Steroid Hormone Receptors and Their Functions

1. Steroidhormonrezeptoren

2. Superfamilie der Steroid-Rezeptoren • Klasse A: • Estrogene (ER) • Progesteron (PR) • Glucocorticoide (GR) • Mineralocorticoide (MR) • Androgene (AR) • Klasse B: • Schilddrüsenhormone (TR) • Vitamin D (VDR) • Retinolsäure (RAR) • 9-cis-Retinolsäure (RXR) • Ecdyson (ECR) * „Orphan Receptoren“ COUP-TFI, COUP-TFII u.a. Isoformen können in verschiedenen Zellen und entwicklungsabhängig exprimiert sein

3. Prinzip der Steroid-Wirkung Steroid-Hormon-Rezeptoren sind intrazelluläre Transkriptionsfaktoren Zusätzlich zur Regulation der Transkription wird gelegentlich auch die RNA Stabilität beeinflußt.

4. Steroid-Rezeptoren Häufigkeit: 0.001 % (Aldosteron-Rez.) bis 0.1 % (Progesteron-Rez.) des gesamten löslichen Proteins/Zelle Vorkommen: Pro Zelle können Rezeptoren für verschiedenen Steroidhormone vorkommen Diese Rezeptoren unterscheiden sich voneinander, sind also verschiedene Molekülspezies Gemeinsamkeiten: - Komplexe Exon-Intron Struktur - Promoter hat Charakteristica von „Housekeeping Genes“ - keine kovalente, post-translatorische Modifikationen bekannt (Ausnahme: -PO4). Weder Lipid, CHO noch Nucleinsäuren in den Strukturen - 6 funktionelle Domänen - auch in Abwesenheit von Hormonen sind die Rezeptoren z.T. Im Kern lokalisiert, dort schwach gebunden und inaktiviert durch hsp Untereinheiten: existieren, funktionelle Unterschiede in den UE zwischen Spezies

5. Funktionelle Domänen der Steroid-Rezeptoren A/B (N-Terminus) hochvariabel in Sequenz und Länge; Gen-aktivierende Domäne AF-1 C Cys-reich; enthält Zn++-Finger; Dimerisierung; DNA-Bindungs-Domäne D kurz, variabel (hinge-Region); ermöglicht Konformationsänderung und enthält Signalbereich der für Kernlokalisation verantwortlich ist. ELigandenbindungsdomäne; hydrophob; relativ lang (~ 250 AA); enthält Bereiche für hsp-Assoziierung, Dimerisierung; Kernlokalisation; GenaktivierungAF-2 F (C-Terminus) variabel; Funktion unbekannt

6. DNA-Bindungsdomänen in Eukaryotischen TFs • Homeodomäne/-box • Forkhead Motiv • Leuzin-Reißverschluß (Zipper) • Helix-Loop-Helix • Zn++-Finger C2H2 (Cys, His) (class I) > 1000 TFs C4 (Cys) (classII) > 100 TFs Zn++

8. Heat-shock proteins (hsp) Zellen unten Hitzeschock (~ 43° C) → Synthese von Proteinen Sie helfen den Zellen schwere Schädigungen zu überlegen. Wirken als Chaperone, d.h. sie helfen, Proteinfaltung/-struktur zu erhalten. 3 Hauptfamilien: 56/60 kD; 70 kD und 90 kD. hsp befinden an: - inaktive Form der Steroidrezeptoren - aktin, tubulin - Tyr-spezifische Proteinkinasen Proteins complexed with heat shock protein family members__________________ hsp70 hsp90hsp56/60(GroEL) family family family_____________________ Clathrin-coated vesiclesGlucorticoid receptor phage collars Propro-α factor Tyrosine kinases Ribulose-P2 carboxylase/ Nucleolar proteins eIF-2α kinase oxygenase heavy chain IgG heavy chain Yeast protein kinase C Cytochrome c p53 tumor antigen Tubulin F1-ATPase DNA replication- Actin Temperature-sensitive mutants initiation complex (phage,plasmid) Calmodulin SV40 T-antigen Microtubules (ß-internexin) ________________________________________________________________________________________

9. Inducers of heat shock protein expression _____________________________________________________________________________ Environmental Pathophysiological Normal stress conditions stress conditions conditions _____________________________________________________________________________ Heat Microbial infections Cell cycle Heavy metals Tissue trauma Embryonic development Organics Genetic lesions Cell differentiation Oxidants Hormonal stimulation Microbial growth _____________________________________________________________________________

10. Rezeptoraktivierung (Transformation) • Klasse A-Rezeptoren: • In Abwesenheit von Steroid nur schwache DNA-Bindung; keine transkriptionelle Aktivität • Nach Hormonbindung dissoziieren HSPs ab; Rezeptordimerisierung → Bdg an DNA • Klasse B-Rezeptoren • im Kern lokalisiert und nicht mit HSPs assoziiert. Daher schon in Abwesenheit von Ligand an DNA gebunden

11. SRE frei → keine Aktivierung d. Transkription durch Stabilisierung des Prä-Initiationskomplexes SRE: Steroid-response-element TATA: Im Promotor vorhandene Basensequenz, 25-32 bp vor dem eigentlichen Initiationspunkt der Transkription pol II: DNA Polymerase II II A, II B, II D, II E/F: Transkriptionsfaktoren

