Arüülsüsivesinike retseptor

Arüülsüsivesinike retseptor ehk AHR on heterodimeerne valk. AHR kuulub aluseliste heeliks-ling-heeliks (bHLH) transkriptsioonifaktorite perekonda. AHR avastati eelkõige kui erinevate keskkonnakemikaalide toime vahendaja ja nende kahjutustajana. AHR vahendab mitmesuguste keskkonnas levinud saasteainete, näiteks dioksiinide metabolismi.

Suurima afiinsusega teadaolev ligand AHR-ile on halogeenne aromaatne ühend TCDD (2,3,7,8-tetraklorodibenso-para-dioksiin) – üldiselt tuntud ka kui dioksiin. TCDD tekib eelkõige mittetäielikul põlemisel näiteks sisepõlemismootorites, sigaretisuitsus ja ka mitmete tööstusprotsesside kõrvalsaadusena. Sellistel aromaatsetel ühenditel on organismile erinevad tervistkahjustavad mõjud. Nad põhjustavad vähki ja muutusi immuunsüsteemis. Samuti on teada dioksiinide toime reproduktiivtervisele, sealhulgas selle mõju reproduktiivelundite talitlusel olulist tähtsust etendavate steroidsete suguhormoonide (androgeenid ja östrogeenid) ja gonadotropiinide (folliikuleid stimuleeriv hormoon) toimele.

Hiljutised uuringud on aga näidanud, et AHR-il on oluline roll ka normaalses füsioloogias, endogeensete ligandide mõjul aktiveerunud AHR osaleb mitmete oluliste geenide transkriptsioonil.

AHR

AHR-i funktsionaalsed domeenid

Inimese AHR-i geen asub 7. kromosoomi lühikeses õlas. Täpsed koordinaadid positiivsel ahelal on 17338246–17385774. Geen koosneb 47528 nukleotiidist. Geenilt transkribeeritakse 5 transkripti, millest ühelt toodetakse valk, ülejäänud 4 transkriptilt funktsionaalset valku ei toodeta. Geenis on 11 eksonit, mis kodeerivad 6276 nukleotiidi pikkust mRNA-d. Sellelt transleeritakse omakorda 848 aminohapejäägiga valk, mille molekulmassiks on 96 kDa. AHR valgul on kaks konserveerunud domeeni: N-terminaalne heeliks-ling-heeliks domeen, mis on vajalik eelkõige DNA-le seondumiseks ja homo- või heterodimerisatsiooniks, ning PAS (Per-Arnt-Sim) domeen, mis koosneb kahest hüdrofoobsest kordusjärjestusest – PAS A ja PAS B. PAS domeenid on kontaktregioonid, millega AHR seondub oma molekulaarsete šaperonidega ja mis samuti osalevad dimerisatsioonil. Lisaks on PAS B järjestuse funktsiooniks veel ligandiga seondumine. AHR-i C-terminaalses domeenis asub glutamiinirikas piirkond, mis vastutab transkriptsioonilise aktivatsiooni eest.

Ligandid

AHR-i ligandid jaotatakse üldiselt kahte rühma – sünteetilised ehk ksenobiootilised ja organismi sünteesitud ehk endogeensed.

Ksenobiootilised ligandid

Ksenobiootiliste ligandide ehk agonistide hulka kuuluvad mitmed halogeenitud aromaatsed süsivesinikud (HAH) ja polütsüklilised aromaatsed süsivesinikud (PAH). HAH-tüüpi ligandide hulka kuuluvad näiteks polükloreeritud dibensodioksiinid, dibensofuraanid ja bifenüülid, sealhulgas TCDD, mis on AHR-i suhtes suurima afiinsusega. PAH-grupi ligandide hulka kuuluvad erinevad nelja või enamat benseenituuma sisaldavad kemikaalid, näiteks benso(a)püreen, 3-metüülkolantreen ja bensoflavoonid. Enamik antud retseptori ligandidest tekib ning satub keskkonda tööstusega seotud jäätmetest ja nende põlemisest. Samuti on teada, et osa neist tekib iga päev kõikjal me ümber – eelkõige mittetäielikul põlemisel ja sisepõlemismootorites.

