Aktuální číslo:

2017/12

Téma měsíce:

Kontakty

O velké rodině a sirotcích

Ligand bez receptoru, vejce bez slepice a endokrinologie naruby
 |  3. 7. 2003
 |  Vesmír 82, 392, 2003/7

Informace o dění ve světě a pokyny k činnosti přijímá buňka prostřednictvím signálních molekul – hormonů. Jsou to látky různé chemické podstaty a biochemického původu, od oxidu dusnatého přes metabolity mastných kyselin, steroidy, modifikované aminokyseliny, aminy a krátké peptidy až po bílkoviny.

Tentýž hormon může různé druhy buněk ponoukat k rozdílným činnostem nebo jim být naprosto lhostejný. Záleží na tom, jestli má pro něj buňka receptory, a na tom, jakou odpověď má předem přichystánu.

Receptor je bílkovina, která je schopna specificky vázat svůj ligand (hormon nebo jinou molekulu) a díky vazbě změnit uspořádání tak, že spustí určitý sled biochemických reakcí. Vždy jde o poměrně složitou sekvenci, jíž se účastní spousta dalších molekul. Výsledkem je nějaký životní projev buňky. Něco se začne syntetizovat nebo naopak odbourávat, buňka vstoupí do další fáze buněčného cyklu nebo třeba programovaně zahyne.

Velká rodina jaderných receptorů

Myšlenka, že by malé molekuly mohly svůj vliv uplatňovat prostřednictvím receptorů bílkovinné povahy, byla zprvu docela odvážná. Uvažovalo se spíš o možném ovlivnění vlastností lipidové buněčné membrány. V šedesátých a sedmdesátých letech 20. století byly již dostupné radioaktivně značené hormony, které umožnily prokázat, že hormony štítné žlázy a mnohé steroidy jsou specificky vázány uvnitř buněk, v cytosolu nebo v jádře. Vazebné proteiny byly posléze uznány za receptory. V osmdesátých letech se v endokrinologii uplatnily molekulárněbiologické metody. Díky tomu bylo možné porovnat sekvence receptorů pro hormony štítné žlázy a pro steroidní hormony – a zjistilo se, že jsou příbuzné. Vznikl pojem rodina receptorů steroidních a thyroidálních hormonů. Koncem osmdesátých let se pak rodina rozšířila o vitaminy D, retinoidy, dioxin a receptory pro ekdyson u hmyzu. Začalo se mluvit o superrodině jaderných receptorů.

Osiřelé receptory

Metody molekulární biologie umožňují cíleně vyhledávat v DNA úseky, které se podobají sekvenci, jež nás z nějakého důvodu zajímá. Polymerázová řetězová reakce s degenerovanými primery funguje obdobně, jako když hledáme v databázích texty obsahující nějaké klíčové slovo. Tak byly na začátku devadesátých let objeveny nové geny, které kódují proteiny nápadně podobné jaderným receptorům. Tyto proteiny jsou vystavěny ze stejně uspořádaných domén, které zrovna tak rozpoznávají určité úseky DNA a vytvářejí vyšší komplexy s jinými proteiny, včetně některých známých receptorů. Na příslušném místě je hydrofobní kapsa. Vypadá to jako receptor a chová se to tak, asi to tedy bude receptor… ale receptor čeho? Jméno se přece doposud odvozovalo od ligandu!

Nová skupina členů velké rodiny dostala jméno sirotčí receptory (orphan receptors). Během deseti let bylo objeveno a podle příbuzenských znaků setříděno do 19 podskupin množství sirotků – sirotčí receptory se staly nejpočetnější skupinou jaderných receptorů vůbec.

Sirotek, nebo starý mládenec?

Objevitelé vybrali pojmenování působivé, snadno zapamatovatelné, ale taky trochu předpojaté. Označení orphan – sirotek – vyvolává představu ztráty. Jako bychom předpokládali, že receptor kdysi ligand měl a ztratil jej. Receptor bez ligandu však nemusí být zcela nutně osiřelý. Může být jenom osamělý, jako starý mládenec, jenž si dosud nenašel svůj protějšek. Anebo dokonce může jít o „normální“ receptor, jehož ligand teprve čeká na své objevení.

