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Kernrezeptor

Synonyme: Nukleärer Rezeptor (NR), Ligandenaktivierter Transkriptionsfaktor, Nukleärer Hormonrezeptor
Englisch: nuclear receptor

1 Definition

Kernrezeptoren sind Rezeptoren in Form intrazellulärer Proteine, die als ligandenaktivierte Transkriptionsfaktoren funktionieren. Ihre klassischen Liganden sind lipophile, systemisch oder lokal wirkende Hormone.

2 Hintergrund

Hormone, die mit Kernrezeptoren interagieren, sind:

Der entstandene Hormon-Rezeptor-Komplex bindet im Zellkern an regulatorische Promotorelemente der hormonabhängigen Gene und aktiviert oder hemmt dadurch die Transkription dieser Gene.

3 Biochemie

3.1 Transkriptionsregulation

Der hormonbeladene Rezeptor bildet - je nach Typ - einen Komplex mit einem gleichartigen oder einem anderen hormonbeladenen Rezeptor (Homo- bzw. Heterodimerisierung). Im Zellkern bindet das Homo- oder Heterodimer spezifisch an distale Promotorelemente, die sog. Hormone-Responsive Elements (HRE). Sie interagieren mit sequenzunspezifischen, generellen Coaktivatorproteinen sowie Mediatoren, die die Brücke zur basalen Transkriptionsmaschinerie aus RNA-Polymerase und polymerasespezifischen, sog. generellen Transkriptionsfaktoren, bilden. Auf diesem Weg können sie die Transkription einzelner Genabschnitte um ein Vielfaches steigern. In vielen Fällen beobachtet man auch ihre Fähigkeit, die entgegengesetzten Effekte auszulösen und somit die Transkription zu hemmen. Dies hängt davon ab, mit welchen weiteren Faktoren sie an der Promotorregion interagieren. Aufgrund des Zeitanspruchs für die Transkription und die anschließende Translation, setzt die Hormonwirkung mit einer Verzögerung von ca. 1-2 Stunden ein. Damit lässt sich erklären, weshalb lipophile Hormone in der Regel für längerfristige Prozesse zuständig sind.

3.2 Struktur intrazellulärer Rezeptoren

Damit intrazelluläre Hormonrezeptoren ihre Funktion vollständig erfüllen können, müssen sie bestimmte strukturelle Voraussetzungen besitzen:

4 Steroidhormonrezeptoren

Die für Steroidhormone zuständigen Rezeptoren (Steroidhormonrezeptoren) liegen in der nicht stimulierten Zelle als Monomere im Zytosol vor. Sind die Hormonbindungsdomänen noch nicht besetzt, so ist die Struktur des Rezeptors labil und wird deshalb durch die Bindung an Hitzeschockproteine (Hsp90) stabilisiert. Ist das Steroidhormon erstmal gebunden, bildet sich ein stabiler Hormon-Rezeptor-Komplex und die Hitzeschockproteine dissoziieren ab. Anschließend dimerisieren die hormonbeladenen Rezeptoren zu Homodimeren und werden in dieser Form in den Kern überführt. Dort angekommen, binden sie mittels Zink-Finger-Proteinen an die DNA (palindromische DNA-Sequenz). In diesem speziellen DNA-Bereich findet sich auf beiden komplementären Strängen, jeweils in 5'→3'-Richtung gelesen, dieselbe Basenreihenfolge. Diese Situation ist notwendig, da sich die Homodimere so zusammenlagern, dass die sog. N-terminalen Domänen in entgegengesetzter Richtung zeigen müssen und deshalb gegenläufige DNA-Erkennungssequenzen benötigen.

5 Schilddrüsenhormon-, Vitamin-D- und Retinsäurerezeptoren

Rezeptoren für die Retinsäure (RAR = Rezeptor für all-trans-Retinsäure, RXR = Rezeptor für 9-cis-Retinsäure), Schilddrüsenhormone (TR) und für Vitamin D (VDR) weisen alle die gleiche Erkennungssequenz auf der DNA auf (5'-AGGTCA-3'). Die vorab mit Hormonen beladenen Rezeptoren bilden Heterodimere (RXR-TR, RXR-VDR oder RXR-RAR), die an direkt vorliegende Wiederholungen dieser Erkennungssequenzen binden. Die charakteristische Spezifität für das jeweilige Hormon bekommt durch die unterschiedliche Anzahl an Spacer-Nukleotiden - bedingt durch die verschiedenen Größen von TR, VDR und RAR - zwischen den beiden Halbelementen, Bedeutung.

5.1 Schilddrüsenhormone

Anders als bei den Steroidhormonerezeptoren, befinden sich die Rezeptoren für die Schilddrüsenhormone (Schilddrüsenhormonrezeptoren) im Zellkern und sind dort bereits an die DNA gebunden. Erst diffundieren die Hormone durch das Zytosol in den Zellkern und binden anschließend an die dort vorhandenen Rezeptoren.

5.2 Vitamin-D-Rezeptoren

Gleich wie bei den Schilddrüsenhormonen, befinden sich auch für das Vitamin D die Rezeptoren (Vitamin-D-Rezeptoren) im Zellkern und sind bereits an die DNA gebunden. Es findet der selbe Diffusionsvorgang statt.

5.3 Retinsäurerezeptoren

Retinsäurerezeptoren liegen ebenfalls gebunden an die DNA im Zellkern vor. Die Retinsäure diffundiert durch das Zytosol und bindet anschließend an die Rezeptoren.

6 Kernrezeptor-Superfamilie

Aufgrund von Sequenzvergleichen mit anderen Hormonrezeptoren konnte eine weitere Gruppe von Kernrezeptoren identifiziert werden, die man als Kernrezeptor-Superfamilie bezeichnet. Sie umfasst mindestens 48 Proteine. Bei diesen Proteinen ist größtenteils noch unbekannt, welche Bedeutung sie haben und durch welche Liganden sie aktiviert werden. Sie heißen deshalb auch "orphan receptors". Bis heute (2018) konnten schon einige dieser Kernrezeptoren (inkl. Funktionen) aufgeklärt werden.

Kernrezeptoren werden nicht nur durch Hormone, sondern auch durch andere intrazellulär gebildete lipophile Metaboliten aktiviert. Dazu zählen u.a. Fettsäuren, Phospholipide, Gallensäure, Cholesterinderivate oder auch das Häm.

LXR und FXR binden beispielsweise Oxysterole (intrazellulär aus Cholesterin gebildet) bzw. Gallensäure und aktivieren als Heterodimer mit RXR die Transkription von Enzymen des Lipidstoffwechsels. Hier wird insbesonders die Umwandlung von Cholesterin zu Gallensäure gefördert (LXR), sowie die Biotransformation von Gallensäure zu besser wasserlöslichen Verbindungen (inkl. Transport in die Gallenblase, FXR).

Die Transkriptionsfaktoren der PPAR (Peroxisome Proliferator-activated Receptor)-Familie (PPARα, -γ und -δ) sind die funktionell am besten charakterisierten Kernrezeptoren. Sie binden ebenfalls als Heterodimer mit RXR an ihre DNA-Response-Elemente.

siehe auch Hauptartikel: Peroxisom-Proliferator-aktivierter Rezeptor

7 Literatur

  • "Duale Reihe Biochemie" - Joachim Rassow et. al., Thieme-Verlag, 3. Auflage

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