Гормоны связываются со своими специфическими рецепторами обычно с высоким сродством. Это изменяет аллостерическую конфигурацию рецепторной молекулы, придавая ей биологическую активность. Гормональные рецепторы локализуются как на поверхности, так и внутри клеток.
Рецепторы клеточной поверхности
Эти рецепторы состоят из домена, распознающего лиганд и локализованного на наружной поверхности клеточной мембраны, одного или нескольких внутримембранных доменов и регулируемого лигандом цитоплазматического эффек- торного домена. Такая организация рецепторов создает возможность восприятия клеткой внеклеточных сигналов и проводить их во внутриклеточную среду.
Поверхностные рецепторы клеток можно разделить на 4 типа.
- Рецепторы с семью трасмембранными доменами, называемые также рецепторами, сопряженными с G-белками (GPR), опосредуют эффекты катехоламинов, простагландинов, АКТГ, глюкагона, ПТГ, ТТГ, ЛГ и др. Их обращенный во внекленую среду N-концевой домен соединен с семью трансмембранными доменами, расположенными в липидном бислое клеточной мембраны, и далее — с цитоплазматическим гидрофильным С-конце- вым доменом. Эти рецепторы сопряжены с белками, связывающими гуаниловые нуклеотиды («G-белками»). Взаимодействие рецептора с лигандом (гормоном) активирует G-белки, которые, в свою очередь, влияют на активность аденилатциклазы и фосфолипазы С, индуцируя тем самым образование так называемых вторых мессенджеров (посредников) и, в конечном счете, изменение клеточной организации, активности ферментов и транскрипции генов. Взаимодействие с лигандом приводит к связыванию рецептора с (3-аррестина- ми, которые ограничивают первичный гормональный сигнал. Кроме того, Р-аррестины способствуют фосфорилированию активированного рецептора G-протеинкиназами, что приводит к образованию альтернативных вторых мессенджеров и иным последующим эффектам.
- Рецепторы, обладающие собственной лиганд-завискмой ферментативной активностью, опосредуют эффекты многих сигнальных молекул, включая предсердный натрийуретический пептид (ПНП) и трансформирующий фактор роста-р (ТФР-Р). Каждый из этих рецепторов содержит обращенный наружу N-концевой лигандсвязываю- щий домен, один трансмембранный домен и С-концевой каталитический домен. Рецепторы факторов роста, в том числе инсулина и эпидермального фактора роста (ЭФР), обладают тирозинкиназной активностью. Связывание лиганда приводит к диме- ризации и аутофосфорилированию рецептора, что сопровождаются мобилизацией дополнительных факторов и стимуляцией путей, опосредуемых митоген-активируемой протеинкиназой (МАПК) и B/Act протеинкиназой Р13-киназы (киназы, фос- форилирующей фосфатидилинозитол по третьей гидроксильной группе). Рецептор ПНП обладает собственной лиганд-зависимой гуанилатциклазной активностью, катализирующей образование второго мессенджера — гуанозин-3’,5’-циклического монофосфата (цГМФ). Димеризующиеся под действием лиганда рецепторы ТФР-Р обладают лиганд-зависимой серин-треонинкиназной активностью.
- Рецепторы цитокинов являются членами крупного семейства белков, связывающих такие сигнальные молекулы, как ФНО-а. Рецепторы этого типа опосредуют, по-видимому, и действие ГР и лептина. Подобно рецепторам факторов роста, рецепторы цитокинов состоят из поверхностного N-концевого лиганд-связывающего домена, одного трансмембранного домена и С-концевого эффек- торного домена и также функционируют в виде димеров. Однако они лишены собственной ферментативной активности. Взаимодействуя с лигандом, они сопрягаются с цитоплазматическими тирозинкиназами [Янус киназами (JAK)], которые активируют факторы транскрипции [проводники сигналов и активаторы транскрипции (STAT)], а также взаимодействуют с другими киназными каскадами.
- Рецепторы-транспортеры связывают такие лиганды, как ацетилхолин, реагируя открытием ионных каналов. В этом случая роль второго мессенджера выполняет приток ионов в клетку. Примерами являются рецепторы ПНП типа С («очищающие»), а также рецепторы липопротеинов низкой плотности (ЛПНП), маннозо-6-фосфата и трансферрина. Каждый из этих рецепторных белков содержит короткий цитоплазматический домен, который передает сигнал каким-то неизвестным способом. Поскольку большинство таких рецепторов подвергается интернализации путем эндоцитоза с последующим разрушением лиганда, их часто называют не рецепторами, а именно транспортерами.
Ядерные рецепторы
Ядерные рецепторы опосредуют действие стероидных гормонов, витамина D, тиреоидных гормонов, ретиноидов, жирных и желчных кислот, эйкозаноидов, ксенобиотиков и других сигнальных молекул. В геноме человека насчитывается 48 генов, кодирующих разные ядерные рецепторы. Для многих из них гормоны и другие лиганды были известны, но продолжают обнаруживаться и новые. Так, недавно было показано, что рецептор HNF-4A с высоким сродством связывает жирные кислоты с 14-18 углеродными атомами; SF1 и его печеночный аналог LRH взаимодействуют с фосфатидили- нозитолами; Е75 (у насекомых) связывает гем, а рецептор витамина D — не только сам витамин, но и желчные кислоты.
