation :r t receptor CAR in induction of the CYR2B -Mol. Cell Biol. 1999. Vol. 19. P. 6318-
I. Kliewer et al. II Endocrine Rewies. 2002. «»i23{5). P. 687-702.
: Kliewer s. A., Moore J. T., Wade T. M. r An orphan nuclear receptor activated by ~~-~i--.es deft nes a novel steroid signaling . Cell. 1998.Vol.92. P. 73-82.
- Kocarec T. A., SchuetzE. G., Storm S. C. <er isL Comparative analysis of cytochrome
P4b03A induction in primary cultures of rat, rabbit, and human hepatocytes // Drug Metab. Dispos. 1995. Vol.23. P. 415-421.
15. MangelsdorfD. J., Evans R. M. The RXR heterodimers and orphan receptors // Cell. 1995. Vol.83. P. 841-850.
16. MangelsdorfD. J., Th ummel C., BeatoM. et al. The nuclear receptor superfamily: the second decade 11 Cell. 1995. Vol.83. P. 835-839.
17. Moore L. B., Parks D. ]., Jones S. A. et al. Orphan nuclear receptors constitutive androstane receptor and pregnan X receptor share xenobiotic and steroid ligands // ]. Biol. Chem. 2000. Vol.275. P. 15122-15127.
18. Moore L. Pregnane X receptor (PXR), constitutive androstane receptor (CAR) and Beuroate Receptor (BXR) defi ne three pharmacologically distinct classes of Nuclear Receptor// Mol. Endocrinol. 2002. Vol.16, №5. P. 977-986.
19. Nakata K., Tanaka Y., Nakano T. et al. Nuclear receptor mediated transcriptional regulation in Phase I, II and III xenobiotic metabolizing systems II Drug Metab. Pharmakokinet. 2006. Vol.21, №6. P. 437-457.
20. Nelson D. R., Koymans L., Kamataki T. etal. II Pharmacogeneticsl996. Vol.6. P. 1-42 .
21. Pascussi J., Jounaidi Y„ Drocourt L. et al. Evidence for the presence of a functional pregnane X receptor responsw element in the CYP3A7 promoter gene //Biorchemical and Biophysical Research Communications. 1999. Vol.260. P. 377-381.
22. Syttold T. W., Dussaultl., Forman В. M. Hie orphan nuclear receptor SXR coordinately regulates drug metabolism and effl ux // Nat. Med. 2001. Vol.7. P. 584-590.
23. Wan Y. U. Y., An D., Cai Y. et al. Hepatocyte-specifi c mutation establishes retinoid X receptor as a heterodimeric integrator of multiple physiological processes in the liver // Molecular and Cellular Biology. 2000. Vol.20. P. 4436-4444.
24. Watkins P. B., Wrighton S. A., Maurel P., et al. Tdentifi cation of an inducible form ol cytochrome P-450 in human liver 11 Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1985. Vol.82. P. 6310-3614.
25. Xie W., Barwick J. L., Simon C.M. et al.
Reciprocal activation of xenobiotic response genes by nuclear receptors SXR/PXR and CAR // Genes Dev. 2000. Vol. 14. P. 3014-3023.
26. Xie W., Barwick J. L., Downes M. el
al. Humanized xenobiotic response in mice expressing nuclear receptor SXR // Nature. 2000. Vol.406. P. 435-439.
Nuclear receptors in regulation of xenobiotic biotransformation
S. N. Larina, I. V. Ignatiev, N. V. Tchebyshev, V. G. Kukes
Studies of genetic regulation processes involved in xenobiotic metabolizing enzymes and drug transporters are of great interest to understand molecular mechanism of drug response. Hydrophobic ligands and several nuclear receptors are involved in the induction of various enzymes and transporters involved in Phase I, II and Ur xenobiotic metabolizing systems'. Nuclear receptors form a family of ligand-activated transcription factors. These proteins modulate the regulation of target genes interacting by promoter or enchancer sequences at specific recognition sites. These target genes include metabolizing enzymes, cytochrome P450 (CYP), transporters and nuclear receptors. Ligand activated nuclear receptors play essential role in sensing of xenobiotic substances including drugs, environment chemical pollutant and nutritional ingredients. PXR is a key regulator of CYP3A expression, metabolizing more 50% prescribed drugs in mammals. Amino add sequence comparison of the ligand binding domains of different PXR orthologs revealed an unusual high divergence. This divergence explains the species differences observed in P450 induction by different drugs.
Key words: biotransformation, cytochrome P450, nuclear receptors, species dilferencies.
