14 ο Πυρηνικοί υποδοχείς 1. Προσδέτες των πυρηνικών υποδοχέων Σχηματισμός και έκκριση ορμονών Διαθεσιμότητα των ορμονών στο κυτταρόπλασμα Τροποποιήσεις της ορμόνης στον ιστό-στόχο 2. Αρχές της σηματοδότησης από πυρηνικούς υποδοχείς 3. Ταξινόμηση και δομή των πυρηνικών υποδοχέων Στοιχεία του DNA, όπου συνδέονται οι πυρηνικοί υποδοχείς (HREs) Η περιοχή σύνδεσης του DNA των πυρηνικών υποδοχέων HRE, αναγνώριση και δομή του συμπλόκου HRE-Υποδοχέα Περιοχή σύνδεσης του προσδέτη Στοιχεία trans-ενεργοποίησης των πυρηνικών υποδοχέων 4. Το σηματοδοτικό μονοπάτι των υποδοχέων στεροειδών ορμονών Ενεργοποίηση του συμπλόκου του κυτταροπλασματικού από-υποδοχέα Σύνδεση στο DNA και trans-ενεργοποίηση Καταστολή της μεταγραφής από υποδοχείς στεροειδών ορμονών Ρύθμιση της δράσης του υποδοχέα με φωσφορυλίωση: Διασταύρωση μονοπατιών 5. Σηματοδότηση από ρετινοειδή, βιταμίνη D3 και ορμόνη Τ3 Δομή των ΗREs των ετεροδιμερών RXR Πολυπλοκότητα της αλληλεπίδρασης HRE-Υποδοχέα-Ορμόνη Σύνδεση του προσδέτη, ενεργοποίηση και συνέκφραση των ετεροδιμερών 6. Πυρηνικοί υποδοχείς και αναδιάταξη της χρωματίνης Επαγωγή μεταγραφής αντιφλεγμονωδών γονιδίων από τα κορτικοστεροειδή Αναστολή της μεταγραφής φλεγμονωδών γονιδίων Συνρυθμιστές των πυρηνικών υποδοχέων 7. Πυρηνικοί υποδοχείς και παρατηρούμενες μεταλλάξεις Υποδοχείς ανδρογόνων και μεταλλάξεις Υποδοχείς γλυκοκορτικοειδών. Ανθεκτικότητα στα γλυκοκορτικοειδή Υποδοχείς μεταλλοκορτικοειδών και αντίσταση στα μεταλλοκορτικοειδή Υποδοχείς οιστρογόνων και αντίσταση στα οιστρογόνα Υποδοχείς βιταμίνης D3 Υποδοχείς θυρεοειδούς ορμόνης και γενικευμένη αντίσταση στη θυρεοειδή ορμόνη (GRTH)
448 Πυρηνικοί υποδοχείς Οι πυρηνικοί υποδοχείς ρυθμίζουν την έκφραση γονιδίων ως απόκριση στη δέσμευση μικρών λιπόφιλων μορίων και μ αυτόν τον τρόπο εμπλέκονται στον έλεγχο μιας μεγάλης ποικιλίας κυτταρικών διαδικασιών. Αυτές οι πρωτεΐνες αποτελούν μεταγραφικούς παράγοντες που ενεργοποιούνται από τη σύνδεση του προσδέτη και εντοπίζονται στο κυτταρόπλασμα ή/και στο πυρήνα. Οι προσδέτες ορμονικής φύσεως διαπερνούν την κυτταρική μεμβράνη με απλή διάχυση και στη συνέχεια συνδέονται στους αντίστοιχους υποδοχείς στο κυτταρόπλασμα ή στο εσωτερικό του πυρήνα. Με τη σύνδεση σε συγγενή στοιχεία του DNA ο συνδεδεμένος με τον προσδέτη υποδοχέας ενεργοποιεί γονίδια-στόχους και έτσι μεταφέρει το ορμονικό μήνυμα με τη αλλαγή στην έκφραση γονιδίων. 1. Προσδέτες των πυρηνικών υποδοχέων Οι φυσικοί προσδέτες των πυρηνικών υποδοχέων είναι λιπόφιλες ορμόνες, μεταξύ των οποίων οι στεροειδείς, η θυρεοειδής ορμόνη T 3, όπως επίσης παράγωγα των βιταμινών A και D. Αυτές οι ορμόνες παίζουν σημαντικό ρόλο στη ρύθμιση του μεταβολισμού, στην αύξηση, διαφοροποίηση, αναπαραγωγή και μορφογένεση. Οι πιο σημαντικοί φυσικοί προσδέτες των πυρηνικών υποδοχέων φαίνονται στην Εικόνα 14.1. Οι συγγενείς υποδοχείς και οι αλληλουχίες του DNA, όπου συνδέονται οι Οιστραδιόλη Τεστοστερόνη Προγεστερόνη υποδοχείς συνοψίζονται στον παρακάτω πίνακα. Ο κύριος ρυθμιστικός παράγοντας της μετάδοσης του μηνύματος μέσω πυρηνικών υποδοχέων είναι η ορμονική συγκέντρωση. Η ποσότητα μιας ορμόνης διαθέσιμης για Κορτιζόλη Αλδοστερόνη 1,25- ιυδροξυχολεκαλσιφερόλη (από τη βιταμίνη D3) 3,5,3 -L-τρι-ιωδοθυρονίνη 9-cis-ρετινοϊκό οξύ ενδοκυτταρική σύνδεση στον υποδοχέα ελέγχεται από έναν αριθμό διαδικασιών, όπως η παραγωγή και έκκριση της ορμόνης από τον ενδοκρινή ιστό, από τη διαθεσιμότητα της ορμόνης στο κυτταρόπλασμα και από την τροποποίηση της ορμόνης στον ιστόστόχο. All-trans-ρετινοϊκό οξύ 15-δεοξυ- 12,14 -προσταγλανδίνη J2 Εικόνα 14.1 Οι φυσικοί προσδέτες των πυρηνικών υποδοχέων.
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 14 449 Πίνακας 1. Προσδέτες και δομή των HREs επιλεγμένων υποδοχέων θηλαστικών. Υποδοχέας Ορμόνη Εξαμερή, μισή-θέση ιαμόρφωση του HRE Γλυκοκορτικοειδών GR Κορτιζόλη AGAACA IR-3 Μεταλλοκορτικοειδών Αλδοστερόνη AGAACA IR-3 Προγεστερόνης, PR Προγεστερόνη AGAACA IR-3 Ανδρογόνων, AR Τεστοστερόνη AGAACA IR-3 Οιστρογόνων, ER Οιστρογόνα RGGTCA IR-3 Φαρνεσοϊδών, FXR Φαρνεσοϊδή AGGTCA IR-1, DR-5 Θυρεοειδών ορμονών T 3 R 3,5,3 -Lτριιωδοθυρονίνη, Τ 3 ορμόνη RGGTCA IR-0, DR-4, ER-6, 8 Βιταμίνης D 3, VDR 1,25-διυδρόξυ βιταμίνη D 3 RGKTCA DR-3 9-cis ρετινοϊκού οξέος, RXR 9-cis ρετινοϊκό οξύ AGGTCA DR-1 All-trans ρετινοϊκού οξέος, RAR All-trans ρετινοϊκό οξύ AGGTCA IR-0, DR-2, ER-8 Peroxisome proliferator-activated receptor, PPAR 15-διoξυ- 12,14 - προσταγλαδίνη J 2 AGGTCA DR-1 COUP-TF (α,β,γ)? RGGTCA DR S, IR S NGFI-B (α,β,γ)? AAAGGTCA NR, DR-5, IR-0 ROR (α,β,γ)? YYYCYRGGTCA NR Συντομογραφίες: IR: inverted repeat (αντεστραμένη επανάληψη), DR: direct repeat (άμεση επανάληψη), ER: everted repeat (επανάληψη μέσα-έξω), NR: no repeat (χωρίς επανάληψη). Οι αριθμοί δίπλα από τον τύπο διαμόρφωσης αποδίδουν τον αριθμό των bp που διαχωρίζουν τα δυο εξαμερή (βλπ Εικόνα 14.7). R: πουρίνη, Y: πυριμιδίνη, NGFI: nerve growth factor induced receptor, COUP-TF: chicken ovalvumin upstream promoter transcription factor (μεταγραφικός παράγοντας προαγωγέας της οβαλβουμίνης του κοτόπουλου), ROR: retinoic acid related orphan receptors (ανάλογοι του ρετινοϊκού οξέος ορφανοί υποδοχείς), α, β, και γ είναι υποκατηγορίες υποδοχέων που κωδικοποιούνται από ξεχωριστά γονίδια. Από Mangelsdorf et al, 1995. Σχηματισμός και Έκκριση των Ορμονών από τον Ενδοκρινή Ιστό Η βιοσύνθεση και έκκριση μιας ορμόνης ρυθμίζεται από ένα συγκεκριμένο αριθμό μηχανισμών, οι οποίοι αποτελούν μέρος ενός πολύπλοκου ρυθμιστικού συστήματος. Ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι το ιεραρχικά δομημένο σύστημα του υποθαλάμουυπόφυσης, το οποίο ρυθμίζει τη βιοσύνθεση και την έκκριση πολλών ορμονών των πυρηνικών υποδοχέων. Ο υποθάλαμος είναι ένας υψηλού επιπέδου ρυθμιστικός διακόπτης που καταγράφει και ενοποιεί ηλεκτρικά και χημικά σήματα. Τα σήματα αυτά μεταδίδονται με τη μορφή
