Эстрогены являются стероидными гормонами, синтезируемыми в яичниках, плаценте, коре надпочечников, в других тканях, и секретируемыми в кровь. Их роль и активность связаны с комплексными внутриклеточными реакциями и зависят от наличия специфического стероидного рецептора. В эстрогензависимых тканях гормоны контролируют рост, пролиферацию, дифференцировку клеток и влияют на клеточные функции. Важную роль эстрогены играют во время беременности, в том числе в трансформации эндометрия для имплантации зародыша.
Структура рецепторов
Многочисленные эффекты гормонов осуществляются через рецепторы эстрогенов (РЭ). РЭ – члены III подсемейства суперсемейства стероидных ядерных рецепторов – являются одновременно транскрипционными факторами [27] и имеют сходную структурную архитектуру [41].
Наиболее хорошо изучены ядерные рецепторы – α и β (РЭα и РЭβ). Первичная структура этих белков очень похожа, что позволяет предположить общий механизм действия. Но их синтез контролируется разными генами. Они отличаются своими связывающими свойствами, специфичностью, различными пространственно-временными типами экспрессии. У них общие коактиваторы – NCOA1, NCOA2, NCOA3 (коактиваторы ядерных рецепторов 1, 2, 3), CREBBP (CREB связывающий белок), PPARBP (PPAR связывающий белок), P68, так же как и корепрессоры – NCOR1 (корепрессор ядерных рецепторов 1), NRIP1 (протеин 1 взаимодействующий с ядерными рецепторами) [15].
Ген РЭα находится в длинном плече хромосомы 6 (локус q24–27), тогда как ген РЭβ расположен в локусе q21–22 хромосомы 14. Стероидные рецепторы, как правило, имеют 6 доменов, обозначающихся буквами английского алфавита от A до F (рис.).
Рис. Структура эстрогеновых рецепторов [12].
Как представлено на схеме, рецептор имеет несколько доменов, среди которых наиболее важными являются: аминотерминальный домен (N-терминальный домен, А/B), который способен активировать транскрипцию; ДНК-связывающий домен (C); лиганд-связывающий домен (E); карбокситерминальный домен (F); а также две коактиваторные функции: активаторная функция 1 (activation function 1, AF1) и активаторная функция 2 (activation function 2, AF2), расположенные в области аминотерминального домена и лиганд-связывающего домена, соответственно. Домен D считается скрепляющим между амино- и карбокси-терминальными доменами. Домен E является вариабельной областью, содержащей последовательность аминокислот, образующую в пространстве сложный карман, в котором 11 α-спиральных структур (называемых спиралями 1 и 3-12) создают высокоаффинный сайт взаимодействия эстрогенами. Связывание эстрогенного лиганда изменяет положение спирали 12, которая является частью второй активаторной функции AF-2. Домен F является уникальной особенностью РЭ, и не наблюдается у других членов семейства ядерных рецепторов. Он играет важную роль во внутримолекулярном взаимодействии РЭ, определяет стабильность белков РЭ и, возможно, определяет различие в ответах РЭ на эстрадиол и другие специфические модуляторы [15, 22, 37].
Домен транскрипционной активаторной функции AF1 – участок рецептора, находящийся на N-концевом участке. Он отвечает за белок-белковые взаимодействия и транскрипционную активацию гена-мишени независимо от связывания с лигандом [28]. Сравнительный анализ AF1 доменов РЭ в различных клеточных линиях показал, что в РЭα этот домен высоко эффективен в стимуляции репортерных генов различных эстроген-чувствительных элементов (ERE), в то время как подобная активность AF1 РЭβ низкая [10]. ДНК связывающий домен, как следует из названия, отвечает за присоединение к специфическим последовательностям ДНК. Гомологичность этого участка РЭα и РЭβ высока и составляет около 96% [14]. Лиганд-связывающий домен ответственен за связывание лиганда с рецептором, димеризацию рецептора, ядерную транслокацию и трансактивацию экспрессии генов-мишеней. Этот домен содержит участок с активаторной функцией (AF-2), ответственный за конформационные изменения РЭ в присутствии лигандов и последующее связывание димеров РЭ с коактиваторами и корепрессорами [17, 34, 41].
