Обзор современных представлений о строении и функции эстрогеновых рецепторов, их конформационных изменениях при взаимодействии с агонистами и антагонистами

АННОТАЦИЯ

В данной статье рассматриваются особенности строения, конформационных изменений и ответа эстрогеновых рецепторов. Авторы ставили перед собой цель сделать обзор российской и зарубежной литературы, получить наиболее современные и актуальные данные для дальнейших клинических научных исследований. В статье расписаны особенности генетики ЭР, синтеза, локализации, лиганд-рецепторного взаимодействия ЭР, а также дальнейшего проведения сигнала и действия на различные органы, ткани и системы. Были изучены и проанализированы данные почти 40 российских и зарубежных источников. Данная работа представляет собой научный интерес для дальнейших исследований в различных областях медицины, таких как клиническая и общая фармакология, акушерство и гинекология, биологическая химия.

ABSTRACT

This article deals with the features of the structure, conformational changes, and signaling during the activation of ER. The authors set a goal to review Russian and foreign literature, obtain the most up-to-date and relevant data for further clinical research. The article features the genetics of ER, synthesis, localization, ligand-receptor interaction of ER, as well as further signal and action on various organs, tissues and systems. Data of more than 30 Russian and foreign sources were studied and analyzed. This work is vital for scientific interest for further research in various fields of medicine, such as Biochemistry, Pharmacology and Gyneсology.

Эстрогеновые рецепторы (ЭР) синтезируются во многих клетках и имеют две формы ЭР-α и ЭР-β, закодированные в разных генах. Ген ЭР-α находится в длинном плече 6 хромосомы, локусах q24—27, ген ЭР-β расположен в локусе q21—22 хромосомы 14. Они обладают большой гомологичностью и являются транскрипционными факторами, имеющими центры связывания с промоторами и энхансерами ДНК.

ЭР имеют доменную структуру. N-концевые А-В домены активируют транскрипцию независимо от лиганда (TAF-1). Активность ТAF-1 регулируется ростовыми факторами через МАР-киназный путь [13].

ДНК-связывающий домен (DBD), содержит структуру типа цинкового пальца, типичную для ДНК-связывающих белков [23].

Домен F является вариабельной областью, содержащей последовательность аминокислот, образующую в пространстве 12 α-спиралей. Возможно, этот домен обусловливает различие в ответах на разные модуляторы.

Домен Е (LBD) – лиганд-связывающий домен, активирует транскрипцию (TAF-2) [9]. Домен распознает различия в размере, форме и химических свойствах лиганда. Агонисты индуцируют конформационные изменения, затрагивающие 12-ю спираль (самый крупный завиток LBD, важный для функционирования активатора транскрипции AF-2).  При взаимодействии с агонистами 12 спираль укладывается напротив 3, 5/6 и 11 спиралей. В комплексе с антагонистами 12 завиток связан с гидрофобным пазом, состоящим из 3 и 5 спиралей. Эта ориентация 12 спирали частично скрывает аминокислотные  остатки в пазу, необходимые для активности AF-2. Вероятно, антагонисты нарушают топографию AF-2 поверхности.

Коактиваторы транскрипции усиливают лиганд-зависимую транскрипционную активность ЭР [10]. Они  узнают связывающий участок с помощью короткой последовательности - мотива LXXLL (L – лейцин, X – другая аминокислота), известного как NR бокс.

Структура LBD ЭР показала, что мотив LXXLL формирует центр короткой последовательности α спирали, которая распознается комплементарной канавкой на поверхности рецептора. Этот пептид-связывающий паз, образованный спиралями 3, 4, 5 и 12 и поворотом между 3 и 4 спиралями, - AF-2 поверхность ЭР. Действие активатора транскрипции AF-2 ЭР-α  блокируется антагонистами, т.к. 12 спираль перекрывает часть сайта, узнающего коактиватор, делая его неполным.

Исследования показали, что 13-концевой пептид  содержит NR бокс II, специфично связывающий комплекс агонист-LBD. NR box II пептид-связывающий участок – это паз, образованный остатками аминокислот спиралей 3, 4, 5 и 12  и аминокислотой из поворота между спиралями 3 и 4 (см. рис.1).  По сторонам от этого участка все остатки неполярные, но концы сайта - полярные.

Рисунок 1. Комплексы лигандов с LBD ЭР

А.  Изображения агонист-ЭР LBD-NR box II комплекс. Коактиватор и LBD показаны лентой. Пептид окрашен оранжевым, 12 спираль (остатки 538-546) – фуксиновая. 3, 4, 5 спирали подписаны и раскрашены синим. Агонист – зеленый. В. 2 ортогональных изображения комплекса антагонист-ЭР LBD. Остатки 536-544 12 спирали – фуксиновые. Антагонист – красный.

