Receptory aktywowane przez proliferatory peroksysomów (ang. peroxisome proliferator-activated receptor, PPAR) to receptory jądrowe pełniące funkcję czynników transkrypcyjnych. Odpowiadają za regulację ekspresji genów. Odgrywają ważną rolę w różnicowaniu, proliferacji i apoptozie komórek (zarówno zdrowych, jak i nowotworowych), metabolizmie lipidów i glukozy, a także w zachowaniu homeostazy energetycznej organizmu. Receptory PPAR biorą także udział w kształtowaniu odpowiedzi immunologicznej i w przebiegu reakcji zapalnej. Receptory te umiejscowione są w strukturach układu immunologicznego i tkance tłuszczowej, a w mniejszym stopniu także w nerkach, sercu, płucach i wątrobie. Biorą udział w patogenezie takich chorób jak astma, miażdżyca, reumatoidalne zapalenie stawów, wrzodziejące zapalenie jelita grubego czy choroba Leśniowskiego-Crohna. Aktywność agonistów receptorów PPAR wykorzystuje się w farmakoterapii.
1. Historia odkrycia receptorów PPAR
Historia odkrycia receptorów PPAR sięga 1954 roku, kiedy belgijscy uczeni Christian de Duve i Albert Claude opisali nowe organella komórkowe i nazwali je peroksysomami. W 1974 roku Christian de Duve i Albert Claude, wraz z amerykańskim badaczem George’em E. Palade, otrzymali nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii i medycyny za całokształt swoich prac poświęconych strukturom komórkowym zawierającym katalazę i peroksydazę. [4]
W 1990 roku Isabelle Issemann i Stephen Green przeprowadzali badania na szczurach. Wykazały one, że hepatokarcynogenne związki odpowiedzialne za wzrost liczby peroksysomów w komórkach wątroby aktywują specyficzne dla siebie receptory. Późniejsze badania wykazały, że te same związki mogą wpływać na metabolizm glukozy i lipidów. [1,3]
Kolejnym przełomowym momentem były badania na żabach szponiastych prowadzone przez Bruce’a Spiegelmana i Ronalda Evansa. Wyizolowani oni trzy rodzaje receptorów PPAR – alfa, beta i gamma. W 1992 odkryto u człowieka receptor PPAR-delta, którego struktura okazała się identyczna ze znanym już receptorem PPAR-beta. Obecnie w nomenklaturze naukowej stosowane są obie te nazwy. W 1995 roku w warunkach laboratoryjnych wyizolowano i sklonowano ludzki receptor PPAR-gamma. [1]
W późniejszych latach zauważono, że receptory PPAR regulują także transkrypcję genów. Receptory PPAR-gamma wpływają na ekspresję genów kodujących białka odpowiedzialne za cykl życia i śmierci komórki. Wkrótce okazało się, że wiele naturalnych i syntetycznych substancji działa wybiórczo poprzez te receptory. [1]
2. Budowa receptorów PPAR
Wszystkie typy receptorów PPAR mają podobną budowę. Receptor PPAR-alfa zbudowany jest z 468 reszt aminokwasowych, receptor PPAR-delta zawiera 441 reszt aminokwasowych, natomiast receptor PPAR posiada ich 479. Struktury aminokwasowe tworzą cztery domeny. Centralne miejsce zajmuje domena wiążąca DNA (ang. DNA-binding domain, P-box and D-box, DBD) kodowana przez dwa egzony. Po stronie końca aminowego znajduje się domena biorąca udział w aktywacji niezależnej od ligandów. Domena ta kodowana jest jednym egzonem i zawiera miejsce aktywacji AF-1. Z drugiej strony znajduje się tzw. region zawiasowy odpowiedzialny za wiązanie białek regulujących (kostymulatorów i korepresorów). Za regionem zawiasowym znajduje się domena wiążąca ligandy (ang. ligand-binding domain, LBD) z miejscem aktywacji AF-2. Kodowana jest ona przez jeden egzon i odpowiada za dimeryzację. Na końcu karboksylowym położona jest ostatnia domena, której funkcje nie są jednak jeszcze dobrze poznane. [1,4]