450 Πυρηνικοί υποδοχείς απελευθερούμενων παραγόντων προς την υπόφυση ή προς τον αδένα της υπόφυσης, όπου συντίθενται και εκκρίνονται οι γοναδοτρόπες ορμόνες, οι οποίες φθάνουν μέσω του αίματος στα ενδοκρινή όργανα, όπως ο φλοιός των επινεφριδίων ή οι γονάδες. Στα όργανα-στόχους επάγεται η παραγωγή και έκκριση ειδικών ορμονών. Οι ορμόνες που εκκρίνονται από τα ενδοκρινή όργανα μεταφέρονται με την κυκλοφορία του αίματος στα κύτταρα-στόχους όπου συνδέονται και ενεργοποιούν τους αντίστοιχους υποδοχείς. Στα κύτταρα-στόχους, ενεργοποιούνται ενδοκυτταρικά σηματοδοτικά μονοπάτια, τα οποία καθορίζουν τη βιοχημική απόκριση του κυττάρου στο ορμονικό ερέθισμα. Η επικοινωνία ανάμεσα στα διάφορα επίπεδα αυτού του συστήματος ελέγχου πραγματοποιείται μέσω συστημάτων ορμονικών υποδοχέων. Το σύστημα είναι ιεραρχικά δομημένο ώστε να επιτρέπει μια ενίσχυση του μηνύματος που καταγράφεται από τον υποθάλαμο. Το μονοπάτι υποθάλαμος-υπόφυση μπορεί να δεχθεί νευρικές ώσεις και να τις μεταφράσει σε παραγωγή ειδικών ορμονών. Ένα επόμενο χαρακτηριστικό του συστήματος είναι οι ρυθμιστικοί μηχανισμοί με τη βοήθεια των οποίων μπορεί να ελεγχθεί ο σχηματισμός και η έκκριση των ορμονών. Οι ορμόνες μέσω της κυκλοφορίας εξασκούν μια αρνητική ανάδραση σε διάφορα επίπεδα διασφαλίζοντας την αποφυγή υπερβολικής παραγωγής ορμονών. υποθάλαμος υποθάλαμος πρόσθια υπόφυση Φλοιός επινεφριδίων Θυρεοειδής αδένας ορμονικός αδένας οπίσθια υπόφυση πρόσθια υπόφυση κυκλοφορία PR GRH TSH ACTH GH Ιστοί-στόχοι Παραγωγή γάλακτος γονάδες Θυροειδής αδένας Φλοιός επινε φριδίων αύξηση Εικόνα 14.2 Ιεραρχία των οργάνων που παράγουν ορμόνες, όπως παρατηρείται στο σύστημα υποθάλαμου-υπόφυσης. Οι καταρράκτες ορμονών του συστήματος αυτού ρυθμίζονται με αυστηρό τρόπο. Η συγκέντρωση των κυκλοφορούντων ορμονών, καταγράφεται από τα ανώτερα όργανα του συστήματος και μια υπερβολική παραγωγή της ορμόνης εμποδίζεται μέσω ρύθμισης αρνητικής ανάδρασης. CRΗ: corticotrophin releasing hormone (ορμόνη απελευθέρωσης κορτικοτροπίνης), GRH: growth hormone releasing hormone (ορμόνη απελευθέρωσης της αυξητικής ορμόνης), TRH: thyrotropin releasing hormone (ορμόνη απελευθέρωσης της θυροτροπίνης) ACTH: κορτικοτροπίνη, GH: growth hormone (αυξητική ορμόνη), TSH: θυρεοτρόπος ορμόνη.
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 14 451 Το σύστημα υποθαλάμου-υπόφυσης είναι ιδιαίτερης σημασίας για τις στεροειδείς ορμόνες. Η παραγωγή στεροειδών στο φλοιό των επινεφριδίων ρυθμίζεται από την ορμόνης της υπόφυσης κορτικοτροπίνη (ACTH), ο σχηματισμός της οποίας ρυθμίζεται από τον αντίστοιχο απελευθερούμενο παράγοντα του υποθάλαμου (CRH: corticotrophin releasing hormone). Εκτός από τη βιοσύνθεση και την έκκριση, η αποικοδόμηση και η απέκκριση των ορμονών, επηρεάζει επίσης τη συγκέντρωσή τους στο ανθρώπινο σώμα. ιαθεσιμότητα των Ορμονών στο Κυτταρόπλασμα Η ενδοκυτταρική διαθεσιμότητα μιας ορμόνης μπορεί να τροποποιηθεί με τη σύνδεσή της σε ένα εξειδικευμένο απόθεμα πρωτεϊνών. Για τη σύνδεση της all-trans-ρετινόλης και του alltrans-ρετινοϊκού οξέος υπάρχουν ειδικές πρωτεΐνες σύνδεσης, οι οποίες συμμετέχουν στην αποθήκευση και συγκέντρωση των δύο αυτών ρετινοϊδών. Οι αποθηκευμένες κυτταροπλασματικές μορφές μπορεί να έχουν μια ρυθμιστική επίδραση στο μεταβολισμό και στη διαθεσιμότητα της ορμόνης στο κυτταρόπλασμα. Επιπλέον, υπάρχουν γνωστά παραδείγματα ορμονών που παράγονται από μια προ-ορμόνη. Τροποποιήσεις της Ορμόνης στον Ιστό-Στόχο Μετά την είσοδο της στο κύτταρο-στόχο, η ορμόνη μπορεί να τροποποιηθεί εξειδικευμένα έτσι ώστε η συγκέντρωση της ενεργούς μορφής της ορμόνης να ελέγχεται από την τροποποίηση αυτή. Ένα παράδειγμα της σημασίας της ενζυμικής τροποποίησης των ορμονών για την εξειδικευμένη δράση τους σε έναν ιστό είναι η δράση του μεταλλοκορτικοειδούς αλδοστερόνη παρουσία μιας υπερβολικά μεγάλης ποσότητας του γλυκοκορτικοειδούς κορτιζόλη. Η αλδοστερόνη ρυθμίζει την έξοδο Na + και τη διατήρηση K + στα νεφρά με τη σύνδεση στον υποδοχέα της. Νεφρά: 11-β-ΟΗ-δεϋδρογονάση Κορτιζόλη Ανενεργή μορφή, η οποία δεν συνδέεται στον υποδοχέα της αλδοστερόνης Νεφρά: 11-β-ΟΗ-δεϋδρογονάση Καμία τροποποίηση Σύνδεση στον υποδοχέα της αλδοστερόνης Αλδοστερόνη Εικόνα 14.3. Παράδειγμα της ειδικής σε ένα ιστό απενεργοποίησης μιας ορμόνης. Η κορτιζόλη ενζυμικά μετατρέπεται σ ένα κετο- συστατικό στην C11 θέση. Το τροποποιημένο συστατικό της κορτιζόλης δεν μπορεί πλέον να συνδεθεί και να ενεργοποιήσει τον υποδοχέα αλδοστερόνης. Η αλδοστερόνη δεν μπορεί να αναστραφεί από την 11β-OH-δεϋδρογονάση, επειδή η OH ομάδα στη θέση 11 σχηματίζει έναν ελλιπή εστέρα με την φορμυλομάδα (C18).
452 Πυρηνικοί υποδοχείς Η αλδοστερόνη κυκλοφορεί στο αίμα σε πολύ μικρότερη συγκέντρωση από το πιο σημαντικό γλυκοκορτικοειδές κορτιζόλη. Το γεγονός ότι ο υποδοχέας της αλδοστερόνης εμφανίζει την ίδια συγγένεια για την αλδοστερόνη και την κορτιζόλη, αποτελούσε για πολύ καιρό αίνιγμα, σχετικά με το πώς η αλδοστερόνη μπορούσε να εξασκήσει μια ειδική ρυθμιστική επίδραση στους νεφρούς παρουσία της υπερβολικής ποσότητας κορτιζόλης. Η ερμηνεία δόθηκε όταν αποδειχθηκε ότι στους νεφρούς συμβαίνει μια ειδική τροποποίηση της κορτιζόλης μέσω μιας δεϋδρογονάσης των 11β-OH-στεροειδών (Εικόνα 14.3). Η ενζυμική μετατροπή της 11-OH ομάδας της κορτιζόλης σε μια 11-κετο- ομάδα, εξαλείφει την ικανότητα σύνδεσης της στον υποδοχέα αλδοστερόνης (Funder et al, 1988). Όμως, η δεϋδρογονάση δεν έχει δράση στην αλδοστερόνη, γιατί η 11 θέση βρίσκεται προστατευμένη. Η φόρμυλο- ομάδα της αλδοστερόνης αντιδρά με την 11-OH-ομάδα για το σχηματισμό ενός υδροξειδίου αλδεΰδης. Η ειδική παρουσία της 11β-OH-δεϋδρογονάσης στα κύτταρα του νεφρού, διασφαλίζει τη μεταγωγή του σήματος από την αλδοστερόνη παρουσία υπερβολικής ποσότητας κορτιζόλης. Αυτό το παράδειγμα υποδηλώνει τη σημαντική συμβολή της εξειδικευμένης τροποποίησης ανά ιστό επιτρέποντας την ειδική για τον ιστό δράση της ορμόνης. 2. Αρχές της σηματοδότησης από πυρηνικούς υποδοχείς Οι φυσικοί προσδέτες των πυρηνικών υποδοχέων είναι λιπόφιλες ορμόνες που μπορούν να εισέλθουν στο κύτταρο με παθητική μεταφορά. Η μετάδοση του μηνύματος στην πλασματική μεμβράνη, δεν είναι απαραίτητη, όπως στην περίπτωση της σηματοδότησης μέσω διαμεμβρανικών υποδοχέων. Μόλις εισέλθει μέσα στο κύτταρο, η ορμόνη συνδέεται στο συγγενή υποδοχέα της, ο οποίος βρίσκεται στο κυτταρόπλασμα και/ή στον πυρήνα. Η συνδεδεμένη ορμόνη ενεργοποιεί τον υποδοχέα, ο οποίος στη συνέχεια ρυθμίζει τη μεταγραφή γονιδίων. Στην περίπτωση των κυτταροπλασματικών υποδοχέων, η σύνδεση της ορμόνης επάγει την είσοδό τους μέσα στον πυρήνα, όπου το σύμπλοκο ορμόνη-υποδοχέας συνδέεται στο DNA και ρυθμίζει τη μεταγραφή του γονιδίου-στόχου. ιμερής ενεργοποιημένος υποδοχέας Πλασματική μεμβράνη κυτταρόπλασμα πυρήνας ενεργοποίηση της μεταγραφής Εικόνα 14.4 Η αρχή της μεταγωγής του μηνύματος από πυρηνικούς υποδοχείς. Αυτοί αποτελούν ελεγχόμενους από τον προσδέτη μεταγραφικούς παράγοντες, οι οποίοι συνδέονται σε συγγενείς αλληλουχίες του DNA ή στοιχεία απόκρισης ορμονών (HREs: hormone response elements). Η ορμόνη λειτουργεί σαν ένας ρυθμιστικός προσδέτης. Οι περισσότεροι πυρηνικοί υποδοχείς δεσμεύονται στα αντίστοιχα HREs, τα οποία είναι συμμετρικά οργανωμένα, ως ομο- ή ετεροδιμερή. Ο συνδεδεμένος με το DNA ενεργοποιημένος υποδοχέας διεγείρει την έναρξη της μεταγραφής μέσω άμεσης ή έμμεσης αλληλεπίδραση πρωτεΐνης-πρωτεΐνης με το σύμπλοκο έναρξης της μεταγραφής. Τα βέλη στο σχήμα δείχνουν τις διαφορετικές πιθανές διαμορφώσεις του HRE. H: ορμόνη: Hsp: Heat shock protein (πρωτεΐνη θερμικού σοκ).