Převrácená endokrinologie

Klasická cesta poznání v endokrinologii začínala u studia určitého fyziologického jevu a vedla k identifikaci hormonů odpovědných za jeho řízení. Známý hormon byl izolován a využit k nalezení svého receptoru (popř. receptorů) a informace o receptoru posloužila k nalezení a studiu jeho genu. Objev sirotčích receptorů přinesl koncepci „převrácené endokrinologie“. Začne se identifikací genů pro neznámé receptory. Prostudují se proteiny kódované těmito geny, a potom se identifikují ligandy (pokud existují) a cílové úseky na DNA. Teprve potom se hledají jejich fyziologické funkce. To znamená, že se končí tam, kde klasikové začínali.

Pátrání po ligandech pro sirotčí receptory je pro některé nadšence disciplínou stejně vzrušující jako pro jiné hledání Eldoráda nebo svatého grálu. Hledač musí počítat s možností, že právě pro jeho oblíbence žádný endogenní ligand neexistuje. Ale co kdyby…? Sirotek se pak přesune mezi „slušné receptory“ pojmenované po ligandu, jehož objevitele čeká vědecká sláva a hojná citovanost.

Klasická endokrinologie rozdělila steroidní hormony do pěti hlavních skupin, a nakonec poznala i jejich receptory. „Převrácená endokrinologie“ nalezla receptory i pro další steroidy, které byly dosud pokládány za neaktivní meziprodukty nebo metabolity nejasného fyziologického významu, a identifikovala alespoň některé geny, které jsou jimi řízeny. Podobně byly nalezeny i receptory pro mastné kyseliny.

Hledání praotce-zakladatele

Když se rodina jaderných receptorů začala rozrůstat a její členové byli nalezeni v různých taxonech živočišné říše, vynořila se pochopitelně řada otázek. Kdy to začalo? Měl gen-zakladatel svůj ligand? Pokud ano, tak jaký? Byly na světě dříve ligandy, nebo receptory? Existuje souvislost mezi genetickou příbuzností receptorů a strukturní příbuzností jejich ligandů?

Hledání odpovědí na takové otázky vyžaduje spolupráci mnoha týmů – kvůli šíři záběru i kvůli nezbytnosti nezávislého ověření nových poznatků. V jedné rozsáhlé studii byly navrženy sady primerů pro PCR tak, aby umožnily identifikovat sekvence příbuzné třinácti hlavním skupinám jaderných receptorů. Pomocí těchto primerů byly pak prozkoumány DNA z vybraných živočichů, rostlin i hub. Pokud jde o rostliny, houby a prvoky, byl výběr spíše jen sondou do různých oblastí. Mnohobuněčná část živočišné říše Metazoa však byla probrána systematicky. Nalezené sekvence byly analyzovány a seřazeny do pravděpodobného fylogenetického stromu.

A jak to dopadlo? Žádné náznaky existence genů pro jaderné receptory nebyly nalezeny v rostlinách, houbách (Fungi), prvocích apod., tedy mimo Metazoa. Nalezeny nebyly ani ve vodních houbách (Porifera), které už mezi Metazoa řadíme. Počínaje láčkovci byly jaderné receptory nalezeny u všech živočichů. U některých receptorů se dají příbuzenské linie dále sledovat. Na rozdíl od sirotčích receptorů nemají často receptory s ligandy, které nacházíme u obratlovců, homology v ostatních částech živočišné říše. Z toho se dá usuzovat, že receptory s ligandy jsou vývojově mladší. První člen rodiny jaderných receptorů se objevil nejméně před 600 miliony lety – a byl to sirotek.