Łańcuch aminokwasowy receptorów PPAR tworzy pojedynczą domenę złożoną z 13 struktur helikalnych i tzw. jednej czteroniciowej b-kartki. Miejsce wiązania z sekwencją DNA tworzą dwie struktury o charakterze palców cynkowych. Na powierzchni receptora znajduje się wiele miejsc oddziaływania z cząsteczkami kostymulującymi i korepresorowymi oraz miejsc fosforylacji. Miejsce wiązania ligandu jest zagłębieniem o kształcie litery Y, z pojedynczym otwarciem na powierzchni i dwoma rozgałęzieniami wewnątrz cząsteczki (ramiona I i II). Budowa miejsca wiązania ligandów jest elastyczna i dostosowuje się do wielkości ligandu, bez konieczności zmiany swojej wewnętrznej struktury. [1]
3. Mechanizm działania receptorów PPAR
Mechanizm działania receptorów PPAR jest złożony i obejmuje kilka etapów. W pierwszym z nich dochodzi do interakcji pomiędzy nieaktywną formą PPAR a białkiem szoku cieplnego HSP72. W wyniku tego procesu następuje fosforylacja i aktywacja PPAR. Dochodzi do utworzenia heterodimeru z receptorem retinoidu X (RXR). Białko to jest aktywowane endogennie w toku przemian witaminy A. Powstanie heterodimeru PPAR/RXR umożliwia związanie się tej struktury z fragmentem DNA proliferatorów peroksysomów (ang. peroxisome proliferator responsive element, PPRE). W przypadku braku agonistów PPAR, kompleks PPAR/RXR wiąże się z deacetylazą histonową, prowadząc do zahamowania ekspresji genu. Natomiast związanie agonisty PPAR prowadzi do zmian konformacyjnych kompleksu PPAR/RXR w miejscu PPRE. Zmiany te polegają na odłączeniu korepresorów z jednoczesnym przyłączeniem koaktywatorów. W efekcie dochodzi do rozluźnienia chromatyny i zainicjowania transkrypcji genu docelowego. [4]
4. Ligandy receptorów PPAR
Każdy z ligandów receptorów PPAR zawiera domenę polarną (np. grupę karboksylową czy grupę tiazolidinedionow) i domenę hydrofobową. Pierwsza z nich wchodzi w interakcję z resztami aminokwasowymi ramienia I, w tym z resztami aminokwasowymi AF-2. Druga domena zajmuje zaś miejsce w ramieniu II i w hydrofobowej części miejsca wiązania ligandu. Stosunkowo niewielkie różnice w miejscu wiązania ligandu wpływają na duże zmiany selektywności wiązania ligandów przez poszczególne receptory PPAR. [1]
Wśród ligandów receptorów PPAR wyróżnia się związki endo- i egzogenne. Do pierwszej grupy należą wielonienasycone kwasy tłuszczowe. Do najbardziej aktywnych ligandów zaliczają się kwas linolowy, linolenowy i arachidonowy. Ligandami receptorów PPAR są również pochodne kwasów tłuszczowych, jak eikozanoidy (zwłaszcza prostaglandyny i leukotrieny) lub utlenione pochodne oksydowanych lipoprotein (OXY-LDL). Egzogennymi agonistami receptorów PPAR są natomiast niektóre substancje pochodzenia roślinnego (m.in. flawonoidy) i leki (np. fibraty, glitazony, niesteroidowe leki przeciwzapalne). Większość syntetycznych ligandów receptorów PPAR ma właściwości farmakologiczne i obecnie jest stosowana w leczeniu chorób metabolicznych (m.in. dyslipidemi, cukrzycy typu 2.). [4]
5. Rodzaje receptorów PPAR
Wyróżnia się trzy typy receptorów PPAR:
- receptory PPAR-alfa
- receptory PPAR-delta
- receptory PPAR-gamma [1,2]
Receptory PPAR-gamma dzielą się dodatkowo na trzy podtypy: gamma-1, gamma-2 i gamma-3. Powstają one na drodze alternatywnego składania mRNA. [2]
Receptory PPAR mają podobną strukturę i sposób powstawania, różnią się jednak aktywnością, rodzajem ligandów, specyficznością tkankową, pełnią różne funkcje i są kodowane przez oddzielne geny. [7]
6. Receptory PPAR-alfa