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 14 453 Οι πυρηνικοί υποδοχείς εντοπίζονται στο κυτταρόπλασμα ή στον πυρήνα. Λόγω της λιπόφιλης φύσης οι φυσικοί τους προσδέτες μπορούν να διασχίσουν την κυτταρική μεμβράνη μ ένα παθητικό τρόπο και να συνδεθούν στον συγγενή υποδοχέα στο εσωτερικό του κυττάρου. Η σύνδεση αυτή ενεργοποιεί την μεταγραφική ρυθμιστική δράση του υποδοχέα. Οι πυρηνικοί υποδοχείς είναι ειδικές πρωτεΐνες που συνδέονται στο DNA, σε συγκεκριμένες αλληλουχίες που καλούνται στοιχεία απόκρισης ορμονών (HREs: hormone response elements). Στόχοι των πυρηνικών υποδοχέων είναι τα γονίδια που περιέχουν HREs. Συχνά οι ορμόνες με τους υποδοχείς τους λειτουργούν ως επαγωγείς της έκφρασης γονιδίων. Με σκοπό να διακρίνουμε τους πυρηνικούς υποδοχείς από τους υποδοχείς που βρίσκονται στην κυτταρική μεμβράνη, πολλές φορές τους αναφέρουμε ως διαλυτούς υποδοχείς. Αυτοί μπορούν να βρεθούν στο κυτταρόπλασμα ή στον πυρήνα. Η ρυθμιστική τους λειτουργία όμως εκτελείται πάντα στον πυρήνα. Σε σύγκριση με τα σηματοδοτικά μονοπάτια, τα οποία χρησιμοποιούν διαμεμβρανικούς υποδοχείς, η μετάδοση του μηνύματος μέσω πυρηνικών υποδοχέων είναι σχετικά απλή. Τα μονοπάτια οδηγούν απευθείας, με λίγα μόνο συμμετέχοντα πρωτεϊνικά συστατικά, από τον εξωκυτταρικό χώρο στο επίπεδο του DNA στον πυρήνα. Τα περισσότερα πρωτεϊνικά συστατικά του σηματοδοτικού μονοπατιού είναι γνωστά και καλά χαρακτηρισμένα. Παρόλ αυτά, έχουμε κατανοήσει πολύ λίγο απ τον μηχανισμό με τον οποίον ο ενεργοποιημένος υποδοχέας οδηγεί στην έναρξη της μεταγραφής. Αυτό οφείλεται στην εξαιρετική πολυπλοκότητα της μεταγραφικής έναρξης στους ευκαρυώτες. Η ποικιλομορφία των εμπλεκόμενων πρωτεϊνών στο σχηματισμό ενός ικανού συμπλόκου έναρξης, όπως επίσης και η επίδραση της δομής της χρωματίνης, καθιστούν δύσκολο να αποσαφηνιστεί η ακριβής λειτουργία των πυρηνικών υποδοχέων στην έναρξη της μεταγραφής. Οι ρυθμιστικές διαδικασίες που δρουν στο επίπεδο της μεταγραφής είναι πιο αργές από εκείνες που επηρεάζουν τη δραστηριότητα των ήδη υπαρχόντων ενζύμων. Η δεύτερη διαδικασία χρησιμοποιείται κυρίως για να επάγει μια ταχύτατη αντίδραση ενός οργανισμού σ ένα εξωτερικό μήνυμα ή να επιτελέσει μια ταχύτατη επικοινωνία μεταξύ των κυττάρων. Απ την άλλη πλευρά, η μεταγωγή του σήματος από τους πυρηνικούς υποδοχείς έχει σαν σκοπό να επιτύχει μακροπρόθεσμες αλλαγές στη δράση των ενζύμων, αν και η ταχύτητα της ρυθμιστικής διαδικασίας δεν είναι πολύ σημαντική. Η ρύθμιση με τη βοήθεια των πυρηνικών υποδοχέων επομένως χρησιμοποιείται κυρίως για να προσαρμόσει τη δραστηριότητα μεταβολικών ενζύμων-κλειδιά σε τροποποιημένες εξωτερικές συνθήκες ή σε μια αλλαγή στη λειτουργία ενός οργανισμού. Η σηματοδότηση μέσω πυρηνικών υποδοχέων είναι κυρίαρχη για την ανάπτυξη και διαφοροποίηση ανώτερων οργανισμών, αφού αυτές οι διαδικασίες δεν απαιτούν μια ταχύτατη απόκριση αλλά απαιτούν μακροχρόνιες λειτουργικές αλλαγές. Ανάλογα, πολλές ορμόνες των σηματοδοτικών μονοπατιών εμπλέκοντας πυρηνικούς υποδοχείς συμμετέχουν στην ανάπτυξη και διαφοροποίηση των οργάνων. Παραδείγματα φυλετικών ορμονών, η θυρεοειδής ορμόνη, η ορμόνη D 3, όπως επίσης και το ρετινοϊκό οξύ (ενεργή μορφή της βιταμίνης Α). 3. Ταξινόμηση και ομή των Πυρηνικών Υποδοχέων Οι πρώτοι υποδοχείς που χαρακτηρίστηκαν ήταν εκείνοι για τα γλυκοκορτικοειδή, τα οιστρογόνα και την προγεστερόνη. Πολλοί άλλοι υποδοχείς μπορούν να χαρακτηριστούν με βάση κοινά δομικά και λειτουργικά χαρακτηριστικά. Οι πυρηνικοί υποδοχείς παρουσιάζουν μια υψηλού βαθμού ομολογία στο επίπεδο της αμινοξικής ακολουθίας, η οποία υποδεικνύει ότι λειτουργούν με παρόμοιες λειτουργικές αρχές. Για πολλούς υποδοχείς, η συγγενής ορμόνη και η λειτουργία τους στο κύτταρο παραμένουν άγνωστα. Έτσι ορφανοί υποδοχείς έχουν συνήθως προσδιοριστεί με τη βοήθεια τεχνικών διαλογής, χρησιμοποιώντας ιχνηθέτες DNA βασισμένους σε γνωστούς υποδοχείς.
454 Πυρηνικοί υποδοχείς Η πρωταταγήςς δομή των πυρηνικών υποδοχέων μπορεί να χωριστεί σε 5 διαφορετικές δομικές περιοχές, κάθε μία με ειδικές λειτουργίες: μια ευμετάβλητη ΝΗ 2 - περιοχή (Α/Β), μια καλά συντηρημένη περιοχή υπεύθυνη για τη σύνδεση του DNA (DBD ή περιοχή C), μια περιοχή ενδιάμεσου συνδέσμου που λειτουργεί και ως σήμα εντοπισμού του πυρήνα (linker ή περιοχή D), μια περιοχή σύνδεσης του προσδέτη (LBD ή περιοχή E). Μερικοί υποδοχείς περιέχουν και μια COOH περιοχή F, με άγνωστη ακόμη σημασία (βλπ Εικ. 14.9 και 14.12). Α/Β C D E F Εικόνα 14.5 Σχηματική αναπαράσταση της πρωτοταγούς δομής ορισμένων πυρηνικών υποδοχέων, όπου διακρίνονται διάφορες δομικές περιοχές, και ο αριθμός των αμινοξέων τους ανάμεσα στους διαφορετικούς πυρηνικούς υποδοχείς. Η περιοχή με τη μικρότερη ομολογία (variable region) αντιστοιχεί στην Α/Β περιοχή. HRE Εικόνα 14.6 Ο πυρηνικός υποδοχέας μετά τη δέσμευση της ορμόνης στον ligand binding domain (LBD) εισέρχεται στον πυρήνα και μέσω του DNA binding domain (DBD) του, συνδέεται στο HRE (hormone response element) του DNA, ως ομο- ή ετερο-διμερής. Από Molecular Cell Biology, Lodish et al, 2004.