Проведенные исследования выявили важную роль AF-2 в эстроген-опосредованной пролиферации эпителия эндометрия с использованием антагонистов и селективных модуляторов РЭ (SERMs). Позднее было показано, что и активирующая функция AF-1 также необходима для эстроген-индуцированной пролиферации эпителия матки [35]. Но, для оценки специфических физиологических ролей AF-1 и AF-2 дальнейшие исследования этих доменов еще будут продолжены.
Лиганд-связывающие домены РЭα и РЭβ обладают высокой гомологичностью и имеют аналогичную третичную структуру аминокислотной последовательности [11]. Поэтому не удивительно, что РЭα и РЭβ имеют сходную афинность к эстрогенам и антиэстрогенам. Несмотря на это, биологическое нарушение работы гена РЭα вызывает бесплодие из-за дефектов репродуктивного тракта и половых желез самок животных, тогда как повреждение гена РЭβ приводит только к патологической овуляции [35].
Эстрогены могут реализовывать своё действие через мембраносвязанные рецепторы (мРЭ) – мРЭα и мРЭβ, расположенные на мембране, и рецептор, ассоциированный с g-белком и семь раз пронизывающий мембрану – GPER1 (G protein-coupled estrogen receptor 1) [3, 43].
Механизм действия рецепторов
Эстрогены реализуют свои эффекты двумя путями: геномным и негеномным. Геномный делится на классический и неклассический пути активации [18, 19, 36]. Негеномный механизм действия РЭ реализуется через внутриклеточные сигнальные пути при участии киназных ферментов [6, 8, 23].
Для большинства стероидных гормонов классический процесс передачи сигнала по первому пути состоит из следующих этапов. Сначала гормон проникает в клетку. Затем он контактирует с соответствующим ядерным рецептором. Далее осуществляется транслокация комплекса «гормон–рецептор» в ядро, где происходит его связывание со специфическим участком ДНК. Данные события приводят к синтезу специфических гормонзависимых белков и соответствующим эффектам [42].
В отсутствие лигандов стероидные рецепторы находятся в неактивном состоянии за счет образования комплекса с белками теплового шока (hsp), и вспомогательными белками AP1, SP1, которые препятствуют переходу рецептора в активное состояние. Активация рецепторов при связывании с гормонами приводит к запуску каскада внутриклеточных процессов, включающих фосфорилирование остатков серина и тирозина, диссоциации комплекса рецептор–белок теплового шока и димеризации рецептора. Далее следует прямое взаимодействие активированного гормоном рецепторного димера (ДНК-связывающего домена) со специфическими эстрогенчувствительными последовательностями ДНК (ERE – estrogen responsive element), родственными регуляторными ДНК последовательностями в промоторной области целевого гена или с другими транскрипционными факторами для регуляции генов или группы генов за счет усиления или угнетения их функций [9, 31]. Оба типа РЭ связываются с одной и той же ERE. Далее рецептор использует специальные активирующие функции AF1 и AF2 для связывания коактивирующих белков. Гормон-рецепторный комплекс в связи с другими корегуляторными белками и ДНК вызывает изменение транскрипции и синтеза белка, что ведет к изменению функции клетки и, естественно, к изменению физиологических ответов [42].
Большая часть гормон-рецепторных комплексов в ядре диссоциируется и инактивируется. В цитоплазму возвращаются гормон и инактивированный под действием ядерных фосфатаз рецептор.
Последующая рецептор-зависимая экспрессия генов определяется способностью РЭ присоединять коактиваторные белки к промоутерам. Коактиваторные белки (гистон-ацетилтрансфераза, убиквитинлигаза, метилтрансфераза, группа коактиваторов стероидных рецепторов и др.) обладают внутренней энзиматической активностью и характеризуются множественными повторяющимися аминокислотными последовательностями (LXXLL мотивами, где L – это остаток лейцина, а X – остаток любой другой аминокислоты). Данные мотивы позволяют им реагировать с AF2 доменом рецептора [12].
