A+ A-

Revista: Endocrinología Molecular


Los receptores nucleares como dianas terapéuticas: ¡hasta las hormonas… y más allá!

El análisis genómico ha demostrado qeu en el ser humano hay 48 genes que codifican receptores nucleares y que forman la denominada superfamilia de receptores.

  • Ana Aranda

  • Instituto de Investigaciones Biomédicas “Alberto Sols”. CSIC-UAM. Madrid

La gran variedad de acciones que ejercen las hormonas están mediadas por su unión a proteínas localizadas en las células diana: los receptores hormonales. Según su localización, estos receptores se pueden dividir en dos grandes grupos: los que se localizan en la membrana celular y los que se localizan en el núcleo. A diferencia de las hormonas polipeptídicas o las catecolaminas que actúan sobre receptores localizados en la membrana celular y que activan vías de señalización que transmiten la señal hasta el núcleo celular, la mayoría de las acciones celulares de las hormonas lipófilicas están mediadas a través de la unión directa a receptores nucleares, que actúan como factores de transcripción inducibles por ligando para activar o reprimir la expresión de sus genes diana. Los ligandos de los receptores nucleares incluyen no solamente a los receptores de las hormonas lipofílicas; es decir los esteroides y las hormonas tiroideas, sino también a las formas activas de la vitamina A (los retinoides) y la vitamina D (1α, 25 dihidroxivitamina D3), así como a ciertos metabolitos.

 

LA SUPERFAMILIA DE LOS RECEPTORES NUCLEARES: RECEPTORES "CLÁSICOS", "HUÉRFANOS" Y "ADOPTADOS"

El análisis genómico ha demostrado que en el ser humano hay 48 genes que codifican receptores nucleares y que forman la denominada superfamilia de receptores nucleares. Estos receptores tienen una estructura similar y probablemente se derivan de un gen ancestral común. Para muchos receptores nucleares existen diferentes variantes que están codificadas por genes distintos y que van a dar lugar a diferentes isoformas. Las distintas isoformas de un receptor nuclear se pueden expresar de forma diferencial en diferentes tipos celulares y en distintos momentos del desarrollo ontogénico, lo que sugiere que podrían tener funciones diferentes, aunque complementarias. La mayoría de los genes de los receptores nucleares han sido inactivados en el ratón por técnicas de recombinación homóloga y los fenotipos obtenidos demuestran la existencia de funciones específicas, así como en algunos casos de un cierto grado de redundancia por la cual se asegura que algunas de las funciones de una forma de receptor puedan ser asumidas por otras formas en su ausencia.  

 

El análisis de los receptores nucleares ha llevado a una subdivisión en varias subfamilias desde el punto de vista evolutivo. Una gran familia está formada por los receptores de hormonas tiroideas (TR), los receptores de ácido retinoico (RAR), los receptores de la vitamina D (VDR) y los receptores activadores de la proliferación de los peroxisomas (PPAR), así como por diferentes receptores “huérfanos”, es decir receptores con ligando desconocido. La segunda subfamilia contiene los receptores X de retinoides (RXR) junto con los estimuladores corriente arriba de la ovoalbúmina de pollo (COUP), el factor nuclear 4 del hepatocito (HNF4), los receptores de testículos (TR2) y los receptores involucrados en el desarrollo del ojo TLX y PNR. Los RXR se unen a la forma cis del ácido retinoico (9-cis-RA) y como veremos desempeñan un papel importante en la señalización por otros receptores nucleares. La tercera familia está formada por los receptores de esteroides: estrógenos (ER), andrógenos (AR), progesterona (PR), glucocorticoides (GR) y mineralocorticoides (MR), así como los ERR (receptores relacionados con estrógenos), muy similares a los ERs. La cuarta, quinta y sexta subfamilias contienen los receptores huérfanos NGFIB, FTZ-1/SF-1 y GCNF, respectivamente. La mayoría de las subfamilias parecen ser antiguas ya que tienen un homólogo de artrópodos, con la excepción de los receptores de esteroides que no tienen homólogos conocidos. Se ha sugerido que los receptores ancestrales eran factores de transcripción constitutivos que evolucionaron para adquirir independientemente la capacidad de unirse a un ligando. Sin embargo, no se puede descartar la posibilidad de que el receptor ancestral dependiera del ligando y de que las mutaciones cambiaran la especificidad de unión del ligando o condujeran a la pérdida de la unión del ligando durante la evolución. 