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 14 455 Στοιχεία Σύνδεσης του DNA για τους Πυρηνικούς Υποδοχείς, HREs Οι υποδοχείς στεροειδών ορμονών είναι πρωτεΐνες που συνδέονται εξειδικευμένα σε αλληλουχίες του DNA που ονομάζονται στοιχεία απόκρισης στην ορμόνη (HREs). Tα γνωστά μέχρι σήμερα HREs παρουσιάζουν μια κοινή δομή. Σχηματίζονται κυρίως από δύο αντίγραφα μιας εξαμερούς αλληλουχίας. Η ταυτότητα μιας περιοχής HRE προσδιορίζεται απ την αλληλουχία, την πολικότητα, και την απόσταση ανάμεσα στα εξαμερή. Μετάλλαξη και διπλασιασμός μιας προγονικής αλληλουχίας αναγνώρισης, επέτρεψε τη δημιουργία πολλών HREs κατά τη διάρκεια της εξέλιξης, των οποίων η αλληλουχία, η πολικότητα και η μεταξύ τους απόσταση είναι χαρακτηριστικά για ένα δεδομένο υποδοχέα. Η διαμόρφωση ενός HRE καθορίζεται απ την πολικότητα και το διάστημα μεταξύ των εξαμερών. Οι υποδοχείς συνδέονται στη συγγενή τους θέση HRE κυρίως ως διμερή, επιτρέποντας το σχηματισμό ομοδιμερών ή ετεροδιμερών ανάμεσα σε διάφορα μονομερή υποδοχέων. Γνωρίζουμε πολύ λίγους πυρηνικούς υποδοχείς των οποίων το HRE περιέχει μόνο ένα απλό αντίγραφο από την αλληλουχία αναγνώρισης. Αυτοί οι υποδοχείς συνδέονται ως μονομερείς στην αντίστοιχη θέση HRE. Με βάση τη δομή των υπομονάδων των υποδοχέων συνδεδεμένων με το DNA και τη δομή των HREs, μπορούν να διακριθούν τέσσερις κατηγορίες πυρηνικών υποδοχέων: διμερείς υποδοχείς στεροειδών ορμονών, ετεροδιμερείς υποδοχείς που περιέχουν RXR, διμερείς ορφανοί υποδοχείς και μονομερείς ορφανοί υποδοχείς. Πλειοψηφούσα αλληλουχία εξαμερούς Αλληλουχίες των εξαμερών για διάφορους υποδοχείς (α) «αντεστραμμένη επανάληψη» παλίνδρομη (β) «μέσα-έξω επανάληψη» (γ) «άμεση επανάληψη» Εικόνα 14.7 (αριστερά) Το HRE, όπου δεσμεύεται ο RXR. Φαίνονται και οι διαφορετικές πιθανές διευθετήσεις των εξαμερών αλληλουχιών (μισές θέσεις σύνδεσης). Τα εξαμερή μπορούν να διευθετηθούν παλινδρομικά ως ανεστραμμένες επαναλήψεις (α), ως γυρισμένες τα μέσα έξω επαναλήψεις (β), ή ως άμεσες επαναλήψεις (γ). To n δείχνει τον αριθμό των ζευγαριών βάσεων που βρίσκονται ανάμεσα στα δύο εξαμερή. RXR: υποδοχέας για το 9-cis ρετινοϊκό οξύ, RAR: υποδοχέας για το all-trans ρετινοϊκό οξύ, T 3 R: υποδοχέας για την T 3 ορμόνη, PPAR: Peroxisome proliferatoractivated receptor, VDR: υποδοχέας για τη βιταμίνη D 3. (δεξιά) Αλληλουχίες διαφόρων HREs.
456 Πυρηνικοί υποδοχείς 1. Διμερείς Υποδοχείς Στεροειδών Ορμονών Τα HREs των υποδοχέων των στεροειδών ορμονών παρουσιάζουν μια παλίνδρομη δομή. Ο υποδοχέας γλυκοκορτικοειδών, για παράδειγμα, συνδέεται ως ομοδιμερές στη διπλής αναδίπλωσης αλληλουχία αναγνώρισης, όπου ο υποδοχέας έχει ήδη διμεριστεί. Σε σύμπλοκο με το DNA κάθε υπομονάδα του διμερούς έρχεται σε επαφή με τη μισή θέση του HRE. Σαν αποτέλεσμα της διπλά αναδιπλωμένης επανάληψης της αλληλουχίας αναγνώρισης, προκύπτει μια υψηλής συγγένειας σύνδεση του διμερούς υποδοχέα. (α) (β) Ετεροδιμερής RXR - RAR υποδοχέας (β) LBD (γ) (δ) Περιοχή σύνδεσης DBD Εικόνα 14.8. Διμερής δομή των πυρηνικών υποδοχέων και διαμόρφωση των HREs. Οι πυρηνικοί υποδοχείς μπορούν να υποδιαιρεθούν σε τέσσερις ομάδες βασισμένες στις δομές των υποδοχέων και των HREs. (α) Σύνδεση του ετεροδιμερούς υποδοχέα σ ένα διπλά αναδιπλωμένο, συμμετρικό παλίνδρομο στοιχείο DNA. GR: Υποδοχέας γλυκοκορτικοειδών. (β) Σύνδεση ενός ετεροδιμερούς υποδοχέα σ ένα στοιχείο DNA με άμεσες επαναλήψεις της αλληλουχίας αναγνώρισης, όπου το 5 άκρο του HRE καταλαμβάνεται από τον υποδοχέα του 9-cis ρετινοϊκού οξέος (RXR), RAR: υποδοχέας για το all-trans ρετινοϊκό οξύ, T 3 R: υποδοχέας για την T 3 ορμόνη: PPAR: peroxisome proliferator-activated receptor: VDR: υποδοχέας για τη βιταμίνη D 3. Δεξιά διακρίνεται η στερεοτασγής δομή του ίδιου υποδοχέα συνδεδεμένου με το DNA. (γ) Σύνδεση του RXR ως ομοδιμερές σ ένα HRE με άμεση επανάληψη της αλληλουχίας αναγνώρισης. (δ) Σύνδεση ενός μονομερούς υποδοχέα σε μια ασύμμετρη αλληλουχία αναγνώρισης, NGFI-B: Υποδοχέας του επαγόμενου από το νευρικό αυξητικό παράγοντα. Ο υποδοχέας αυτός εμπλέκεται στη ρύθμιση των ενζύμων της βιοσύνθεσης των στεροειδών. 2. Ετεροδιμερείς υποδοχείς που περιλαμβάνουν RXR Το στοιχείο δέσμευσης του DNA για τους πυρηνικούς υποδοχείς του all-trans ρετινοϊκού οξέος, 9-cis ρετινοϊκού οξέος, της ορμόνη T 3 και της βιταμίνης D 3 συνήθως παρουσιάζει μια άμεση επανάληψη της αλληλουχίας αναγνώρισης, οδηγώντας στο σχηματισμό ετεροδιμερών
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 14 457 πάνω στο DNA. Το ένα ζευγάρι του ετεροδιμερούς είναι πάντα ο υποδοχέας για το 9-cis ρετινοϊκό οξύ (RXR), το οποίο συνήθως καταλαμβάνει την 5 περιοχή του HRE. Ιδιαίτερης σημασίας για τη σύνδεση του υποδοχέα στα HREs με άμεσες επαναλήψεις της αλληλουχίας αναγνώρισης είναι το γεγονός ότι τα εξαμερή αυτών των HREs είναι διατεταγμένα με αντίθετη κατεύθυνση και επομένως απαιτείται μια πολική διευθέτηση των διμερών του υποδοχέα. Τα HREs αυτού του τύπου εμφανίζουν ένα επιπλέον μοναδικό χαρακτηριστικό: αλληλουχίες μισής θέσης μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να δημιουργήσουν διαφορετικά HREs, παρουσιάζοντας ποικιλομορφία μόνο στο διάστημα ανάμεσα στις επαναλήψεις. Το διάστημα αυτό ποικίλει από 1-5 bp για κάθε αλληλουχία, έτσι ώστε για μια δεδομένη επανάληψη να υπάρχουν 5 διαφορετικά HREs. Σ αυτήν την περίπτωση, η απόσταση ανάμεσα στις αλληλουχίες αναγνώρισης καθορίζει ποιο ετερο- ή ομοδιμερές μπορεί να σχηματιστεί. Επιπλέον ποικιλομορφία επιτυγχάνεται συνδυάζοντας διαφορετικές αλληλουχίες μισής θέσης σ ένα απλό HRE. 3. Διμερείς Ορφανοί Υποδοχείς Οι ορφανοί υποδοχείς πήραν το όνομά τους από το γεγονός ότι οι συγγενείς τους ορμόνες είναι άγνωστες. Οι υποδοχείς αυτού του είδους συνδέονται σαν ομοδιμερή στις αλληλουχίες αναγνώρισης, που διευθετούνται ως άμεσες επαναλήψεις. Ο υποδοχέας για το 9-cis vita οξύ, ο οποίος επίσης δεσμεύει σαν ομοδιμερές ένα HRE με δύο μισές θέσεις σε άμεσες επαναλήψεις, επίσης θεωρείται μέλος αυτής της κατηγορίας υποδοχέων. 4. Μονομερείς Ορφανοί Υποδοχείς Υπάρχουν επίσης ορφανοί υποδοχείς, οι οποίοι συνδέονται ως μονομερείς σε ασύμμετρες αλληλουχίες αναγνώρισης. Η λειτουργία αυτών των υποδοχέων είναι πολύ λίγο κατανοητή. Η Περιοχή Σύνδεσης στο DNA των Πυρηνικών Υποδοχέων (DBD ή περιοχή C) Η δέσμευση των υποδοχέων στα αντίστοιχα HREs συμβαίνει μέσω μιας περιοχής σύνδεσης του DNA (DNA binding domain, DBD ή περιοχή C), η οποία είναι μια σχεδόν ανεξάρτητη αναδιπλωμένη περιοχή. Μέσα στην οικογένεια των πυρηνικών υποδοχέων, η περιοχή σύνδεσης του DNA είναι η πιο συντηρημένη δομική περιοχή. Περιέχει 9 κυστεΐνες, όπως επίσης και άλλα συντηρημένα κατάλοιπα, απαραίτητα για την υψηλής συγγένειας σύνδεση στο DNA. Αυτή η περιοχή αποτελείται από δύο δάκτυλους ψευδαργύρου, μοτίβα Zn 2 Cys 4, τα οποία απέχουν μεταξύ τους 60-70 κατάλοιπα, και μια COOH-τελική προέκταση (CTE: COOH-terminal extension). Σε κάθε δάκτυλο ψευδαργύρου, 4 από τις συντηρημένες κυστεΐνες συντονίζονται τετραεδρικά με το ιόν Zn, τα δυο δάκτυλα Zn αναδιπλώνονται μεταξύ τους δημιουργώντας μια συμπαγή και αλληλοεξαρτώμενη δομή. Τα αμινοξέα που είναι απαραίτητα για την αναγνώριση των στοιχείων του DNA βρίσκονται στη βάση του πρώτου δάκτυλου, σε μια περιοχή που ονομάζεται Ρ box. Άλλα αμινοξέα του δεύτερου δάκτυλου Zn σχηματίζουν το D box που συμμετέχει στο διμερισμό. Ο πυρήνας της περιοχής DBD περιέχει δυο α-έλικες: η πρώτη είναι η έλικα αναγνώρισης που συνδέεται στη μεγάλη αύλακα του DNA, ενώ η δεύτερη σχηματίζει τη σωστή γωνία με την πρώτη α-έλικα επιτρέποντας τη σωστή σύνδεση στο DNA.