Endogeensed ligandid

AHR-i endogeensete ligandide all mõeldakse organismi või raku enese sünteesitavaid ühendeid või nende lagusaadusi. Endogeensete ligandide otsinguil on leitud ühendeid, mis käituvad AHR-i agonistina. Trüptofaani derivaadid, näiteks indigo, indirubiin, künureniin ja FICZ (6-formüülindolo[3,2-b]karbasool) on AHR-i suhtes suure afiinsusega ja indutseerivad märklaudgeenide ekspressiooni. Samuti on AHR-i ligandide hulka arvatud tetrapürroole (nt bilirubiin), arahhidoonhappe metaboliite (nt prostaglandiin G) ja teatud karotinoide.

Signaalirada

Ligandita ehk inaktiivne AHR on lokaliseerunud tsütoplasmasse, kus on seotud erinevate valkudega, näiteks molekulaarne šaperon Hsp90 (Heat shock protein 90), co-chaperon '​iga p23 ja 38 kDa molekulmassiga XAP2 valguga (HBV X-associated Protein 2). Hsp90 ja p23 kaitsevad rakku proteolüüsi eest ning hoiavad ligipääsetavana ligandi seondumiskohta, samas kui XAP2 seondub AHR-i tuuma lokalisatsiooni järjestusele (NLS – nuclear localization sequence), hoides seda tsütoplasmas. Ligandiga seondumisel vabaneb AHR XAP2 valgust, toimuvad konformatsioonilised muutused ja avaneb tuuma lokalisatsiooni signaal, mille tagajärjel translokeerub AHR tuuma. Tuumas vabaneb AHR valgust Hsp90, avaldub PAS domeen, mille abil dimeriseerub AHR ARNT-iga (arüülsüsivesinike retseptori tuuma lokalisaatoriga), mis kuulub samuti bHLH motiiviga valkude perekonda. Seejärel on AHR/ARNT kompleks võimeline seonduma märklaudgeenide 5'-regulatoorses alas asuvale järjestusele, indutseerides sellega antud geeni ekspressiooni. Järjestused, millele AHR seondub, nimetatakse klassikaliselt AHR, ksenobiootikumide või dioksiini vastuselementideks (vastavalt AHRE, XRE, DRE) ning need sisaldavad järjestust 5'-GCGTG-3'. Hiljuti on leitud teisigi järjestusi, millele AHR on võimeline seonduma – näiteks E-box, mis sisaldab järjestust 5'-CACGTG-3'.

AHR-i märklaudgeenide hulka kuulub ka selle enese repressor AHRR. ARNT-iga dimeriseerunud AHR seondub XRE järjestust sisaldavale AHRR-i promootorile, aktiveerides sellega transkriptsiooni. Sünteesitud AHRR-i peamiseks ülesandeks on konkurents ARNT-iga seondumisele. Dimeriseerumata AHR transporditakse tuumast välja, kus see proteasoomis lagundatakse. Samuti on AHRR/ARNT dimeer võimeline seonduma XRE järjestustele ning seega inhibeerima AHR märklaudgeenide (sh AHRR) ekspressiooni. Selline negatiivse tagasiside kaskaad reguleerib rakus AHR-i taset.

AHR-i füsioloogiline ja toksikoloogiline roll organismis

Füsioloogiline roll

Kuigi AHR on eelkõige tuntud selle ksenobiootikume metaboliseeriva omaduse poolest, on selgunud, et selle funktsioon rakus hõlmab suurel määral ka muid protsesse. Hiljutised uuringud erinevais mudelorganismides on tõendanud AHR-i konserveeritust, kinnitades selle endogeense regulaatori olemust. Sellele viitab ka, et AHR-i mRNAd on leitud enamikust kudedest. Kõige kõrgemad ekspressioonitasemed leiti platsentast ja kopsudest ning madalamad neerudest, ajust ja skeletilihastest.