LBD взаимодействует с гидрофобными поверхностями NR box II пептида, сформированной мотивом LXXLL. Цепи, формирующие паз, удерживаются Ван-дер Ваальсовыми связями и формируют специфическую поверхность внутри [5].

Рассмотрим изменение конформации рецептора на примере взаимодействия с DES (диэтилстилбестрол) и OHT (4-гидрокси-тамоксифен).

Взаимодействие с DES ЭР-α напоминает Е2 (эстрадиол). Одно из фенольных колец  DES заключается в том же положении, что и кольцо Е2, неподалеку от  спиралей 3 и 6. Как и кольцо Е2, DES-А-кольцо входит в сцепление с боковыми цепями,  его фенольная гидроксильная группа  образует водородные связи с гамма-карбоксилатом Glu-353 и гуанидиновой группой Arg-394. Кольцо А ' DES находится рядом со спиралями 7, 8 и 11 и формирует Ван-дер Ваальсовы связи с остатками аминокислот (аналогично кольцам  С и D Е2) . Существуют незанятые полости, смежные с поверхностями  B и C колец Е2. Этиловые группы DES, которые выступают вертикально от плоскости фенольных колец, плотно прилегают к этим пространствам. Полученные дополнительные неполярные контакты с боковыми цепями могут свидетельствовать о большей аффинности  DES к рецептору (см. рис 2 А).

Для связывания многих лигандов ЭР может использовать одни и те же остатки аминокислот, что, предположительно, связано большим объемом лиганд-связывающего участка и его структурной пластичностью.

Рисунок 2. А – DES в лиганд-связывающей области, В – ОНТ. Показаны остатки аминокислот, участвующие в образовании связей с лигандами. Пояснения в тексте.

Связывание антагониста ОНТ индуцирует конформацию  LBD, отличную от связывания с DES. В комплексе DES, связи образуют части спиралей 3, 8 и 11 [25]. А состав и ориентация спирали 12 различны в двух структурах. Спираль 12 в комплексе DES состоит из остатков 538-546 аминокислот, в то время как в комплексе с ОНТ она состоит из остатков 536-544 (см. рис. 1). Еще более существенно то, что спираль 12 в комплексе с ОНТ занимает часть коактиватор-связывающего паза, формируемого остатками спиралей 3, 4, 5 и поворотом спиралей 3 и 4.

За исключением конформации 12 спирали структура пептид-связывающего паза почти идентична для комплексов с агонистом и антагонистом, поэтому участок этого паза вне спирали 12 называется «статичным» участком  NR box связывающего сайта [5].

Антагонист связан с рецептором в том же месте, что агонисты (см. рис. 3). Ориентация антагониста в связывающей области обусловлена двумя структурными особенностями лиганда: фенольным кольцом А и громоздкой боковой цепью. А кольцо антагониста связано почти в том же месте, что А кольцо агониста (рис. 2).

Рисунок 3. Сравнение конформаций LBD в комплексах с разными лигандами [27]

Эстрогены реализуют свои эффекты двумя путями: геномным и негеномным. Активация первого пути (долгого) реализуется классическим способом: гормон пассивной диффузией попадает в клетку-мишень [18], связывается с цитоплазматическим рецептором, происходит диссоциация последнего от стабилизирующих шаперонов, комплекс рецептор-лиганд перемещается в ядро [2; 4]. В ядре рецепторы димеризуются (гомодимеры ЭР-α-ЭР-α; ЭР-β-ЭР-β или гетеродимер ЭР-α-ЭР-β) [5]. Этот димер связывается со специальным участком ДНК – энхансером – ответным элементом для эстрогенов (ERE) [3]. Произошедшие конформационные изменения позволяют связаться со специальными белками, активирующими транскрипцию, в том числе с РНК-полимеразой II.

Негеномные (быстрые) эффекты объясняются наличием ЭР, локализованных на цитоплазматической мембране клеток в специальном углублении – кавеоле. ЭР крепятся к мембране с помощью остатков пальмитиновой кислоты [1].

Локализация эстрогеновых рецепторов и их функции

ЭР находятся во многих тканях организма человека и выполняют различные функции.

Разнообразие клеток костной ткани затрудняет возможности локализовать рецепторы и объяснить их функции. Установлено, что стимуляция ЭР повышает синтез ТФР-β (трансформирующего фактора роста-β), ингибирующего функции остеокластов и снижает образование лизосомальных ферментов, что замедляет резорбцию кости.  ЭР-α останавливают минерализацию костной ткани остеобластами, тогда как ЭР-β – стимулируют.