Nikdo asi už sirotčím receptorům jejich jméno neodpáře, i když ze současných poznatků plyne, že nejsou osiřelé, nýbrž jenom osamělé. Svůj ligand neztratily, nikdy žádný neměly. To „obyčejné“ receptory získaly během fylogeneze tu neobyčejnou vlastnost aktivovat se vazbou určité látky. Za určitých podmínek se receptory mohou aktivovat i v nepřítomnosti ligandu. „Doména s kapsou“ změní svou konformaci třeba díky vyšší teplotě, koncentraci určitých iontů v roztoku nebo fosforylaci postranního aminokyselinového řetězce. Tyto způsoby aktivace nezávislé na ligandu, které známe i u receptorů pro steroidy, patrně využívaly původní jaderné receptory, a ty dosud nezadané je využívají dodnes.

Vejce nebo slepice

Na rozdíl od dvojice vejce – slepice, které si bez sebe představit nedovedeme, receptor bez ligandu i ligand bez receptoru už zvládneme. 1) Hledání odpovědi na otázku, „co bylo dřív“, se tím náramně zjednoduší. Stačí srovnat fylogenetické stáří obou partnerů. 2)

Steroidy jsou mnohem starší molekuly než jejich receptory. Vyskytují se i v houbách a rostlinách, organizmech, které jaderné receptory nemají. Totéž platí pro mastné kyseliny. Tyto látky byly na světě dříve, než se vůbec objevily první sirotčí receptory, jejichž potomci je později začali rozpoznávat.

Naopak některé receptory jako by čekaly, až se jejich ligand v organizmu teprve vyvine nebo přijde odjinud. Určitá léčiva a další cizorodé látky, nepodobné čemukoli, co vzniká v organizmu obratlovců, působí prostřednictvím „svých“ sirotčích receptorů. Zvláštní je také schopnost estrogenových receptorů rozpoznávat vedle vlastních steroidních estrogenů i produkty fenylpropanoidové větve metabolizmu, která se vyskytuje jen ve vyšších rostlinách. Co bylo dřív?

Ať už se jednotlivé ligandy vyvinuly dříve nebo později než jejich receptory, podstatný je poznatek, že se mohly vyvíjet zprvu odděleně. Teprve v určitém stupni evoluce začaly spolu vytvářet vzájemně propojené sítě vztahů, jak je známe z dnešních organizmů.

Co z toho plyne?

Nový prostor pro farmakology, kteří mohou hledat léčiva působící prostřednictvím většího množství receptorů. Důvod k zamyšlení pro výrobce nových chemikálií, zda jejich produkty nemohou zasáhnout nežádoucím způsobem do endokrinních systémů někde od láčkovců po člověka, přestože vypadají neškodně a žádnému hormonu se nepodobají (vždyť DDT mělo původně také působit jen na hmyz). Naděje i varování. Radost z poznávání i pokora před nepoznaným.

Literatura

S. A. Kliewer, J. Lehman, T. Willson: Orphan nuclear receptors: Shifting endocrinology into reverse, Science 284, 757–760, 1999
H. Escriva, F. Delaunay, V. Laudet: Ligand binding and nuclear receptor evolution, BioEssays 22, 717, 2000
receptors.ucsf.edu/NR/ /> www.ens-lyon.fr/LBMC/laudet/nomenc.html />

Poznámky

1) Termíny „receptor“ a „ligand“ popisují vzájemnou interakci mezi molekulami a význam mají obvykle teprve ve vzájemném vztahu. Obě molekuly si ale mohu představit i odděleně. Ligand bez receptoru je něco jako manžel bez manželky – vlastně to není manžel. Pořád ale vidíte nějakého pána, který když potká vhodnou paní…
2) V roce 2001 tým Vincenta Laudeta z Univerzity v Lyonu prohledal lidský genom. Našli 49 genů pro jaderné receptory, z nichž 48 bylo známo již dříve, a 3 pseudogeny, tj. již nefunkční pozůstatky bývalých genů (Trends in Genetics 17, 554–556, 2001).