В дополнение к классическому пути РЭ могут влиять на генетические транскрипционные процессы с помощью механизма, который не требует прямого связывания РЭ с ERE. Вместо этого протеин-протеиновое взаимодействие между РЭ, с одной стороны, и другими транскрипционными факторами, такими как Sp1, Jun, Fos, NF-κB, связанными с альтернативными ответными элементами, с другой стороны, ведет к изменениям в транскрипции целевых генов. Таким образом, РЭ связывается с различными транскрипционными факторами, находящимися в комплексе с ответными элементами, регулирующими генетическую активность. Ключевым и наиболее распространенным звеном неклассического пути является активация транскрипционного фактора AP1, который, так же как и ERE, расположен в промоторной области различных генов и может изменять их транскрипцию. Выделяют два независимых пути неклассической регуляции генетической транскрипции. Первый, когда РЭ влияет на AP1 ответную транскрипцию через механизм, требующий участия его коактиваторных функций (AF1 и AF2), но исключающий ДНК-связывающий домен РЭ. Во втором случае, РЭ может усилить AP1 зависимую транскрипцию без помощи коативаторных функций, но при участии ДНК-связывающего домена. Существование механизмов действии РЭ на классический и неклассический чрезвычайно важно для изучения физиологических и фармакологических эффектов эстрогенов. Так, различные гены имеют различные ответные элементы (response elements, RE) в области своих промоторов, и могут быть, таким образом, активированы или подавлены с помощью эстрогенов [1, 24].
Например, к ERE регулируемым генам относятся гены, отвечающие за синтез пролактина, прогестерона, утероглобина, а также гены, вовлеченные в клеточный рост и метаболизм: c-fos, свертывающий фактор XII, очень низкой плотности липопротеиновый рецептор [13]. Гены, регулируемые при участии AP-1, делятся на две группы. Первая – гены, экспрессия которых эстрогеном активируется: коллагеназа, человеческий инсулиноподобный фактор роста 1 (ИФР1, IGF1); вторая – гены, экспрессия которых эстрогеном регулируется негативно: человеческий ген холин-ацетилтрансферазы, липопротеин липазный ген, ген фолликулостимулирующего гормона [1, 2, 15].
Некоторые эффекты эстрогенов, которые происходят слишком быстро, чтобы быть обусловленными активацией синтеза РНК и белка, невозможно объяснить наличием ядерных рецепторов. Считается, что в таких случаях гормоны действуют негеномно. Негеномная передача сигналов включает взаимодействие между эстрогенами и рецепторами, ассоциированными с клеточной мембраной, либо самим РЭ, либо через рецептор, связанный с G-белком, называемый GPER. Негеномные эффекты являются общим свойством стероидных гормонов. Взаимодействия с мРЭ запускают быстрые сигнальные ответы (которые исключают транскрипционные компоненты), используя активацию внутриклеточной передачи сигналов, примером которой являются пути AKT (протеинкиназа В) и MAPK (митоген-активируемая протеинкиназа), и часто связаны с активацией различных протеинкиназных каскадов, включающих либо протеинкиназу А, либо протеинкиназу В или протеинкиназу С [5, 26]. Описанные негеномные эффекты 17β-эстрадиола включают стимулирование активности аденилатциклазы для синтеза цАМФ и протеинкиназы А. Отмечена способность эстрогенов активировать эндотелиальную NO-синтазу, протеинкиназу С, мобилизовывать внутриклеточный кальций [5]. Тем не менее, основным механизмом негеномного действия этих гормонов является стимуляция МАРК и PI3K (фосфоинозитид-3-киназа) сигнальных путей [4, 33]. Активация PI3К приводит к активации внутриклеточных мембранных фосфоинозитидов и соответствующих киназ, что может стимулировать эндотелиальную NO-синтазу путем прямого фосфорилирования Ser-1179 фермента [20].
Ряд факторов роста (эпидермальный фактор роста, трансформирующий фактор роста α, инсулин или инсулиноподобный фактор роста I), дофамин, цАМФ и другие могут активировать протеинкиназные каскады, что может привести к активации РЭ через фосфорилирование его сериновых или тирозиновых остатков и стимулированию транскрипции в отсутствие эстрогенов [7]. В данном случае, не связанный с лигандом, но активированный рецептор будет осуществлять свое геномное действие [21].
Негеномные эффекты объясняются наличием мРЭ, локализованных на цитоплазматической мембране клеток в специальном углублении – кавеоле. Сообщается о функциональном взаимодействии мРЭα с другими комплексами, такими как G-белки, тирозинкиназы, каркасные белки оболочки кавеол, называемые кавеолинами (кавеолин-1 и кавеолин-2), p130Cas и стриатин в контроле физиологических эффектов, индуцируемых эстрогенами [16, 29, 40]. Это свидетельствует о большой сложности РЭα-опосредованной передачи сигналов, приводящей к специфичному интегрированному ответу в клетках-мишенях. Эти негеномные сигналы передаются в ядро также с помощью различных внутриклеточных сигнальных путей, состоящих из митоген-активируемой протеинкиназы (MAPK/ERK) и фосфоинозитид-3-киназы (PI3K/AKT). Также большую роль в функционировании РЭ играет модификация остатками высших жирных кислот (пальмитоилирование опосредованное пальмитоилацилтрансферазами), которая может регулироваться белком Hsp27 [25, 32].