12. Hormone-response elements (HRE) 2 Kopien der HEXAMER Sequenz AGGTCA

13. Intramolekulares Trafficking • (Kern-Cytoplasma-Kern) DNA-abhängige Protein Kinase Faktoren, die Rezeptor-Aktivität beeinflussen Phosphorylierung: Steroid-H-Rez. sind stark phosphoryliert (Ser, Thr, Tyr); Phosphorylierung sowohl Liganden-abhängig als auch L.-unabhängig Manche Phosphorylierungen erst nach Bindung des aktivierten Rezeptors an DNA • Phosphorylierung nicht Voraussetzung für Hormon-abhängige • Rezeptoraktivierung, aber möglicherweise wichtig für maximale • Genaktivierung

14. Rezeptor-DNA-Bindung DNA-Sequenzen, die auf Steroid-Hormon reagieren: Hormone-Response-Elements (HRE) Rezeptoren binden bevorzugt als Dimere. Dimerisierung ermöglicht durch Konformationsänderung. Monomer bindet nur schwach. DNA-Bindungsdomäne enthält zwei Module, die Zn++ im Zentrum haben. Modul 1: Zn++-Finger; passt in DNA-Helix Modul 2: wichtig für Interaktion mit PO4 und für Dimensierung Transkriptionsaktivierung durch vermehrte Bildung von stabilen Präinitationskomplexen am Zielpromotor nach Bindung an cis-acting Element Sequenzen.

15. Liganden-unabhängige Aktivierung Agentien, die intrazelluläre Phosphorylierungsprozesse stimulieren, können Steroid-Rezeptoren in Abwesenheit des Liganden aktivieren (Dopamin, Cholera Toxin; Growth Factors [IGF-I, EGF, TGFα]) Echte Kooperation zwischen intrazellulärem Signalling und Membran-abhängigen Signal-Transduktions Pathways („Crosstalk“) Interaktionen der Signalling pathways

16. Co-Aktivatoren Co-aktivator ubiquitinylierung I.) spezifische, Rezeptor-assoziierte Co-Aktivatoren • SRC-Familie: SRC-1 • steroid receptor SRC-2/TIF2 • co-aktivator SRC-3/CIP • andere Co-Aktivatoren • E3-ubiquitin-protein ligase • L7/SPA, TLS, Tri P-ß, TRAPs u.a.

17. II.) Co-Integratoren unspezifisch, ubiquitär, konserviert; sind Co-Aktivatoren für zahlreiche TFs CBPCREB-binding protein notwendiger Co-Aktivator für effektive Aktivierung von cAMP- regulierten Promotoren durch den Transkriptionsaktivator CREB. Aber auch Co-Aktivator anderer Transkriptionsaktivatoren, wie z.B. p53, NF-B, Kern-Rezeptoren Interagiert mit RXR, TR, ER mit SRC Proteinen p300ähnlich CBP PCAFp300-CBP-Assoziierter-Faktor HRE-Rezeptor AF1 spezifisch f. Steroid R. = Enzym SRC-1 AF2 CBP Allgemeiner Co-Aktivator PCAF

18. Co-Repressoren NGR, SMRF, TRUS, NUED u.a. Typ II Rezeptoren reduzieren basale Promotor Aktivität in Abwesenheit von Liganden durch: Bildung von Protein-Komplexen mit u.a. Co-Repressoren, die die Assoziation des Prä-Initiationskomplexes verhindern (Trans-Repressoren) Co-Repressoren haben Histon-De-Acetylaseaktivität! Hormon R4486(=MIFEGYNE) interagieren mit Co-Repressoren.

19. Nucleosomen Chromatin ist in Nucleosomen organisiert DNA + Proteine(Histone) 140 bp DNA um Histon-Oktamer gewickelt. dazwischen 60bp-DNA Histone sind reich an basischen AS Oktamer: H2A, H2B, H3, H4 Arg-reich Linker Histone: H1 Lys-reich

20. Chromatin Modifikation 1) Acetylierung /De-Acetylierung Histon-Acetyltransferase (HAT) – Aktivität in eigenen Co-Aktivatoren z.B. p300, CBP, PCAF (p300/CBP-assoziierter Faktor) An Lysinen von H1 De-Acetylierung durch Co-Repressoren 2) Chromatin-Remodelling Proteine Aktiviert und gebunden (?) durch Steroid-Rezeptoren; ändern Konformation des Chromatins

21. Regulation der Rezeptor Konzentration unterschiedlich für verschiedene Rezeptoren! ER: E ↑ ER PR: P ↓ PR; E ↑ PR → „Primen“ des Uterus vor P-response AR: E ↑ AR Nach HR Bindung an DNA-Bdgsstellen muß zusätzlich freier Rezeptor verfügbar gemacht werden, um Zellantwort gegenüber Hormon zu gewährleisten („replenishment of receptor ...“): • 2 Möglichkeiten: • RH komplex stimuliert Transkription der eigenen mRNA → neue Rezeptor-Moleküle • RH dissoziiert von DNA (MRE), H dissoziiert von Hre → Rezeptor frei • Verbunden mit beiden Möglichkeiten ist Verlust/Abbau von Steroid • Beide Möglichkeiten realisiert bei ER: • - Gewebe, durch E nicht zu Wachstum angeregt nur Reutilisierung • - Gewebe, durch E zum Wachstum stimuliert: Reutilisierung + Neusynthese

22. ER: E ↑ ER PR: P ↓ PR; E ↑ PR → „ Primen“ des Uterus vor Prog-response