Πυρηνικός υποδοχέας

Στον τομέα της μοριακής βιολογίας, πυρηνικοί υποδοχείς είναι μια κατηγορία πρωτεϊνών που βρίσκονται στο εσωτερικό των κυττάρων. Οι πρωτεΐνες αυτές είναι υπεύθυνες για την ανίχνευση στεροειδών και θυροειδών ορμονών και κάποιων άλλων μορίων. Οι πυρηνικοί υποδοχείς λειτουργούν με άλλες πρωτεΐνες για να ρυθμίσουν την έκφραση συγκεκριμένων γονιδίων, ελέγχοντας έτσι την ανάπτυξη, ομοιόσταση, και το μεταβολισμό του οργανισμού.
Οι πυρηνικοί υποδοχείς έχουν την ικανότητα να προσδένονται άμεσα με το DNA και να ρυθμίζουν την έκφραση γειτονικών γονιδίων, και γι' αυτό αυτοί ταξινομούνται στους παράγοντες μεταγραφής.  Η ρύθμιση της έκφρασης ενός γονιδίου από πυρηνικούς υποδοχείς γενικά συμβαίνει μόνο υπό την παρουσία ενός συνδέτη (ligand) - μόριο που επηρεάζει τη συμπεριφορά του υποδοχέα -. Πιο συγκεκριμένα, ο συνδέτης συνδέεται με ένα πυρηνικό υποδοχέα διαμορφώνοντάς τον. Αυτό ενεργοποιεί τον υποδοχέα και οδηγεί στην αύξηση ή την μείωση της γονιδιακής έκφρασης.
Μία μοναδική ιδιότητα των πυρηνικών υποδοχέων που τα διαφοροποιεί από άλλες κατηγορίες υποδοχέων είναι η ικανότητά τους να αλληλεπιδρούν και να ελέγχουν άμεσα την έκφραση του γενωμικού DNA (γονιδιώματος). Κατά συνέπεια, οι πυρηνικοί υποδοχείς διαδραματίζουν βασικούς ρόλους στην εμβρυϊκή ανάπτυξη αλλά και στην ομοιόσταση ενηλίκων. Όπως θα συζητηθεί παρακάτω, οι πυρηνικοί υποδοχείς μπορούν να ταξινομηθούν σύμφωνα με το μηχανισμό ή ομολογία.

Κατανομή στα είδη

Οι πυρηνικοί υποδοχείς εντοπίζονται μόνο στα μετάζωα (ζώα) και δεν βρίσκονται σε πρώτιστα, φύκη, μύκητες, ή τα φυτά. (Από νωρίς ακόμη στη διακλάδωση των ειδών με γονιδίωμα, πυρηνικοί υποδοχείς εντοπίστηκαν: δύο στον σπόγγο Amphimedon queenslandica, δύο στη κτενοφόρο Mnemiopsis leidyi, τέσσερις στις placozoan adhaerens Trichoplax και 17 στην cnidarian vectensis Nematostella. Υπάρχουν 270 πυρηνικοί υποδοχείς στον νηματώδη σκώληκα C. elegans. οι άνθρωποι, τα ποντίκια και οι αρουραίοι έχουν αντίστοιχα 48, 49, και 47 πυρηνικούς υποδοχείς.