458 Πυρηνικοί υποδοχείς (a) (β) DNA binding domain του υποδοχέα οιστρογόνων (γ) (γ) Εικόνα 14.9 (α) Λειτουργικές περιοχές, περιοχές σύνδεσης στο DNA και HRE - δομή του υποδοχέα. (β) Σχηματική αναπαράσταση των δύο Zn 2+ -Cys μοτίβων δέσμευσης των ΗΡΕ. (γ) Σχηματισμός συμπλόκου ανάμεσα στις διμερείς DBD του υποδοχέα ενός γλυκοκορτικοειδούς και του HRE. Οι μαύρες σφαίρες αναπαριστούν κατιόντα ψευδαργύρου. (δ) Συντηρημένη αλληλουχία και διαμόρφωση των HRE συστατικών του υποδοχέα των στεροειδών ορμονών. Αναγνώριση HRE ιμερισμός Ρ box: Αναγνώριση του HRE D box: ημιουργία επιφάνειας διμερισμού α-έλικα αναγνώρισης του HRE Εικόνα 14.10 H DNA binding domain των πυρηνικών υποδοχέων. Ένα διάγραμμα των δυο δακτύλων ψευδαργύρου (zinc fingers) και η καρβοξυτελική προέκταση (CTE: COOH-terminal extension). Στους δάκτυλους ψευδαργύρου, 4 συντηρημένες Cys συνδέονται με ένα ιόν Zn. Τα κατάλοιπα του P box εμπλέκονται στη διάκριση του HRE, ενώ τα κατάλοιπα του D box δημιουργούν την επιφάνεια διμερισμού. Από Aranda and Pascual, Physiological Reviews, 2001, 81, 1269-1304.
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 14 459 HRE, Αναγνώριση και ομή του Συμπλόκου HRE-Υποδοχέα Χαρακτηριστικό στοιχείο της δομής των HREs αποτελεί το γεγονός ότι οι αλληλουχίες αναγνώρισης διαφορετικών υποδοχέων είναι στη πραγματικότητα παρόμοιες, και ότι διαφέρουν κυρίως στην πολικότητα και στην απόσταση των αλληλουχιών. Δεν μας εκπλήσει συνεπώς το γεγονός ότι η δομή των διμερών του υποδοχέα είναι επακριβώς προσαρμοσμένη στην ακριβή κατεύθυνση και απόσταση των αλληλουχιών αναγνώρισης. Υψηλή ανάλυση των συζευγμένων με το DNA ομο- και ετεροδιμερών δομών, έχουν επιβεβαιώσει αυτήν την άποψη της αναγνώρισης του συμπλόκου υποδοχέα-dna. Στην περίπτωση της παλινδρομικής διευθέτησης των αλληλουχιών αναγνώρισης, η σύνδεση συμβαίνει κυρίως μέσω προ-σχηματισμένων ομοδιμερών του υποδοχέα στο κυτταροδιάλυμα. Η αλληλουχία και το διάστημα και των δύο αλληλουχιών αναγνώρισης στο HRE είναι υψηλά συμπληρωματικά με την επιφάνεια σύνδεσης της έλικας αναγνώρισης, όπως επίσης και με την απόσταση ανάμεσα στις δομικές περιοχές σύνδεσης του DNA του διμερούς υποδοχέα. Το διάστημα των αλληλουχιών αναγνώρισης είναι σταθερά προκαθορισμένο από τα δομικά συστατικά του υποδοχέα που συμμετέχουν στο διμερισμό. Η γεωμετρία του διμερούς καθορίζει επιπλέον, ποια απόσταση των αλληλουχιών αναγνώρισης επιτρέπει το σχηματισμό ενός υψηλής συγγένειας συμπλόκου. Για άμεσες επαναλήψεις HREs, η απόσταση των δύο μισών θέσεων είναι συχνά το καθοριστικό, αν όχι το μόνο, στοιχείο βάση του οποίου, ο υποδοχέας (ομοδιμερής ή ετεροδιμερής) αναγνωρίζει το δικό του HRE και το διαχωρίζει ανάμεσα σε παρόμοια HREs. Η ανάλυση της δομής ενός ετεροδιμερή υποδοχέα συνδεδεμένου στο DNA, ο οποίος αποτελείται από μια DBD του RXR και του T 3 υποδοχέα (Rastinejad et al., 1995), έδείξε ότι αυτοί οι υποδοχείς μπορούν να διακρίνουν ανάμεσα σε πολύ παρόμοια HREs (Εικόνα 14.11). Εικόνα 14.11 Δομή του ετεροδιμερούς RXR-T 3 R σε σύμπλοκο με το DNA. Στο σχήμα φαίνεται η DNA binding domain του ετεροδιμερούς RXR-T 3 R και ενός HRE με άμεσες επαναλήψεις της αλληλουχίας AGGTCA διαχωρισμένες από 4 bp. Οι δύο υπομονάδες του υποδοχέα έρχονται σε επαφή με τις εξαμερείς αλληλουχίες με μια έλικα αναγνώρισης, με τρόπο πολύ όμοιο με εκείνο του υποδοχέα γλυκοκορτικοριδών. Τα άτομα του ψευδαργύρου είναι σχεδιασμένα σε σφαίρες. Στην εικόνα φαίνεται επίσης η πολικότητα της σύνδεσης των δύο υπομονάδων. Η αλληλεπίδραση ανάμεσα στις δύο υπομονάδες μεσολαβείται κυρίως μέσω μιας επέκτασης του C-τελικού άκρου της DNA δομικής περιοχής σύνδεσης του T 3 R. Μια μεγαλύτερη ή μικρότερη απόσταση ανάμεσα στα δύο εξαμερή του HRE θα μπορούσε να δράσει αντίθετα με την αλληλεπίδραση ανάμεσα στις δύο υπομονάδες (Kraulis, 1991).
460 Πυρηνικοί υποδοχείς Η αλληλουχία HRE που χρησιμοποιήθηκε για τον καθορισμό της δομής (AGGTCA(N) 4 AGGTCA) αποτελείται δύο ολόιδια εξαμερή σε άμεση επανάληψη που διαχωρίζονται από 4 bp (D-4 διευθέτηση). Το ετεροδιμερές σύμπλοκο RXR-T 3 R συνδέεται κατά ένα πολικό τρόπο πάνω στο HRE, με το RXR να καταλαμβάνει την 5 άκρη του HRE. Και οι δύο εξαμερείς αλληλουχίες βρίσκονται προς την ίδια πλευρά της διπλής έλικας του DNA και βρίσκονται σε επαφή με μια α-έλικα του κάθε υποδοχέα κατά ένα σχεδόν παρόμοιο τρόπο. Στο σύμπλοκο, η περιοχή δέσμευσης DNA του T 3 R αλληλεπιδρά περισσότερο με τo ένα εξαμερές από ότι ο RXR. Διαφορετικά δομικά στοιχεία καθενός από τους μονομερείς υποδοχείς εμπλέκονται στη διαδικασία διμερισμού, οδηγώντας στη πολική διαμόρφωση των μονομερών πάνω στο DNA. Ο δομικός καθορισμός επιβεβαιώνει τη σημασία της απόστασης ανάμεσα στα δυο εξαμερή ως παράγοντα διάκρισης με ένα εντυπωσιακό τρόπο. Ένα διάστημα μόνο τριών νουκλεοτιδίων ανάμεσα στα δύο εξαμερή θα οδηγούσε σε μια επικάλυψη των δύο υποδοχέων και δεν θα ήταν δυνατή μια σύνδεση υψηλής συγγένειας. Μ ένα διάστημα περισσοτέρων από τέσσερα νουκλεοτίδια επίσης δεν θα μπορούσε να σχηματιστεί ένα υψηλής συγγένειας σύμπλοκο λόγω της σχετικής ακαμψίας των δύο μονομερών. Συνεπώς, η διμερής δομή των υποδοχέων παίζει ένα σημαντικό ρόλο στη διάκριση εξαμερών με στενά συγγενή δομή. Τα δομικά συστατικά των υποδοχέων που συμμετέχουν στο διμερισμό εξασφαλίζουν ότι οι έλικες αναγνώρισης παρουσιάζουν μια καθορισμένη αμοιβαία διευθέτηση στο χώρο, προσαρμοσμένη στην απόσταση των εξαμερών των συγγενών HREs. Μόνο σ αυτήν τη διαμόρφωση είναι δυνατή μιας υψηλής συγγένειας, συνεργειακή σύνδεση. Για μια σωστή δέσμευση είναι απαραίτητο και οι δύο έλικες αναγνώρισης να έρχονται σε επαφή και με τις δυο επαναληπτικές αλληλουχίες. Αν λόγω μιας λανθασμένης απόστασης των εξαμερών, συνδεθεί μόνο μία από τις δύο αλληλουχίες αναγνώρισης, τότε δεν μπορεί να σχηματιστεί ένα υψηλής συγγένεια σύμπλοκο. Περιοχή σύνδεσης του προσδέτη Η περιοχή δέσμευσης του προσδέτη των πυρηνικών υποδοχέων περικλείει πολλές λειτουργίες. Εκτός από τη περιοχή σύνδεσης για την ορμόνη, αυτή η δομική περιοχή μεσολαβεί στο διμερισμό των υποδοχέων, στην αλληλεπίδραση με τις πρωτεΐνες θερμικού σοκ, όπως επίσης και στη προσδετο-μεσολαβούμενη trans-ενεργοποίηση. Η περιοχή LBD περιέχει δυο καλά (a) (β) συντηρημένες περιοχές, το μοτίβο υπογραφής ή Τi, και το μοτίβο AF2, υπεύθυνο για την προσδετοεξαρτώμενη ενεργοποίηση της μεταγραφής. Η LBD αποτελείται από 12 α-έλικες, αριθμημένες Η1-Η12, οι οποίες αναδιπλώνονται σχηματίζοντας στο κέντρο έναν υδρόφοβο πυρήνα, όπου συνδέεται ο προσδέτης. Εικόνα 14.12 Η περιοχή LBD, η οποία αποτελείται από 12 α-έλικες. (α) Διαμόρφωση χωρίς το συνδεδεμένο προσδέτη. (β) Διαμόρφωση της LDB μετά τη σύνδεση του προσδέτη. Προσέξτε τη μετακίνηση της α-έλικας Η-12, η οποία περιέχει και την AF2 περιοχή. Από Aranda and Pascual, 2001.