On leitud, et AHR-il on omadus reguleerida rakkude jagunemist. Ta kiirendab fibroblastide, lümfotsüütide ja hepatotsüütide proliferatsiooni. On teada, et AHR-puudulikud hepatoomi rakud kasvavad palju aeglasemalt kui metsiktüüpi rakud. Kui aga AHR-i ekspressioon neis rakkudes taastati, siis kiirenes ka rakkude kasv. Samuti on näidatud, et AHR on oluline roll apoptoosi regulatsioonil. Püsivalt aktiivne või PAH-indutseeritud AHR põhjustab apoptoosi nii inimeste ja hiirte ootsüütides, reguleerides loote ja vastsündinute ootsüütide aresti ning mõjutades seega naiste viljakust.

Katsetes AHR-puudulike hiirtega täheldati, et AHR mängib rolli ka veresoonte arengus. Normaalse veresoone arengu käigus ekspresseeritakse veresoone endoteeli rakkudes AHR-i, mille puudumisel tekivad väärarengud. Täpsemalt leiti, et AHR-puudulikel hiirtel ei sulgunud venoosjuha pärast sündi ja selle tulemusena tekkis häireid verevarustuses. Samuti mõjutab AHR eesnäärme arengut, vahendab vastust estradiooli stiimulile ja stressile ning RNA polümeraas II promootori negatiivset regulatsiooni transkriptsioonil. Lisaks mängib AHR olulist rolli immuunvastuse regulatsioonis, folliikulite arengul munasarjas.

Toksikoloogiline roll

Adaptiivne vastus

AHR süsteemi adaptiivne vastus on arenenud selleks, et vähendada laiendatud polütsükliliste aromaatsete ühendite koormat organismis. Adaptiivse vastuse käigus indutseeritakse ksenobiootikume lagundavad ensüümid, mis on võimelised ära tundma suurt hulka kemikaale. Sellised kemikaalid on võimelised AHR-i aktiveerima, mis käivitab ksenobiootikumide kahjutustamisel osalevate geenide ekspressiooni. Sellised geenid kuuluvad kahte rühma: faas I ja faas II. Faasi I geenide saaduste, mille hulka kuulub näiteks tsütokroom P450 ülemperekonna ensüüm CYP1A1, peamiseks eesmärgiks on hapnikuaatomi lisamine ksenobiootikumi. Seejärel reageerivad faasi II ensüümid tekkinud vaheühendiga, tootes hüdrofiilse saaduse, mis rakust eemaldatakse.

Toksiline vastus

Toksilise vastuse kutsuvad esile ksenobiootilised ligandid, mille tuntuim esindaja on dioksiin. Toksiline vastus võib tekkida kahel viisil, esimene on adaptiivse raja kõrvalmõju, kus ksenobiootikumide kahjutustamise vaheühenditena tekivad mürgised metaboliidid. Teine toksilisuse põhjus seisneb ebatüüpilistes muutustes geeniekspressioonis, mis on kahjulikud raku normaalsetele protsessidele ja funktsioonidele.