Локализация и функции ЭР в ЦНС многообразны и обусловлены как геномными, так и негеномными эффектами. Вот немногие из них: модуляция эстрогенами серотонинергического и адренергического тонуса определяет влияние эстрогенов  на настроение и поведение женщин в климактерическом периоде, на когнитивные способности (лимбическая система) [24]. ЭР контролируют транскрипцию белков, поддерживающих жизнедеятельность, развитие и активность нейронов (нейротрофинов) и их рецепторов; нейротрофины, в свою, очередь могут активировать ЭР в отсутствие эстрогенов [19; 35]. Есть предположение о локализации рецепторов в вентромедиальных ядрах гипоталамуса (ядра голода), действие эстрогенов на них снижает аппетит.

В эндотелиоцитах обнаружены оба типа рецепторов. Их стимуляция ведет к активации NO-синтазы, следовательно, образованию NO, что ведет к кратковременному расширению просвета сосуда (негеномный эффект) [14].      
Эстрогены снижают уровни липопротеинов низкой плотности (ЛПНП) и липопротеина (а), повышают уровни липопротеинов высокой плотности (ЛПВП) [34]. Эстрогены снижают уровни синтеза молекул адгезии сосудистых клеток (VCAM), молекул адгезии воспалительных клеток (ICAM), что препятствует внедрению провоспалительных клеток в стенку сосуда. Все это обусловливает замедление атеросклеротических процессов [16]. Кроме того, снижается образование металлопротеиназ, а значит и замедляется процесс ремоделирования сосудов [12, 30, 31].

Практически во всех клетках эпидермиса обнаружены эстрогеновые рецепторы. В большинстве структур кожи  ЭР-β доминируют над ЭР-α [21]. Стимуляция ЭР подавляет апоптоз  кератиноцитов путем экспрессии антиапоптического белка Bcl-2 [11]. Негеномные эффекты реализуются за счет активации протеинкиназы А и цАМФ-пути. Эстрогены не совсем понятным образом подавляют деградацию коллагена; известно, что при нарушении его деградации увеличивается толщина кожи и ее эластичность, а также улучшается гидратация [15]. Примечательно, что ЭР-α расположены обособленно от ЭР-β и андрогенных рецепторов в сальных железах [26]. Эстрогены снижают продукцию кожного сала и количество сальных желез, что применяется в лечении акне. ЭР-β в большом количестве обнаружены в клетках волосяных фолликулов, их стимуляция вызывает активацию роста волос. Таким образом, эстрогены, опосредуя свои эффекты через ЭР обоих типов, замедляют старение кожи [6].

Последние исследования функций ЭР в ЖКТ показывают, что эстрогены (преимущественно за счет ЭР-β) увеличивают всасывание воды и ионов натрия в толстой кишке [20], что вызывает уменьшение объема и увеличение жесткости каловых масс, это приводит к недостаточной стимуляции механорецепторов кишки и к запору [36].

В гладкомышечных клетках, эпителиоцитах стенки влагалища локализованы ЭР-α и -β. В эксперименте на мышах выявлено, что стимуляция этих рецепторов вызывает образование отверстия влагалища и активирует процесс ороговения эпителия [22]. У человека снижение активности эстрогенов или их рецепторов влечет за собой уменьшение толщины эпителия и повышение рН, что вызывает активацию микрофлоры [38].

Исследование ЭР позволяет оценить потенциальную способность эндометрия к имплантации плодного яйца. Снижение экспрессии ЭР ведет к развитию простой железистой гиперплазии эндометрия с кистозными изменениями желез.

У мужчин ЭР обнаружены в простате и яичках (оба типа рецепторов). Точное назначение эстрогенов в мужском организме мало изучено, но есть предположение, что эстрогены участвуют в развитии и созревании спермы, следовательно, они могут влиять на мужскую фертильность. Отмечено снижение либидо у мужчин с низкими значениями эстрогенов. В простате стимуляция ЭР-α способствует гиперплазии  железы (вероятно, ЭР- α  играют роль в дифференцировке эпителиальных клеток в неонатальном периоде), но активация ЭР- β в простате блокирует негативные последствия активности ЭР-α [17].

ЭР локализуются в  эпителии альвеол, протоков, фибробластах молочной железы. Причем всего 7-10% нормальных клеток должны иметь рецепторы. Эстрогены оказывают влияние на рост молочной железы в пубертатном периоде. Повышение концентрации эстрогенов ведет к увеличению размеров молочной железы (в том числе злокачественному), пигментации ареолы [37].

Установлено, что в жировой ткани экспрессируются ЭР-β. Основной эффект – регуляция активности липопротеинлипазы − главного фермента регуляции накопления триглицеридов в адипоцитах. В жировой ткани бедер и ягодиц расположено больше всего рецепторов, там же активность ЛП-липазы выше. Накопление жиров необходимо для нормального течения беременности и в период лактации [33].

ЭР- β обнаружены в немелкоклеточном раке легкого [32].