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 14 461 Στοιχεία trans-ενεργοποίησης των Πυρηνικών Υποδοχέων (ΑF2 και AF1) Ένα δομικό στοιχείο απαραίτητο για τη εξαρτώμενη από τον προσδέτη ενεργοποίηση της μεταγραφής βρέθηκε μέσα στην καρβοξυτελική περιοχή της περιοχής δέσμευσης του προσδέτη. Ένα απαραίτητο δομικό χαρακτηριστικό αυτής της περιοχής trans-ενεργοποίησης, που ονομάζεται AF-2, είναι ένα μέρος της Η12 α-έλικας με αμφιπαθή χαρακτήρα. Όλες οι γνωστές δομές μέχρι σήμερα και εκτεταμένα πειραματικά δεδομένα, δείχνουν ότι αυτή η έλικα εμπλέκεται στην επικοινωνία με τα συστατικά του μηχανισμού της μεταγραφής. Η αμφιπαθής α-έλικα της περιοχής trans-ενεργοποίησης παρουσιάζει μια υδρόφιλη και μια υδρόφοβη επιφάνεια. Κατά τη δέσμευση του προσδέτη η έλικα μεταβάλλει τη θέση της και σχηματίζει ένα μέρος της θήκης δέσμευσης του προσδέτη, με τη υδρόφοβή της επιφάνεια (Renaud et al, 1995 και Wagner et al, 1995). Ένα επιπλέον δομικό στοιχείο με λειτουργία trans-ενεργοποίησης εντοπίζεται στο αμινοτελικό άκρο στην A/B δομική περιοχή ορισμένων υποδοχέων. Αυτή η περιοχή, που ονομάζεται AF-1, και είναι υπεύθυνη για την ιδιοσύστατη προσδετο-ανεξάρτητη ενεργοποίηση της μεταγραφής. Εικόνα 14.13 Αναπαράσταση της πρωτοταγούς δομής των πυρηνικών υποδοχέων. Διακρίνονται οι περιοχές AF1, ένα δομικό στοιχείο με λειτουργία trans-ενεργοποίησης που εντοπίζεται στο αμινοτελικό άκρο στην A/B δομική περιοχή του υποδοχέα, και AF2, υπεύθυνο για την προσδετοεξαρτώμενη ενεργοποίηση της μεταγραφής. Σε μεγέθυνση φαίνεται η περιοχή σύνδεσης του προσδέτη (LBD).
462 Πυρηνικοί υποδοχείς 4.Το Σηματοδοτικό Μονοπάτι των Υποδοχέων Στεροειδών Ορμονών Οι υποδοχείς των στεροειδών ορμονών ήταν οι πρώτοι πυρηνικοί υποδοχείς που αναγνωρίστηκαν. Με το χαρακτηρισμό περισσότερων υποδοχέων έγινε φανερό ότι τα σηματοδοτικά μονοπάτια των πυρηνικών υποδοχέων διαφέρουν σημαντικά στη λεπτομέρεια. Με βάση το μηχανισμό ενεργοποίησης του υποδοχέα, οι πυρηνικοί υποδοχείς μπορούν να χωριστούν σε δύο ομάδες: Στη πρώτη ομάδα ανήκουν οι υποδοχείς των στεροειδών ορμονών που μπορούν να εντοπιστούν στον πυρήνα ή στο κυτταρόπλασμα. Οι υποδοχείς της άλλης ομάδας εντοπίζονται στον πυρήνα, με αντιπροσωπευτικούς του υποδοχείς των παραγώγων του ρετινοϊκού οξέος, της ορμόνη T 3 και της βιταμίνη D 3. Η μεταγωγή του σήματος από τις στεροειδείς ορμόνες χαρακτηρίζεται από το γεγονός ότι οι υποδοχείς μπορούν να βρεθούν είτε στο κυτταρόπλασμα είτε μέσα στο πυρήνα. Ο υποδοχέας της στεροειδούς ορμόνης λαμβάνει το ορμονικό σήμα στο κυτταρόπλασμα, γίνεται ενεργός με τη σύνδεση της ορμόνης, και σ αυτό το σημείο εισέρχεται στο πυρήνα για να ρυθμίσει την έναρξη της μεταγραφής συγκεκριμένων γονιδίων. Η εικόνα 14.14 δείχνει τα πιο σημαντικά βήματα στη μετάδοση του μηνύματος από τις στεροειδείς ορμόνες. Ανενεργό σύμπλοκο Ενεργό σύμπλοκο Εικόνα 14.14 Μεταγωγή του σήματος από τους υποδοχείς των στεροειδών ορμονών. Οι υποδοχείς αυτοί βρίσκονται με τη μορφή ενός αδρανούς συμπλόκου με τις Hsp90 και Hsp56 πρωτεΐνες και με την πρωτεΐνη p23. Η δέσμευση της ορμόνης ενεργοποιεί τον υποδοχέα έτσι ώστε να μπορεί να μεταφερθεί στο εσωτερικό του πυρήνα, όπου συνδέεται με το συγγενές HRE. Παραμένει ασαφές σε ποια μορφή ο υποδοχέας μεταφέρεται στο εσωτερικό του πυρήνα και σε ποια έκταση οι συνδεδεμένες πρωτεΐνες εμπλέκονται σ αυτή τη μεταφορά. Ένας μηχανισμός ενεργοποίησης της έναρξης της μεταγραφής περιλαμβάνει την ενεργοποίηση μιας ακετυλάσης της ιστιδίνης και επανασχηματισμό της χρωματίνης. Επιπλέον, οι υποδοχείς αλληλεπιδρούν άμεσα ή έμμεσα με συστατικά του ολοένζυμου της RNA πολυμεράσης II (πχ. SUG1).
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 14 463 Ενεργοποίηση των Συμπλόκων του Κυτταροπλασματικού Απο-υποδοχέα Οι στεροειδείς ορμόνες κατανέμονται σ όλον τον ανθρώπινο οργανισμό μέσω του κυκλοφορικού συστήματος. Η μεταφορά συχνά συμβαίνει με τη μορφή ενός συμπλόκου με μια ειδική πρωτεΐνη σύνδεσης. Ένα παράδειγμα για μια τέτοια πρωτεΐνη σύνδεσης είναι η τρανσκορτίνη, η οποία είναι υπεύθυνη για την μεταφορά των κορτικοστεροειδών. Οι στεροειδείς ορμόνες εισέρχονται στο κύτταρο με διάχυση και ενεργοποιούν τους κυτταροπλασματκούς υποδοχείς. Απουσία στεροειδών ορμονών, οι υποδοχείς παραμένουν ως ανενεργό σύμπλοκο, το οποίο αποτελεί το σύμπλοκο του απο-υποδοχέα. Στο παραπάνω σύμπλοκο, ο υποδοχέας συνδέεται με πρωτεΐνες που ανήκουν στην κατηγορία των συνοδευτικών πρωτεϊνών (chaperones). Οι πρωτεΐνες αυτές είναι πρωτεΐνες των οποίων τα επίπεδα είναι αυξημένα σαν αποτέλεσμα μιας κατάστασης stress, όπως η αύξηση της θερμοκρασίας του περιβάλλοντος. Έχουν μια κεντρική λειτουργία στη διαδικασία αναδίπλωσης των πρωτεϊνών στο κύτταρο. Οι συνοδευτικές πρωτεΐνες βοηθούν στην αποφυγή λανθασμένων μορφών αναδίπλωσης. Συμμετέχουν στην αναδίπλωση των πρωτεϊνών κατά τη διάρκεια και μετά τη βιοσύνθεση των ριβοσωμικών πρωτεϊνών, κατά τη μεμβρανική μεταφορά των πρωτεϊνών, όπως επίσης και στη σωστή συναρμολόγηση των πρωτεϊνικών συμπλόκων. Με τη βοήθεια μιας συν-ανοσοκατακρήμνισης έχει φανεί ότι οι υποδοχείς των στεροειδών ορμονών αλληλεπιδρούν με τουλάχιστον τρεις συνοδευτικές πρωτεΐνες, Hsp90, Hsp70 και Hsp56. Ο όρος Hsp (heat shock proteins: πρωτεΐνες θερμικού σοκ) προέρχεται από την παρατήρηση ότι οι πρωτεΐνες αυτές παράγονται σε υψηλότερα επίπεδα μετά από αύξηση της θερμοκρασίας. Επιπλέον, στο σύμπλοκο του από-υποδοχέα βρίσκεται και μια 23 kda όξινη πρωτεΐνη, της οποίας η λειτουργία δεν είναι ακόμη ξεκάθαρη. Hsp70 Hsp70 5 -AGGTCA-NNNN-TGACCT-3 Εικόνα 14.15 Τρόπος ενεργοποίησης των πυρηνικών υποδοχέων των στεροειδών Οι διάφορες περιοχές του υποδοχέα συμβολίζονται με: πράσινο ο ΗΒD (hormone binding domain), με κόκκινο ο DBD (DNA binding domain) και με πορτοκαλί ο NTD (nuclear translocation domain). Η σύνδεση του υποδοχέα στη περιοχή HRE του DNA γίνεται μέσω της DNA binding περιοχής του. Η περιοχή ΗRE αποτελείται από μια παλινδρομική ακολουθία δυο όμοιων εξαμερών, η οποία περιβάλλει 4 βάσεις ξεχωριστές για κάθε υποδοχέα: 5 -AGGTCA-NNNN-TGACCT-3.