Citát

Václav Baran, Jaderná energetika a další problémy moderní civilizace,

Academia, Praha 2002, s. 114

Ale ani úspěšná teorie v jednom ohledu nevylučuje možnost omylu v jiném – dokladem budiž znovu Mendělejev a jeho periodický systém. Bravurně dokázal na jeho základě vlastnosti tehdy neznámých prvků, ale jen ve třech případech (gallium, skandium, germanium), čtvrtý (ekaniob čili tantal) se mu nezdařil. Za prvé tři je právem dodnes vyzvedán, čtvrtý uvádějí už jen historici. Ale nejen to, Mendělejev dokonce ani nepředpokládal, že prvky začínají vodíkem, a hledal hmotnost menší než 1, což dokazuje, že ani tak skvělý autor nemusí mít zcela jasno v tom, oč se pokouší …

ARCHITEKTURA RECEPTORU


Receptor musí vykonávat několik funkcí a ty musí být navzájem sladěny. Ve struktuře jaderného receptoru je možno vysledovat úseky, které odpovídají za ligand (pevnou vazbu proteinu k jiné molekule; z lat. ligere – vázat), interakce s jinými proteiny či s obecnou strukturou DNA a také za rozpoznání specifických sekvencí DNA. Další dílčí funkce jsou odpovědné za jejich koordinaci. Úseky na molekule proteinu, kterým je možné přiřadit dobře definovanou dílčí funkci, se nazývají domény.

Jednotlivé skupiny jaderných receptorů se nejvíc liší ve výstavbě N-koncové části molekuly, která je proto považována za evolučně mladší prvek. Naproti tomu doména odpovědná za vazbu receptoru k DNA je nejvíce konzervativní (v ní jsou si jaderné receptory všech živočichů podobné). V této doméně jsou vždy dva „zinkové prsty“ obsahující čtyři zbytky sirné aminokyseliny cysteinu, které po koordinaci zinečnatých iontů stabilizují prostorové uspořádání. Kromě hlavních domén jsou v jaderných receptorech oblasti nezbytné pro interakce s dalšími proteiny a pro sladění jednotlivých funkcí.

Transkripce genů vyžaduje spolupráci řady molekul organizovaných v transkripčním komplexu. Jaderné receptory hrají klíčovou roli – rozpoznávají totiž specifické úseky DNA (hormon-responzivní elementy, HRE), které označují jednotlivé geny. Ostatní součásti transkripčního komplexu jsou víceméně univerzální. Jestliže má receptor plnit svou úlohu, musí obsahovat místa pro spolupráci se všemi partnery. A pokud jsou ostatní členové komplexu univerzální, je potřeba, aby byly příbuzné jaderné receptory v interakcích zaměnitelné, tj. aby se příslušné domény příliš nelišily.

O. L.

Ke stažení

OBORY A KLÍČOVÁ SLOVA: Biochemie

O autorovi

Oldřich Lapčík

Prof. RNDr. Oldřich Lapčík, Dr., (*1960) vystudoval biochemii na Přírodovědecké fakultě UK.V Ústavu chemie přírodních látek na Vysoké škole chemicko-technologické v Praze se zabývá flavonoidy a steroidy. Podílel se na vývoji řady imunoanalytických metod pro tyto látky ve formátech RIA, ELISA a DELFIA.

Doporučujeme

Tajemná „Boží země“ Punt

Tajemná „Boží země“ Punt uzamčeno

Břetislav Vachala  |  4. 12. 2017
Mnoho vzácného zboží starověkého Egypta pocházelo z tajemného Puntu, kam Egypťané pořádali časté obchodní výpravy. Odkud jejich expedice...
Hmyz jako dokonalý létací stroj

Hmyz jako dokonalý létací stroj

Rudolf Dvořák  |  4. 12. 2017
Hmyz patří k nejdokonalejším a nejstarším letcům naší planety. Jeho letové schopnosti se vyvíjely přes 300 milionů let a předčí dovednosti všech...
Hranice svobody

Hranice svobody uzamčeno

Stefan Segi  |  4. 12. 2017
Podle listiny základních práv a svobod, která je integrovaná i v Ústavě ČR, jsou „svoboda projevu a právo na informace zaručeny“ a „cenzura je...

Předplatným pomůžete zajistit budoucnost Vesmíru

Tištěná i elektronická
verze časopisu
Digitální archiv
od roku 1994
Speciální nabídka
pro školy a studenty

 

Objednat předplatné