Συνδέτες

Συνδέτες που συνδέονται και ενεργοποιούν τους πυρηνικούς υποδοχείς περιλαμβάνουν λιπόφιλες ουσίες όπως ενδογενείς ορμόνες, βιταμίνες Α και D, και ξενοβιοτικές ουσίες που διαταράσσουν το ενδοκρινικό σύστημα. Όπως προαναφέραμε, η έκφραση πολλών γονιδίων ρυθμίζεται από τους πυρηνικούς υποδοχείς. Έτσι, οι συνδέτες που ενεργοποιούν αυτούς τους υποδοχείς επηρεάζουν σημαντικά τη λειτουργία του οργανισμού. Κάποια από τα γονίδια που ρυθμίζονται από τους πυρηνικούς υποδοχείς συνδέονται με διάφορες ασθένειες, πράγμα που εξηγεί το γιατί οι μοριακοί στόχοι περίπου των 13% των εγκεκριμένων από το U.S. Food and Drug Administration (FDA) φαρμάκων είναι πυρηνικοί υποδοχείς.
Ένας αριθμός των πυρηνικών υποδοχέων, που αναφέρονται ως ορφανοί υποδοχείς (orphan receptors), δεν έχουν γνωστούς (ή τουλάχιστον έτσι έχει γενικά συμφωνηθεί) ενδογενή συνδέτες. Ορισμένοι από αυτούς τους υποδοχείς, όπως FXR, LXR, και PPAR, δεσμεύουν έναν αριθμό μεταβολικών ενδιαμέσων όπως λιπαρά οξέα, τα χολικά οξέα και / ή στερόλες με σχετικά χαμηλή συγγένεια. Αυτοί οι υποδοχείς μπορούν συνεπώς λειτουργούν ως μεταβολικές αισθητήρες. Άλλοι πυρηνικοί υποδοχείς, όπως οι CAR και PXR εμφανίζονται να λειτουργούν ως αισθητήρες ξενοβιοτικών ουσιών, αυξάνοντας την έκφραση των ενζύμων του κυτοχρώματος Ρ450 που μεταβολίζουν τις ξενοβιοτικές αυτές ουσίες.

Μηχανισμός δράσης

Οι πυρηνικοί υποδοχείς είναι πολυλειτουργικές πρωτεΐνες που μεταφέρουν σήματα από τους αντίστοιχους συνδέτες. Οι πυρηνικοί υποδοχείς (NRs) μπορούν να ταξινομηθούν σε δύο ευρείες κατηγορίες ανάλογα με το μηχανισμό δράσης τους και υποκυτταρική κατανομή σε απουσία συνδέτη.
Μικρές λιπόφιλες ουσίες όπως φυσικές ορμόνες διαπερνάν την κυτταρική μεμβράνη και συνδέονται με τους πυρηνικούς υποδοχείς που βρίσκονται στο κυτταρόπλασμα (τύπος Ι NR) ή στον πυρήνα (τύπου II NR) του κυττάρου. Αυτό προκαλεί μια αλλαγή στη διαμόρφωση του υποδοχέα, η οποία, ανάλογα με την μηχανιστική τάξη (τύπου Ι ή II), πυροδοτεί μια σειρά γεγονότων που τελικά οδηγούν σε αύξηση ή μείωση της γονιδιακής έκφρασης. Υπάρχουν και δύο επιπλέον κατηγορίες πυρηνικών υποδοχέων που συνδέονται με το DNA, η τύπου III η οποία είναι μια παραλλαγή του τύπου Ι, και η τύπου IV.[4].
Συνεπώς, πυρηνικοί υποδοχείς μπορούν να υποδιαιρεθούν στις ακόλουθες τέσσερις κατηγορίες ανάλογα με τον μηχανισμό δράσης τους:

Τύπος Ι

Όταν ο συνδέτης συνδέεται με έναν πυρηνικό υποδοχέα τύπου Ι στο κυτταρόπλασμα πραγματοποιείται διάσπαση των πρωτεϊνών θερμικού σοκ, ομοδιμερισμός, μετατόπιση (ενεργός μεταφορά) από το κυτταρόπλασμα στον πυρήνα των κυττάρων, και σύνδεση με ειδικές αλληλουχίες DNA που είναι γνωστές ως στοιχεία απόκρισης ορμόνης hormone response elements (HREs). Οι τύπου 1 πυρηνικοί υποδοχείς συνδέονται με το HREs, το οποίο αποτελείται από δύο τμήματα, των οποίων οι αλληλουχίες είναι ανεστραμμένες επαναλήψεις, και ανάμεσα σε αυτά τα δύο τμήματα υπάρχει μία μεταβλητή αλληλουχία DNA. Οι τύπου Ι πυρηνικοί υποδοχείς περιλαμβάνουν μέλη της υποοικογένειας 3, όπως τον υποδοχέα ανδρογόνων, οιστρογόνων, γλυκοκορτικοειδών, και τον υποδοχέα προγεστερόνης.
Έχει σημειωθεί ότι ορισμένες από τους πυρηνικούς υποδοχείς υποοικογένειας 2 μπορούν να συνδεθούν σε HREs των οποίων οι αλληλουχίες τω δύο τμημάτων είναι σε ευθεία επανάληψη (όχι ανεστραμμένη). Επιπλέον, ορισμένοι πυρηνικοί υποδοχείς προσδένονται, είτε ως μονομερή ή διμερή, σε ένα μόνο πεδίο σύνδεσης DNA (στο μισό HRE). Όσο για σήμερα, αυτές οι πυρηνικοί υποδοχείς θεωρούνται ορφανοί υποδοχείς, αφού οι ενδογενείς συνδέτες τους παραμένουν άγνωστοι.
Στη συνέχεια, κάποιες πρωτεΐνες συνδέονται μαζί με το σύμπλεγμα πυρηνικού υποδοχέα/DNA και μεταγράφεται έτσι το HRE σε αγγελιοφόρο RNA (mRNA) και τελικά παράγεται μία πρωτεΐνη (η οποία ενδεχομένως να προκαλέσει κάποια αλλαγή στη λειτουργία του κυττάρου).

Τύπος ΙΙ

Οι υποδοχείς τύπου II, σε αντίθεση με του τύπου I συγκρατούνται στον πυρήνα, ανεξάρτητα από τον συνδέτη που είναι συνδεδεμένος σε αυτούς. Αυτοί οι υποδοχείς συνδέονται ως ετεροδιμερή (συνήθως με τον RXR) στο DNA. Χωρίς τον συνδέτη, οι υποδοχείς αυτοί δημιουργούν συνδέονται με συγκαταστολέα πρωτεΐνη. Με τον συνδέτη, προκαλεί διάσπαση του συγκαταστολέα και πρόσληψη πρωτεϊνών συνενεργοποιητές. Στη συνέχεια, επιπλέον πρωτεΐνες (συμπεριλαμβανομένης και της RNA πολυμεράσης) συγκεντρώνονται στο σύμπλοκο πυρηνικού υποδοχέα/ DNA και μεταγράφουν το DNA σε αγγελιοφόρο RNA.
Οι τύπου II πυρηνικοί υποδοχείς περιλαμβάνονται κυρίως στην υποοικογένεια 1. Παραδείγματα τέτοιων υποδοχέων είναι ο υποδοχέας ρετινοϊκού οξέος, ο υποδοχέας ρητινοειδούς Χ και ο υποδοχέας ορμόνης θυρεοειδούς.

Τύπος ΙΙΙ

Οι πυρηνικοί υποδοχείς τύπου ΙΙΙ (κυρίως υποοικογένεια 2) συνδέονται στο DNA ως ομοδιμερή, όπως γίνεται και τους υποδοχείς τύπου Ι. Ωστόσο, οι τύπου ΙΙΙ πυρηνικοί υποδοχείς, σε αντίθεση με του τύπου Ι, συνδέονται σε ευθεία και όχι ανεστραμμένη (HREs) επανάληψη.

Τύπος IV

Οι τύπου IV πυρηνικοί υποδοχείς προσδένονται είτε ως μονομερή ή διμερή, αλλά μόνο μία περιοχή σύνδεσης DNA του υποδοχέα συνδέεται στο μισό τμήμα του HRE. Οι περισσότερες υποοικογένειες υποδοχέων περιλαμβάνουν και τέτοιους υποδοχείς.