464 Πυρηνικοί υποδοχείς Υποτίθεται ότι ο υποδοχέας, όταν συνδέεται με τις Hsp90, Hsp56 και p23, τροποποιείται σε μια ευνοϊκή διαμόρφωση για τη σύνδεση της ορμόνης. Η ενεργοποίηση του υποδοχέα απαιτεί την παρουσία της Hsp90, η οποία συνδέει τον υποδοχέα ως διμερές. Η Hsp90 συνδέεται κατά προτίμηση σε μερικώς αναδιπλωμένες πρωτεΐνες και πιστεύεται ότι η Hsp90 συγκρατεί τον υποδοχέα σε μια μερικώς αναδιπλωμένη διαμόρφωση. Θεωρείται ότι η Hsp70 διευκολύνει τη σωστή σύνδεση της Hsp90 με τον υποδοχέα. Σ αυτή τη λειτουργία η Hsp70 υποστηρίζεται από μια επιπλέον heat shock πρωτεΐνη, η οποία ανήκει στην DnaJ οικογένεια. Η Hsp70 πιθανόν εμπλέκεται επίσης στο μερικό ξετύλιγμα της περιοχής δέσμευσης των στεροειδών, μια διαδικασία η οποία φαίνεται να είναι απαραίτητη για τη σύνδεση της ορμόνης. Η δέσμευση της ορμόνης στον απο-υποδοχέα οδηγεί στην ενεργοποίηση του υποδοχέα και αρχίζει την μετατόπιση του υποδοχέα στον πυρήνα. Ο ενεργοποιημένος υποδοχέας έχει μια πυρηνική αλληλουχία εντόπισης και είναι επιπλέον ικανός για τη σύνδεση στο DNA και την trans-ενεργοποίηση. Η ικανότητα για trans-ενεργοποίηση σημαίνει ότι η περιοχή της trans-ενεργοποίηση είναι σωστά τοποθετημένη, σαν αποτέλεσμα της σύνδεσης της ορμόνης, για να επιτρέψει την ενεργοποίηση του μηχανισμού μεταγραφής. Λεπτομέρειες της ενεργοποίησης και μεταφορά στο εσωτερικό του πυρήνα παραμένουν άγνωστες. Υποτίθεται ότι το σύμπλοκο ανάμεσα στον υποδοχέα και την ορμόνη και των ασαφώς συνδεδεμένων πρωτεϊνών θερμικού σοκ φθάνει στον πυρήνα μέσω ενός συστήματος πρωτεϊνικής μεταφοράς. Μετά την αποσυμπλοκοποίηση των πρωτεϊνών θερμικού σοκ, το σύμπλοκο ορμόνης-υποδοχέα είναι ικανό για ειδική σύνδεση στο HRE και για transενεργοποίηση. Οι συνοδευτικές πρωτεΐνες χρησιμοποιούνται σαν εργαλεία σ αυτό το σύστημα για τη ρύθμιση της δραστηριότητας των υποδοχέων στεροειδών ορμονών. Η λειτουργία των πρωτεϊνών αυτών είναι προφανώς η τροποποίηση του υποδοχέα σε μια διαμόρφωση η οποία επιτρέπει υψηλής συνάφειας σύνδεση στην ορμόνη και τα επακόλουθα βήματα της ειδικής σύνδεσης του DNA και της trans-ενεργοποίησης. Για τους υποδοχείς στεροειδών ορμονών αυτό σημαίνει ότι πρέπει να υπάρχουν σε λειτουργικά διαφορετικές διαμορφώσεις. Αυτό ίσως αποτελεί μια λειτουργία των συνοδευτικών πρωτεϊνών στη σταθεροποίηση μιας συγκεκριμένης διαμόρφωσης, πιο ευνοϊκής για τη σύνδεση της ορμόνης. Σύνδεση στο DNA και trans-ενεργοποίηση Τα HREs αποτελούν στοιχεία της περιοχής ελέγχου προαγωγέων ρυθμιζόμενων από ορμόνες. Τυπικά, η σύνδεση του ενεργοποιημένου, συνδεδεμένου με την ορμόνη υποδοχέα στους HRE διεγείρει την έκφραση των συγγενών γονιδίων. Οι μηχανισμοί της ενεργοποίησης της μεταγραφής ακόμη παραμένουν σε θεωρητικό επίπεδο. Έχουν χαρακτηριστεί πολλές πρωτεΐνες που λειτουργούν ως συμπαράγοντες ενεργοποίησης, πχ. αυτές που αλληλεπιδρούν με τον ενεργοποιημένο υποδοχέα. Η φύση αυτών των πρωτεϊνών προτείνει ότι υπάρχουν τουλάχιστον δύο, ξεχωριστά μονοπάτια ενεργοποίησης της μεταγραφής: αλληλεπίδραση της περιοχής trans-ενεργοποίησης με στοιχεία του συμπλόκου έναρξης της μεταγραφής ενεργή επαναδιάταξη της χρωματίνης. Λόγω της πολύπλοκης δομής του συμπλόκου έναρξης παραμένει ασαφές ποιες αλληλεπιδράσεις είναι υπεύθυνες για τον πρώτο μηχανισμό. Η σύνδεση μεταξύ της περιοχής trans-ενεργοποίησης και του συμπλόκου έναρξης μπορεί να είναι άμεση ή έμμεση. Υπάρχει απόδειξη που δείχνει ότι πρωτεΐνες με συν-ενεργοποιητική δράση μεσολαβούν στην αλληλεπίδραση ανάμεσα στους συνδεδεμένους με HRE υποδοχείς και το μηχανισμό έναρξης της μεταγραφής. Μια τέτοια πρωτεΐνη είναι η RIP-140, η οποία μεσολαβεί στην ενεργοποίηση της μεταγραφής του υποδοχέα οιστρογόνων. Η περιοχή AF2 μπορεί να έρχεται
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 14 465 σε άμεση επαφή με τη μεταγραφική συσκευή. Ένα συστατικό του ολοενζύμου της RNA πολυμεράσης II, η πρωτεΐνη SUG1, έχει προσδιοριστεί ως ένας συνέταιρος δέσμευσης των AF2 περιοχών. Η SUG1 πρωτεΐνη λειτουργεί ως συμπαράγοντας στην έναρξη της μεταγραφής και θεωρείται ως ένας μεσολαβητής. Στο δεύτερο μηχανισμό, η μεταγραφική ενεργοποίηση συμβαίνει μέσω επαναδιάταξης της χρωματίνης. Οι υποδοχείς στεροειδών, σε συνεργασία με άλλες πρωτεΐνες, μπορεί να επάγουν μια δομή της χρωματίνης η οποία προάγει τη μεταγραφή. Ένα μεγάλο σύμπλοκο λαμβάνει μέρος σ αυτήν την επαναδιάταξη. Μερικές πρωτεΐνες του συμπλόκου, όπως η πρωτεΐνη CBP/p300, παρουσιάζει δράση ακετυλάσης των ιστονών. Ο ενεργοποιημένος συνδεδεμένος με το DNA υποδοχέας στρατολογεί μια ακετυλάση ιστόνης στη χρωματίνη. Έτσι μπορεί να δημιουργήσει τις απαραίτητες συνθήκες για το σχηματισμό ενός συμπλόκου έναρξης της μεταγραφής. Καταστολή της Μεταγραφής από Υποδοχείς Στεροειδών Ορμονών Οι υποδοχείς των στεροειδών υποδοχέων μπορούν όχι μόνο να ενεργοποιήσουν τη μεταγραφή, αλλά μπορούν επίσης και να καταστείλουν την μεταγραφή. Αυτή η λειτουργία είναι μηχανικά λίγο κατανοητή. Η καταστολή από τους πυρηνικούς υποδοχείς έχει παρατηρηθεί για γονίδια των οποίων οι περιοχές ρύθμισης, έχουν, εκτός από τα HREs, περιοχές σύνδεσης για άλλους παράγοντες μεταγραφής, π.χ, AP-1 και NFκB. Στα γονίδια που ρυθμίζονται από τους AP-1 και NFκB παρατηρήθηκε ότι οι υποδοχείς στεροειδών ορμονών έχουν μια ανασταλτική επίδραση, απενεργοποιώντας τους δυο παράγοντες μεταγραφής. Η παρατήρηση ότι οι υποδοχείς αυτού του είδους λειτουργούν ως ενεργοποιητές όπως επίσης και ως καταστολείς της δράσης των γονιδίων υποθέτει ότι οι υποδοχείς μπορεί να αναλάβουν μια ενεργοποιητική και μια κατασταλτική διαμόρφωση. Στην τελευταία κατάσταση, η μεταγραφική περιοχή ενεργοποίησης των υποδοχέων είναι λανθάνουσα. Ρύθμιση της ράσης του Υποδοχέα με Φωσφορυλίωση: ιασταύρωση μονοπατιών Οι υποδοχείς στεροειδών ορμονών είναι φωσφοπρωτεΐνες, οι οποίες συνήθως φωσφορυλιώνονται σε διάφορες θέσεις. Οι περιοχές φωσφορυλίωσης είναι κυρίως στην αμινοτελική περιοχή των υποδοχέων. Υπερισχύει η φωσφορυλίωση σερίνης. Ένα σπάνιο παράδειγμα φωσφορυλίωσης τυροσίνης περιγράφεται στην περίπτωση των υποδοχέων οιστρογόνων. Οι συνέπειες της φωσφορυλίωσης για τους υποδοχείς ποικίλουν. Υπάρχει επίδραση στη δέσμευση της ορμόνης, στη μεταφορά στον πυρήνα, στη σύνδεση στο DNA και στην trans-ενεργοποίηση. Η ρύθμιση μέσω φωσφορυλίωσης είναι καλά μελετημένη στην περίπτωση του υποδοχέα των οιστρογόνων. Ο υποδοχέας αυτός ενεργοποιείται από τη φωσφορυλίωση στη σερίνη 111, η οποία εντοπίζεται στην AF-1 περιοχή. Σαν αποτέλεσμα της φωσφορυλίωσης η επαγόμενη από την ορμόνη ενεργοποίηση του υποδοχέα είναι επιπλέον αυξημένη. Η δράση της κινάσης προέρχεται από μια ενεργοποιημένη από μιτογόνα πρωτεϊνική κινάση (MAPK, Kato et al., 1995). Το μονοπάτι της MAPK ενεργοποιείται από αυξητικούς παράγοντες και περιλαμβάνει συμμετοχή της πρωτεΐνης Ras. Η φωσφορυλίωση του υποδοχέα οιστρογόνων από MAPκινάσες επιτρέπει σε μιτογόνα να ρυθμίσουν το σηματοδοτικό μονοπάτι των υποδοχέων στεροειδών ορμονών. Η τροποποίηση των πυρηνικών υποδοχέων μέσω φωσφορυλίωσης είναι ένα παράδειγμα διασταύρωσης ανάμεσα στη σηματοδότηση από πυρηνικούς υποδοχείς και άλλα σηματοδοτικά μονοπάτια. Η φωσφορυλίωση των πρωτεϊνών είναι ένα εργαλείο με το οποίο