Viited

  1. ↑ "AHR geen". Ensembel. Andmebaas.
  2. ↑ Gu, Y. Z., Hogenesch, J. B., Bradfield, C. A. (2000). "The PAS superfamily: sensors of environmental and developmental signals". Annu. Rev. Pharmacol. Toxicol. 40: 519–561
  3. 1 2 Linh P. Nguyen, Christopher A. Bradfield (2008) "The Search for Endogenous Activators of the Aryl Hydrocarbon Receptor". Chem Res Toxicol. 21(1): 102–116.
  4. ↑ Rannug U, Rannug A, Sjöberg U, Li H, Westerholm R, Bergman J. (1995) "Structure elucidation of two tryptophan-derived, high affinity Ah receptor ligands". Chem Biol. 2(12):841-5.
  5. ↑ Opitz CA, Litzenburger UM, Sahm F, Ott M, Tritschler I, Trump S, Schumacher T, Jestaedt L, Schrenk D, Weller M, Jugold M, Guillemin GJ, Miller CL, Lutz C, Radlwimmer B, Lehmann I, von Deimling A, Wick W, Platten M. (2011) "An endogenous tumour-promoting ligand of the human aryl hydrocarbon receptor". Nature. 478(7368):197–203
  6. ↑ Perdew, G. (1988) "Association of the Ah receptor with the 90-kDa heat shock protein". J Biol Chem 263: 13802-5
  7. ↑ Kazlauskas, A., Poellinger, L. Pongratz, I.(1999) "Evidence that the co-chaperone p23 regulates ligand responsiveness of the dioxin (Aryl hydrocarbon) receptor". J Biol Chem 274: 13519-24
  8. ↑ Petrulis JR, Kusnadi A, Ramadoss P, Hollingshead B, Perdew GH (2003). "The hsp90 Co-chaperone XAP2 alters importin beta recognition of the bipartite nuclear localization signal of the Ah receptor and represses transcriptional activity". J. Biol. Chem. 278 (4): 2677–85.
  9. ↑ Ikuta T, Eguchi H, Tachibana T, Yoneda Y, Kawajiri K (1998). "Nuclear localization and export signals of the human aryl hydrocarbon receptor". J. Biol. Chem. 273 (5): 2895–904.
  10. ↑ Reyes H, Reisz-Porszasz S, Hankinson O (1992). "Identification of the Ah receptor nuclear translocator protein (Arnt) as a component of the DNA binding form of the Ah receptor". Science 256 (5060): 1193–5.
  11. ↑ Shen ES, Whitlock JP (1992). "Protein-DNA interactions at a dioxin-responsive enhancer. Mutational analysis of the DNA-binding site for the liganded Ah receptor". J. Biol. Chem. 267 (10): 6815–9.
  12. ↑ Teino I, Kuuse S, Ingerpuu S, Maimets T, Tiido T (2012) "The aryl hydrocarbon receptor regulates mouse Fshr promoter activity through an e-box binding site." Biol Reprod. 86(3):77
  13. ↑ Brad R. Evans, Sibel I. Karchner, Lenka L. Allan, Richard S. Pollenz, Robert L. Tanguay, Matthew J. Jenny, David H. Sherr, Mark E. Hahn (2008) "Repression of Aryl Hydrocarbon Receptor (AHR) Signaling by AHR Repressor: Role of DNA Binding and Competition for AHR Nuclear Translocator". Mol Pharmacol. 73(2): 387–398.
  14. 1 2 3 Jennifer V. Schmidt, Christopher A. Bradfield (1996) "AH RECEPTOR SIGNALING PATHWAYS" 12: 55–89
  15. ↑ Matikainen TM, Moriyama T, Morita Y, Perez GI, Korsmeyer SJ, Sherr DH, et al. (2002) "Ligand activation of the aromatic hydrocarbon receptor transcription factor drives Bax-dependent apoptosis in developing fetal ovarian germ cells". Endocrinology. 143:615–20
  16. ↑ Lahvis GP, Pyzalski RW, Glover E, Pitot HC, McElwee MK, Bradfield CA. (2005) "The aryl hydrocarbon receptor is required for developmental closure of the ductus venosus in the neonatal mouse". Mol Pharmacol. 67:714–20.
  17. ↑ "AHR valk". UniProt. Andmebaas.
  18. ↑ Neri, T., Merico, V., Garagna, S., Redi, C. A., Zuccotti, M. (2008) "Expression of phase I and phase II genes in mouse embryonic stem cells cultured in the presence of 2,3,7,8-tetrachlorodibenzo-para-dioxin". Biochim Biophys Acta 1780: 826–836