Συν-ρυθμιστικές πρωτεΐνες

Οι πυρηνικοί υποδοχείς συνδέονται στα στοιχεία απόκρισης ορμόνης (HRE) και δεσμεύουν ένα σημαντικό αριθμό άλλων πρωτεϊνών (που αναφέρονται ως συμπαράγοντες μεταγραφής) που διευκολύνουν ή αναστέλλουν τη μεταγραφή του αντίστοιχου γονιδίου. Η λειτουργία αυτών των συμπαραγόντων ποικίλουν και περιλαμβάνουν αναδιαμόρφωση της χρωματίνης (καθιστώντας το γονίδιο είτε περισσότερο είτε λιγότερο προσιτό σε μεταγραφή) ή μια λειτουργία «γεφύρωσης» (bridging function) για να σταθεροποιηθεί/ διευκολυνθεί η σύνδεση άλλων πρωτεϊνών συρρύθμισης. Οι πυρηνικοί υποδοχείς μπορούν να συνδεθούν ειδικά σε ένα αριθμό πρωτεϊνών συρρύθμισης, και έτσι να επηρεάζουν τους κυτταρικούς μηχανισμούς μεταγωγής σήματος τόσο άμεσα, όσο και έμμεσα. [25]

Συνενεργοποιητές

Η σύνδεση αγωνιστών συνδετών (βλέπε παρακάτω) με πυρηνικούς υποδοχείς προκαλεί μια διαμόρφωση του υποδοχέα, και ως αποτέλεσμα αυτός αρχίζει να δεσμεύει επιλεκτικά συνενεργοποιητές πρωτεϊνών. Αυτές οι πρωτεΐνες συχνά προκαλούν ακετυλίωση ιστονών. Έτσι εξασθενεί η σύνδεση των ιστονών με το DNA, και συνεπώς προάγεται η μεταγραφή του γονιδίου.

Συγκαταστολείς

Η σύνδεση ανταγωνιστών συνδετών με τους πυρηνικούς υποδοχείς προκαλεί μια διαμόρφωση του υποδοχέα, και ως αποτέλεσμα αυτός αρχίζει να δεσμεύει επιλεκτικά συγκαταστολείς πρωτεΐνες. Αυτές οι πρωτεΐνες, με τη σειρά τους, προκαλούν αποακετυλίωση ιστονών. Έτσι ενισχύεται η σύνδεση των ιστονών με το DNA, και συνεπώς καταστέλλεται η μεταγραφή του γονιδίου.

Αγωνιστές vs ανταγωνιστές

Ανάλογα με τον υποδοχέα, η χημική δομή του συνδέτη και του ιστού που επηρεάζεται, η συμπεριφορά του συνδέτη μπορεί να αλλάζει δραματικά. Έτσι ένας συνδέτης μπορεί, ανάλογα με τις συνθήκες, να είναι αγωνιστής, ανταγωνιστής ή αντίστροφος αγωνιστής.

Αγωνιστές

Οι ενδογενείς συνδέτες (όπως οι ορμόνες οιστραδιόλη και τεστοστερόνη) όταν συνδέονται με τους συγγενικούς πυρηνικούς υποδοχείς τους κανονικά διεγείρουν την έκφραση του γονιδίου. Αυτή η διέγερση της γονιδιακής έκφρασης από τον συνδέτη αναφέρεται ως μια απόκριση αγωνιστή (agonist response).  Τα αγωνιστικά αποτελέσματα των ενδογενών αυτών ορμονών μπορούν επίσης να πραγματοποιηθούν με τη χρήση ορισμένων συνθετικών συνδετών, για παράδειγμα, του υποδοχέα γλυκοκορτικοειδών (glucocorticoid receptor) (GR) αντιφλεγμονώδους φαρμάκου δεξαμεθαζόνης (dexamethasone). Οι συνδέτες αγωνιστή λειτουργούν επάγοντας μια διαμόρφωση στον υποδοχέα η οποία ευνοεί τη σύνδεση με συνενεργοποιητές πρωτεΐνες. (βλέπε άνω ήμισυ του σχήματος προς τα δεξιά).