466 Πυρηνικοί υποδοχείς άλλα σηματοδοτικά μονοπάτια μπορούν να επηρεάσουν τη μεταγωγή του σήματος από τους υποδοχείς των στεροειδών ορμονών. 5. Σηματοδότηση από Ρετινοειδή, Βιταμίνη D 3 και την Ορμόνη T 3 Προσδέτες της ομάδας των ετεροδιμερών RXR και των ορφανών υποδοχέων είναι χημικά πιο ποικίλοι από τους προσδέτες της οικογένειας των στεροειδών. Αντιπροσωπευτικοί προσδέτες αυτής της κατηγορίας είναι τα ρετινοειδή, τα all-trans ρετινοϊκά οξέα, τα 9-cis ρετινοϊκά οξέα, η T 3 ορμόνη και η βιταμίνη D 3. Σε αντίθεση με τη μεταγωγή του μηνύματος από υποδοχείς στεροειδών ορμονών είναι πολλαπλά μονοπάτια με τα οποία οι προσδέτες αυτής της κατηγορίας μπορούν να ενεργοποιήσουν τον υποδοχέα τους: Οι ορμονικοί προσδέτες μπορούν να εκκριθούν στο κλασσικό ενδοκρινολογικό μονοπάτι και να μεταφερθούν στο κύτταρο-στόχο όπου συνδέονται στον υποδοχέα τους. Οι ενεργείς ορμόνες μπορούν να σχηματισθούν ενδοκυτταρικά από ανενεργά πρόδρομα μόρια. Αυτά μεταφέρονται μέσω της κυκλοφορίας του αίματος στο κύτταρο-στόχο, όπου ενζυμικά μετατρέπονται σε ενεργή ορμόνη. Ένα παράδειγμα γι αυτό το μονοπάτι είναι εκείνο του 9-cis ρετινοϊκού οξέος, το οποίο συντίθεται απ την αλκοόλη της βιταμίνης Α (βιταμίνη Α1, ρετινόλη). Η ορμόνη συντίθεται στο ίδιο κύτταρο, στο οποίο λαμβάνει χώρα η ενεργοποίηση του υποδοχέα. Ο προσδέτης συντίθεται ενδοκυτταρικά και δεν εκκρίνεται. Ένα παράδειγμα για μια τέτοια ενδοκυτταρική ορμόνη είναι η προσταγλανδίνη J 2. Τρόπος δράσης των υποδοχέων ρετινοϊκού οξέος (RXR), Βιταμίνης D 3, και Θυροειδούς ορμόνης T 3 α. β. προ-ορμόνη γ. Εικόνα 14.16 Αρχή της μεταγωγής του σήματος από τα RXR ετεροδιμερή. Η ενεργοποιημένη ορμόνη μπορεί να συναντήσει το ετεροδιμερές RXR σε τρεις διαφορετικούς τρόπους: α) Η ορμόνη συντίθεται στους ενδοκρινείς αδένες και φθάνει στο συνδεδεμένο με DNA RXR-T 3 ετεροδιμερές μέσω παθητικής μεταφοράς στον πυρήνα. β) Η ενεργή ορμόνη σχηματίζεται στο κυτταρόπλασμα από μια αδρανή προ-ορμόνη που εισέρχεται στο κύτταρο. γ) Η ορμόνη συντίθεται ενδοκυτταρικά. Και στις τρεις περιπτώσεις, η σύνδεση ορμόνης-ετεροδιμερούς RXR είναι σήμα που επάγει την έναρξη μεταγραφής συγκεκριμένων γονιδίων. Από Mangelsdorf and Evans 1995.
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 14 467 Μια επιπλέον, πιο δραματική διαφορά με τους υποδοχείς των στεροειδών ορμονών είναι ο εντοπισμός των υποδοχέων. Οι υποδοχείς των ρετινοειδών (RAR και RXR), T 3 ορμόνης και βιταμίνης D 3 εντοπίζονται κυρίως στον πυρήνα και η δραστικότητά τους ελέγχεται από τις heat shock πρωτεΐνες. Οι υποδοχείς μπορούν επίσης να συνδεθούν στο αντίστοιχο HRE απουσία ορμόνης, στην περίπτωση αυτή μπορούν να λειτουργήσουν ως καταστολείς της δράσης των ενζύμων. Παρουσία της ορμόνης παρατηρείται συνήθως μια ενεργοποίηση της έκφραση γονιδίων. Αρχικές μελέτες στους υποδοχείς που προαναφέρθηκαν υπέθεσαν ότι αυτοί συνδέουν τα HREs σε ομοδιμερή μορφή. Κατέστη φανερό με την ανακάλυψη των υποδοχέων του 9-cis ρετινοϊκού οξέος ότι αυτή η απλή κατάσταση θα μπορούσε να αντικατασταθεί από μια πιο πολύπλοκη. Η πηγή αυτής της πολυπλοκότητας είναι η πιθανότητα για το σχηματισμό ετερόή ομοδιμερών, όπως επίσης οι πολλές πιθανότητες συνδυασμού στη συγκρότηση των αντίστοιχων HREs. Οι υποδοχείς για τους παραπάνω προσδέτες, συνήθως εκτελούν τη ρυθμιστική τους λειτουργία ως ετεροδιμερή. O RXR παίζει ένα ειδικό ρόλο στο σχηματισμό των ετεροδιμερών: ο υποδοχέας για το 9-cis ρετινοϊκό οξύ είναι συνήθως ένας από τους συνεταίρους σύνδεσης στο ετεροδιμερές. ομή των HREs των ετεροδιμερών RXR Τα HREs και τα ετεροδιμερή RXR συνήθως αποτελούνται από δύο ολόιδια ή σχεδόν ίδια αντίγραφα της εξαμερούς αλληλουχίας AGGTCA σε ευθεία επανάληψη. Η φαινομενικά απλή δομή των HREs οδηγεί στην απορία πώς οι υποδοχείς αυτής της κατηγορίας μπορούν να διακρίνουν ανάμεσα σε διάφορα HREs. Μελέτες με τεχνητά παράγωγα HRE, όπως επίσης και φυσικά υπάρχοντα HREs, υποδηλώνουν ένα περίπλοκο αποτέλεσμα ανάμεσα στη δομή των HRE από την μια πλευρά και τον ομό- ή ετεροδιμερή σχηματισμό των υποδοχέων απ την άλλη πλευρά. Τα ακόλουθα σημεία έχουν χαρακτηριστεί ως σημαντικά για την αναγνώριση και καθορισμό ενός συγκεκριμένου HRE: Στην περίπτωση των ίδιων εξαμερών αλληλουχιών ενός HRE το διάστημα ανάμεσα στα εξαμερή είναι ένα ειδικά καθορισμένο στοιχείο. Το διάστημα μπορεί να κυμαίνεται από 1-6 bp. Αιτία για τη διάκριση με βάση την απόσταση είναι η δομή του διμερούς υποδοχέα. Ένας δεδομένος υποδοχέας απαιτεί ένα συγκεκριμένο διάστημα των εξαμερών στο HRE λόγω των απαιτήσεων του χώρου. Αν δεν υπάρχει η σωστή απόσταση εμποδίζεται η σύνδεση υψηλής συγγένειας ενός διμερούς στο HRE. Ο υποδοχέας για το 9-cis ρετινοϊκό οξύ (RXR) συνήθως καταλαμβάνει την 5 θέση στο ετεροδιμερές. Ο RXR εξυπηρετεί ως φορέας για να φέρει άλλα μονομερή υποδοχέων στο 3 θέση του HRE. Εκτός από την απόσταση, η αλληλουχία των εξαμερών είναι επίσης σημαντική για τη διάκριση. Στα φυσικά υπάρχοντα HREs βρίσκει κανείς αλληλουχίες πολύ στενά σχετικές με τη συντηρημένη αλληλουχία AGGTCA: η φύση της αλληλουχίας επίσης συμβάλλει στην ταυτότητα και στην εξειδίκευση ενός HRE. Για τα ετεροδιμερή εκτός από τον VDR και το T 3 R μπορεί να φανεί ότι η απαραίτητη συγκέντρωση της ορμόνης για την ενεργοποίηση βασίζεται στο ποιο από τα δύο μονομερή καταλαμβάνει την 5 και ποιο την 3 θέση στο HRE.