Gen dla receptorów PPAR-alfa znajduje się na chromosomie 22. Receptory PPAR-alfa występują w tkankach, w których zachodzi katabolizm kwasów tłuszczowych, czyli w sercu, wątrobie i w nerkach. Receptory te odgrywają ważną rolę w regulacji metabolizmu lipidów. Stymulują lipolizę, wychwyt kwasów tłuszczowych z krwi i ich wewnątrzkomórkowe wiązanie. Ich aktywacja wpływa na transkrypcję głównych enzymów zaangażowanych w beta-oksydację kwasów tłuszczowych zachodzącą zarówno w peroksysomach, jak i w mitochondrium. Receptory PPAR-alfa biorą również udział w syntezie ciał ketonowych oraz w transporcie i przemianach kwasów tłuszczowych. Jednocześnie aktywacja tych receptorów hamuje syntezę kwasów tłuszczowych de novo, przez co nie dochodzi do nadmiernej koncentracji triglicerydów endogennych i do uwalniania lipoprotein o bardzo małej gęstości (VLDL) z wątroby. [5-7]
Receptory PPAR-alfa biorą udział w syntezie glukozy i w uwalnianiu enzymów uczestniczących w procesie glukoneogenezy. Uczestniczą także w modulowaniu procesów immunologicznych i krwiotworzeniu. Wysoką ekspresję tych receptorów zauważa się w makrofagach, komórkach śródbłonka i mięśniach gładkich układu krwionośnego. [5,6]
7. Receptory PPAR-delta
Gen dla receptorów PPAR-delta znajduje się na chromosomie 6. Ekspresja receptorów PPAR-delta zachodzi we wszystkich tkankach organizmu. Ich największe skupisko występuje w mózgu, tkance tłuszczowej, skórze, mięśniach szkieletowych i w łożysku. Receptory te biorą udział w utrzymaniu homeostazy energetycznej i termogenezie. Stymulują proliferację preadipocytów, utlenianie kwasów tłuszczowych w mięśniach szkieletowych oraz odpowiadają za uwalnianie lipoprotein. Regulują procesy beta-oksydacji kwasów tłuszczowych i uczestniczą w transporcie cholesterolu. Odgrywają istotną rolę w proliferacji keratynocytów i procesie gojenia ran. Ich ligandy są wykorzystywane w leczeniu chorób metabolicznych. [5-7]
Obecność receptorów PPAR-delta jest konieczna do implantacji zarodka i prawidłowego przebiegu ciąży. Wysoki poziom ekspresji genu PPAR-delta obserwuje się w macicy i w łożysku. Poprzez receptor PPAR-delta działa m.in. prostacyklina, niezbędna do prawidłowego przebiegu implantacji. U myszy pozbawionych tych izoform receptorów PPAR obserwuje się bardzo wysoką śmiertelność płodów na wczesnym etapie ciąży. [6]
Receptory PPAR-delta uczestniczą w różnicowaniu oligodendrocytów i w mielinizacji aksonów. Podejrzewa się ochronny wpływ ekspresji tych receptorów na neurony móżdżku. Badania nad receptorami PPAR-delta mogą pomóc lepiej zrozumieć podłoże chorób neurodegeneracyjnych. [6]
8. Receptory PPAR-gamma
Receptory PPAR-gamma są najlepiej poznane. Gen dla receptorów PPAR-gamma znajduje się na chromosomie 3. W wyniku jego transkrypcji powstają cztery izoformy PPAR-gamma różniące się zawartością pozostałych trzech sekwencji aminokwasów. Należą do nich egzony A1, A2 i B. [1,7]
Każda izoforma PPAR-gamma zawiera 6 podstawowych egzonów plus dodatkowe sekwencje kodujące (A1, A2 lub B), które warunkują jej funkcje. Izoforma PPAR-gamma-1 zawiera egzony A1 i A2. Izoforma PPAR-gamma-2 posiada egzon B. Do izoformy PPAR-gamma-3 dołączony jest egzon A2. Natomiast izoforma PPAR-gamma-4 posiada jedynie sześć podstawowych egzonów. W wyniku alternatywnego cięcia, składania i translacji pierwotnego transkryptu powstają dwie izoformy białkowe receptora różniące się aktywnością i specyficznością tkankową. Z transkryptów PPAR-gamma-1, -3 i -4 powstaje receptor PPAR-gamma-1 kodowany przez sześć podstawowych egzonów. Natomiast z transkryptu PPAR-gamma-2 powstaje receptor PPAR-gamma-2. Jest on dłuższy od receptora PPAR-gamma-1 o 28 aminokwasów w reszcie aminowej. Fragment ten kodowany jest przez egzon B. [1]
Ekspresja receptorów PPAR-gamma zachodzi w różnym stopniu w zależności od rodzaju tkanki. Izoformy PPAR-gamma-2 są umiejscowione w tkance tłuszczowej, a ich ekspresja wzrasta wraz ze stopniem zróżnicowania adipocytów. Natomiast izoformy PPAR-gamma-1 są obecne w tkance tłuszczowej, jelicie grubym, nerkach i w mięśniach szkieletowych. [5]