Реализация негеномного действия происходит также через связывание GPER1 с эстрогенами. Оно вызывает мобилизацию внутриклеточного Са2+, синтез фосфатидилинозитол 3-фосфата (активация АKT), увеличение уровня цАМФ (активация протеинкиназы А) и активацию ERK1/2 (extracellular signal-regulated kinases). В передаче сигнала эстрогенов через GPER1 принимают участие βγ и αs субъединицы G-белка. Наряду с быстрыми эффектами, активация GPER1 эстрогеном вызывает и более долгосрочные транскрипционные ответы. Так, например, генами-мишенями эстрогенов через активацию GPER1 являются гены циклина D2 и Bcl2 [38].
Негеномный механизм, по-видимому, играет свою наибольшую роль в периферических эффектах эстрогенов, наблюдаемых в эндотелиальных клетках, некоторых областях нервной системы, тканях поджелудочной железы, опосредует сердечно-сосудистые реакции и репродуктивные функции мужчин [15].
Таким образом, существуют различные внутриклеточные сигнальные пути, стимулируемые эстрогенами, так же, как и различные клетки и ткани, отвечающие на эстрогеновые стимулы со стороны внеклеточного пространства.
Регуляция работы рецепторов
Учитывая важную и фундаментальную роль, которую играют эстрогены в физиологии (и патологии), точная и динамическая регуляция их активности имеет первостепенное значение. Организм достигает этого, используя множество молекулярных регуляторных механизмов. Контролируя количество и активность рецепторов, присутствующих постоянно, клетки регулируют величину и уровень гормональной передачи сигналов.
Общепринятым является представление о том, что главным физиологическим регулятором экспрессии ядерных рецепторов в организме является концентрация циркулирующих стероидных гормонов [39]. Эстрогены и селективные модуляторы РЭ (SERMs), используя посттранскрипционный механизм, усиливают синтез собственных рецепторов, (а также рецепторов прогестерона и рецепторов андрогенов) [30]. Прогестерон подавляет экспрессию РЭ-α, но одновременно увеличивает экспрессию РЭ-β. Другие ядерные рецепторы гормонов (прогестерона и андрогенов), рецептор витамина D и ретиноидный X-рецептор (RXR) могут регулировать активность промотора гена РЭα. Пептидные гормоны и факторы роста регулируют промотор РЭα либо путем прямого взаимодействия с ДНК, либо посредством активации различных сигнальных каскадов (включая протеинкиназу A, протеинкиназу B, протеинкиназу C и другие сигнальные киназы).
На уровне тканей основными детерминантами специфичности эндокринных гормонов являются локализация и степень экспрессии их рецепторов.
В клетках базальная экспрессия стероидных гормонов контролируется: путем регуляции промоторов рецепторов; путем регулирования стабильности и трансляции мРНК рецептора; путем регулирования стабильности и деградации рецепторных белков; путем модулирования активности РЭ посредством посттрансляционных модификаций и, наконец, путем модулирования активности рецепторов посредством межбелковых взаимодействий и посредством изменения активностей молекул коактиватора [39].
Таким образом, регуляции экспрессии рецепторной мРНК осуществляется на пяти уровнях с помощью огромного количества молекулярных компонентов и отличается значительной сложностью. Это не удивительно, поскольку стероидные рецепторы являются важными и мощными факторами транскрипции, необходимыми для существования организма.
Вторая часть обзора литературы будет посвящена роли РЭ во время беременности. Особое внимание будет уделено их значению в процессе трансформации эндометрия и обеспечении кровотока матки в период гестации. Будет показано, каким образом РЭ способствуют началу родовой деятельности. Будут представлены доказательства локализации рецепторов в различных областях репродуктивного тракта, и гипотезы предполагаемой роли разных видов РЭ в плаценте. Будет проведен анализ данных литературы, касающихся состояния рецепторов при различных осложнениях беременности.