Ανταγωνιστές

Κάποιοι άλλοι συνθετικοί συνδέτες πυρηνικών υποδοχέων δεν έχουν εμφανή επίδραση στην μεταγραφή γονιδίων όταν απουσιάζουν ενδογενείς συνδέτες. Ωστόσο, μπλοκάρουν την επίδραση του αγωνιστή καθώς συνδέονται ανταγωνιστικά στην ίδια θέση σύνδεσης του πυρηνικού υποδοχέα. Αυτοί οι συνδέτες αναφέρονται ως ανταγωνιστές. Ένα παράδειγμα φαρμάκου που χρησιμοποιεί ανταγωνιστές πυρηνικού υποδοχέα είναι η μιφεπριστόνη (mifepristone) η οποία συνδέεται με τους υποδοχείς γλυκοκορτικοειδών και προγεστερόνης αναστέλλοντας έτσι τη δραστηριότητα των ενδογενών ορμονών κορτιζόλη και προγεστερόνη αντίστοιχα. Οι συνδέτες ανταγωνιστές λειτουργούν επάγοντας μια διαμόρφωση του υποδοχέα που εμποδίζει συνενεργοποιητή και προωθεί τον συγκαταστολέα σύνδεσης (βλέπε κάτω ήμισυ του σχήματος προς τα δεξιά).

Αντίστροφοι αγωνιστές

Κάποιοι πυρηνικοί υποδοχείς προωθούν ένα (σχετικά χαμηλό) επίπεδο μεταγραφής (που αναφέρεται επίσης ως βασική ή ιδιοσυστατική δραστικότητα) ακόμη και χωρίς την παρουσία συνδετών αγωνιστών. Οι συνθετικοί συνδέτες που μειώνουν αυτό το βασικό επίπεδο δραστηριότητας των πυρηνικών υποδοχέων είναι γνωστοί ως αντίστροφοι αγωνιστές.

Επιλεκτικοί ρυθμιστές των υποδοχέων

Κάποια φάρμακα, που η δράση τους σχετίζεται με τους πυρηνικούς υποδοχείς, εμφανίζουν απόκριση αγωνιστή σε κάποιους ιστούς και ανταγωνιστή σε άλλους ιστούς. Αυτό μπορεί να προσφέρει σημαντικά οφέλη αφού δίνει τη δυνατότητα στο φάρμακο να δράσει μόνο στους συγκεκριμένους ιστούς που επιθυμούμε, μειώνοντας έτσι τις παρενέργειες. Τα φάρμακα με το προφίλ του άλλοτε αγωνιστή και άλλοτε ανταγωνιστή ονομάζονται επιλεκτικοί ρυθμιστές των υποδοχέων (selective receptor modulators) (SRMs). Παραδείγματα τέτοιων ουσιών είναι οι επιλεκτικοί ρυθμιστές υποδοχέων ανδρογόνων (Selective Androgen Receptor Modulators) (SARMs), οι επιλεκτικοί ρυθμιστές υποδοχέων οιστρογόνου Selective Estrogen Receptor Modulators (SERMs) και οι επιλεκτικοί ρυθμιστές υποδοχέων της προγεστερόνης Selective Progesterone Receptor Modulators (SPRMs). Ο μηχανισμός δράσης των SRMs μπορεί να ποικίλει ανάλογα με τη χημική δομή του συνδέτη και του σχετικού υποδοχέα, ωστόσο πιστεύεται ότι πολλές SRMs δουλεύουν προωθώντας μια διαμόρφωση του υποδοχέα που είναι στενά ισορροπημένη μεταξύ αγωνισμού και ανταγωνισμού. Στους ιστούς όπου η συγκέντρωση του συνενεργοποιητή πρωτεϊνών είναι υψηλότερη από τους συγκαταστολείς, η ισορροπία μετατοπίζεται στην κατεύθυνση αγωνιστή. Αντιστρόφως σε ιστούς όπου κυριαρχούν συγκαταστολείς, ο συνδέτης συμπεριφέρεται ως ανταγωνιστής.