Receptory PPAR-gamma biorą udział w regulacji adipogenezy. Jest to proces różnicowania komórkowego preadipocytów w dojrzałe komórki tkanki tłuszczowej (adipocyty). Aktywacja receptorów PPAR indukuje ekspresję białek niezbędnych w procesie adipogenezy. Receptory PPAR-gamma odgrywają także ważną rolę w uwrażliwianiu komórek na insulinę, przez co uczestniczą w regulacji homeostazy glukozowej. [5]
9. Udział receptorów PPAR w patogenezie nowotworów
Długotrwała aktywacja receptorów PPAR-alfa może skutkować nowotworzeniem w obrębie wątroby. Mechanizm polega na hipertrofii i hiperplazji komórek wątroby. W efekcie dochodzi do gwałtownego nasilenia proliferacji peroksysomów, a także do zwiększenia ekspresji genów kodujących enzymy zaangażowane w metabolizm kwasów tłuszczowych. Enzymy te są odpowiedzialne za wzrost zużycia energii oraz za produkcję dużych ilości nadtlenku wodoru i innych reaktywnych form tlenu (ROS) w komórkach. Towarzyszy temu wieloetapowa redukcja ekspresji białka antykancerogennego (ang. selenium binding protein 2, SBP2), który w warunkach fizjologicznych hamuje wzrost guza i ogranicza stężenie markerów stresu oksydacyjnego. Przewlekły stres oksydacyjny prowadzi bowiem do uszkodzeń DNA, co stanowi jeden z pierwszych etapów procesu nowotworzenia. Dodatkowo długotrwała ekspozycja na ekspresję ligandów receptorów PPAR-alfa i stres oksydacyjny negatywnie wpływa na ekspresję genów zaangażowanych w regulację cyklu komórkowego. [7]
Nadmierna ekspresja mRNA dla receptorów PPAR-delta może stymulować nieprawidłową proliferację komórek i hamowanie apoptozy. Największą kumulację mRNA receptorów PPAR-delta obserwuje się w tkance nowotworowej jelita grubego. Proces ten nasila się, gdy komórki posiadają mutację w genach protoonkogennych biorących udział w powstawaniu raka jelita grubego, nowotworów płuc czy jajników. Wyniki badań nie są jednak jednoznaczne i wymagają dalszej analizy. [7]
Ligandy receptorów PPAR-gamma hamują wzrost i proliferację komórek nowotworowych, biorą także udział w indukowaniu apoptozy. Blokują także proces angiogenezy, czyli formowanie się naczyń krwionośnych wokół guzów nowotworowych. Dzięki temu spowalniają powstawanie przerzutów. Związki te działają bezpośrednio na układ naczyniowy. Hamują proliferację komórek śródbłonka oraz pośrednio zmniejszają ekspresję czynników angiogennych. Ligandy receptorów PPAR-gamma są wykorzystywane w terapiach przeciwnowotworowych, m.in. w nowotworze jelita grubego, raku sutka i prostaty oraz nowotworów układu limfatycznego. Zmniejszają tempo wzrostu komórek nowotworowych oraz zmieniają ekspresję genów w zależności od ich zróżnicowania. [5]
Obecność zwiększonej liczby receptorów PPAR-gamma zauważa się jednak w niektórych typach nowotworów. Nadmierna ekspresja występuje w komórkach raka jelita grubego, nowotworach piersi, wątroby, przełyku, żołądka, trzustki, płuc, prostaty, tarczycy, nerek, w raku jąder, jajników i szyjki macicy, a także w glejakach i czerniakach skóry. Zwiększona aktywność receptorów PPAR-gamma widoczna jest również w raku nadnerczy i gruczolaku przysadki mózgowej. Mechanizm nowotworzenia polega na tym, że gen kodujący receptory PPAR-gamma może pełnić funkcję genu supresorowego w procesie kancerogenezy, a jego mutacje są czynnikiem sprzyjającym nowotworzeniu. Badania na zwierzętach wskazują, że utrata nawet jednego z alleli genu receptora PPAR-gamma zwiększa predyspozycje do zachorowania na chorobę nowotworową. Cały czas trwają badania, jakie ma to przełożenie na rozwój chorób nowotworowych u ludzi. [7]