Ряд таких рецепторов, по-видимому, вообще не связывает лиганды. Например, как показал кристаллографический анализ, карман белка Nurrl, соответствующий по локализации гормон-связывающему участку других ядерных рецепторов, целиком заполнен крупными боковыми цепями аминокислот.
Помимо лигандов, ядерные рецепторы могут регулироваться сигналами вторых мессенджеров.
Такие лиганд-независимые механизмы активации свидетельствуют о взаимодействии поверхностных и ядерных рецепторов и создают возможность модуляции функции последних сигналами, исходящими из внеклеточной среды. Лиганд-независимая активация ядерных рецепторов играет важную роль в действии нейротрансмиттеров (дофамина), в нейробиологии, при воспалении, а также при развитии гормонально зависимых раковых опухолей. Кроме того, именно таким образом регулируется, вероятно, активность «рецепторов-сирот».
Активированные ядерные рецепторы связываются с чувствительными элементами ДНК, локализованными в промоторных участках генов-мишеней (местах инициации транскрипции), и/или с другими факторами транскрипции, ассоциированными с этими генами. В зависимости от своего состояния (активированного или репрессированного), ядерные рецепторы находятся в связи с крупными корепрессорными и коактиваторными комплексами, которые модулируют экспрессию генов, изменяя состояние хроматина или контактируя с механизмами базальной транскрипции. Нуклеотидные последовательности гормон-чувствительных элементов (ГЧЭ) ДНК обычно представляют собой шестинуклеотидные повторы, разделенные разным числом нуклеотидов, и формируют либо прямые повторы, либо палиндромы, либо обратные палиндромы. Взаимодействие ядерных рецепторов с белками меняет (в основном подавляет) активность ассоциированных с ДНК факторов транскрипции, таких, например, как активирующий белок 1 (API), специфический белок 1 (Spl) и ядерный фактор кВ (NF-kB).
Ядерные рецепторы обладают сходной общей структурой и функцией. Каждый из них состоит из трех доменов, действующих в определенной степени независимо друг от друга. На транскрипцию влияет N-концевой домен (различающийся в разных рецепторах). ДНК-связывающий домен обладает одинаковым строением в разных рецепторах, опосредует распознавание ГЧЭ и димеризацию, а также участвует в модуляции активности гетеро- логичных факторов транскрипции. С-концевой также консервативен; именно он связывает лиганд, но и принимает участие в димеризации рецепторов и их влиянии на транскрипцию генов-мишеней.
Несмотря на общее сходство разных ядерных рецепторов, они делятся на подклассы, различающиеся деталями своих эффектов. Рецепторы стероидных гормонов в отсутствие лиганда присутствуют в цитоплазме или ядре в виде неактивных комплексов с белками теплового шока. Связывание лиганда приводит к диссоциации этих комплексов и появлению активных гомодимеров рецепторов, которые транслоцируются в ядро, где соединяются с коактиваторами. В отличие от этого, рецепторы тиреоидных гормонов, ретиноидов, витамина D и пролифератора пероксисом в отсутствие лиганда прочно связаны с хроматином, обычно в виде димеров с ретиноидным X рецептором. При взаимодействии с лигандом на уровне позитивно регулируемых генов эти рецепторы отсоединяются от корепрессоров (репрессирующих гены-мишени) и образуют комплексы с коактиваторами, в результате чего репрессия генов сменяется их активацией. Другие ядерные рецепторы отличают структурные особенности. SF-1, например, содержит между ДНК- и лиганд-связывающими доменами крупный шарнирный домен, обладающий, регулируемой вторыми мессенджерами способностью активировать транскрипцию. Так называемый короткий гетеродимерный партнер (SHP) содержит отдельный лиганд-связывающий домен, подавляющий активность других ядерных рецепторов, и действует подобно кофакторам.
Арилгидрокарбоновый рецептор представляет собой широко распространенный фактор транскрипции, связывающий ксенобиотики, в том числе искусственные (например, диоксин). Этот рецептор принадлежит к семейству белков, отличающихся от ядерных рецепторов, но также способен связываться с ДНК. Он образует гетеродимер с индуцируемым гипоксией фактором транскрипции 1, который опосредует реакции на снижение напряжения кислорода. Эндогенный лиганд этого рецептора неизвестен, но не исключено, что природные лиганды арилгидрокарбонового и других неклассических ядерных рецепторов будут обнаружены в дальнейшем.
Между ядерными и поверхностными рецепторами, а также их лигандами существуют сложные взаимодействия. Уже упоминалось, что ядерные рецепторы могут активироваться сигналами вторых мессенджеров. И наоборот, лиганды ядерных рецепторов способны действовать на клеточную мембрану. Мембранные эффекты лигандов ядерных рецепторов, как правило, возникают слишком быстро, чтобы их можно было отнести на счет изменения транскрипции генов. Иногда такие эффекты опосредуются специфическими мембранными рецепторами. Так, прогестерон препятствует действию окситоцина путем прямого и высоко избирательного связывания с мембранными рецепторами окситоцина, сопряженными с G-белком. В других случаях классические ядерные рецепторы (эстрогенные, андрогенные и прогестероновые) взаимодействуют с белками внутренней поверхности клеточной мембраны (такими, как тирозинки- наза Src и субъединица р85 Р13-киназы), инициируя каскады вторых мессенджеров или даже прямо воздействуя на состояние клеточной мембраны.