Trans-καταστολή

Ο πιο κοινός μηχανισμός της δράσης πυρηνικού υποδοχέα συνεπάγεται την άμεση σύνδεση του σε ένα στοιχείο απόκρισης ορμόνης του DNA. Ο μηχανισμός αυτός αναφέρεται ως trans-ενεργοποίηση (transactivation). Ωστόσο, μερικοί πυρηνικοί υποδοχείς όχι μόνο μπορούν να προσδένονται στο DNA, αλλά και σε άλλους παράγοντες μεταγραφής. Αυτό συχνά οδηγεί στην απενεργοποίηση του παράγοντα μεταγραφής, κάτι που είναι γνωστό ως trans-καταστολή (transrepression). Ένα παράδειγμα ενός πυρηνικού υποδοχέα που είναι σε θέση να προκαλέσει καταστολή είναι ο υποδοχέας γλυκοκορτικοειδών (glucocorticoid receptor) (GR). Επιπλέον, ορισμένοι συνδέτες του GR γνωστοί ως Επιλεκτικοί Αγωνιστές Υποδοχέα Γλυκοκορτικοειδούς (Selective Glucocorticoid Receptor Agonists) (SEGRAs) είναι σε θέση να ενεργοποιήσουν την GR με τέτοιον τρόπο ώστε η λειτουργία καταστολής (transrepression) να υπερισχύει της λειτουργίας ενεργοποίησης (transactivation). Έτσι είναι δυνατή η εκμετάλλευση της αντιφλεγμονώδης δράσης αυτών των επιλεκτικών γλυκοκορτικοειδών αποφεύγοντας τις ανεπιθύμητες παρενέργειες του μεταβολισμού.

Μη-γονιδιακή

Οι κλασσικές άμεσες λειτουργικές συνέπειες των πυρηνικών υποδοχέων όσον αφορά τη ρύθμιση του γονιδίου συνήθως παίρνουν ώρες για να πραγματοποιηθούν, επειδή μεσολαβούν πολλά ενδιάμεσα βήματα από τη στιγμή ενεργοποίησης του πυρηνικού υποδοχέα μέχρι την αλλαγή στην πρωτεϊνική έκφραση. Ωστόσο, έχει παρατηρηθεί ότι η εφαρμογή κάποιων ορμονών (όπως οιστρογόνα) δίνει αποτελέσματα μέσα σε λίγα λεπτά το οποίο δεν συμφωνεί με τον κλασικό μηχανισμό δράσης των πυρηνικών υποδοχέων. Η λειτουργία αυτών των πυρηνικών υποδοχέων (που ονομάστηκαν μη-γονιδιακοί) δεν έχει αποδειχθεί πιστά ακόμη. Ωστόσο κάποιοι υποστηρίζουν ότι αποτελούν παραλλαγές των πυρηνικών υποδοχέων που είναι συνδεδεμένοι με τη μεμβράνη, και δεν εντοπίζονται στο κυτταρόπλασμα ή στον πυρήνα. Αυτοί οι υποδοχείς που συνδέονται με τη μεμβράνη σχετίζονται με τη λειτουργία του εναλλακτικού μηχανισμού μεταγωγής σήματος, και δε σχετίζονται με τη ρύθμιση των γονιδίων.

Οικογένειες υποδοχέων

Για μια λίστα επιλεγμένων υποδοχέων, ταξινομιμένων σύμφωνα με την ομολογία αλληλουχίας ανατρέξτε στο Αγγλικό άρθρο της Wikipedia (Family members).