 

 

Algunos receptores huérfanos podrían tener un ligando aún no identificado, pero otros podrían actuar de manera constitutiva o activarse por otros medios, como por ejemplo por fosforilación. En los últimos años algunos de los receptores huérfanos han sido adoptados ya que se han identificado sus ligandos. Ahora sabemos que algunos de los nuevos ligandos son productos del metabolismo de los lípidos. Entre ellos se incluyen ácidos grasos, leucotrienos, prostaglandinas, derivados del colesterol, ácidos biliares o tioésteres de acil-CoA que se unen a receptores nucleares y regulan la actividad de diversos genes. A diferencia de las hormonas clásicas que están formadas en una glándula endocrina y se liberan a la sangre para ser distribuidos por el organismo y alcanzar sus células diana, estos compuestos pueden originarse dentro de las células en las que actúan o en células cercanas, lo que explica por qué su papel como reguladores de receptores nucleares no fue identificado previamente en la experimentación fisiológica. También en oposición con los receptores endocrinos clásicos, que son activados por ligandos de alta afinidad con constante de disociación en el rango nanamolar, estos receptores metabólicos son activados por ligandos abundantes pero de baja afinidad con constantes de disociación en el rango micromolar. El descubrimiento de estos nuevos ligandos ha permitido que se hayan descubierto nuevas respuestas hormonales y acuñar el concepto de endocrinología reversa, en la que la caracterización del receptor ha precedido al conocimiento de su ligando y al análisis de sus acciones fisiológicas. Una lista de la mayoría de los receptores nucleares dividida en receptores, clásicos, huérfanos y adoptados y de los ligandos naturales identificados hasta el momento se muestra en la Figura 1

 

ESTRUCTURA Y MECANISMO DE ACCIÓN DE LOS RECEPTORES NUCLEARES

Los receptores nucleares tienen una estructura modular y están formados por diferentes regiones que se corresponden con dominios funcionales autónomos que se pueden intercambiar experimentalmente sin pérdida de función. De forma general, estos receptores están formados por una región N-terminal poco conservada que contiene un dominio de activación transcripcional independiente de ligando o AF-1, un dominio de unión al DNA (DBD) que es el que muestra mayor homología entre los diferentes receptores nucleares y que está compuesto de dos “dedos de zinc”, en los que un átomo de zinc coordina tetraédricamente cuatro cisteínas, una región bisagra, y un dominio de unión a ligando (LBD) que, además de ser la zona de unión al ligando, media la dimerización de los receptores y en algunos casos la represión transcripcional. La región más carboxi-terminal del LBD contiene además el dominio de activación transcripcional dependiente de ligando o AF-2 que es fundamental para la función de los receptores. La estructura general de los LBD está bien conservada en los miembros de la superfamilia y está formado por 12 hélices α, numeradas desde H1 a H12, con una vuelta β entre H5 y H6. El ligando se acomoda en una cavidad hidrofóbica haciendo contacto con diferentes residuos de diferentes hélices. La unión del ligando produce un cambio conformacional en el receptor que adquiere una estructura más compacta, debida sobre todo al cambio de posición de la H12 que contiene el dominio AF-2. Esta hélice se proyecta hacia fuera en el receptor vacío, pero tras la unión del ligando cambia de posición y se empaqueta estrechamente con las hélices 3 y 4.

 

 

 

Los receptores nucleares se unen a los denominados elementos de respuesta hormonal o HRE. Estos elementos son cortas secuencias de ADN que se encuentran en las zonas reguladoras de sus genes diana. Los receptores de esteroides se unen a palíndromos de la secuencia AGAACA separados por 3 nucleótidos, con la excepción del ER, que reconoce el motivo consenso AGGTCA con la misma configuración. En cambio, los receptores noesteroideos se unen preferentemente a HRE formados por repeticiones directas (DR) de esta misma secuencia consenso, separados por un número variable de nucleótidos no conservados. Así, a elementos constituidos por repeticiones separadas por 3, 4 ó 5 nucleótidos se unen con mayor afinidad los receptores VDR, TR y RAR, respectivamente. En cambio, un DR1 actúa como elemento de respuesta para el RXR y el PPAR. 

 

Los HRE se pueden encontrar cercanos al promotor al que se van a unir los factores basales de transcripción y la RNA polimerasa II que se encarga de la transcripción del gen. Sin embargo, el análisis de la unión de los receptores nucleares a nivel del genoma completo ha demostrado que es muy frecuente la presencia de HRE en regiones muy alejadas del sitio de inicio de la transcripción. Cuando los HRE se encuentran lejos del dicho sitio, se produciría un lazo en la cromatina que lo acercaría a la región del promotor del gen. Solamente una fracción de HRE presentes en el genoma está ocupada por el receptor, incluso en presencia del ligando, ya que se encuentran en regiones inaccesibles debido el alto empaquetamiento de la cromatina en esas zonas. Otro hecho importante es que las regiones en las que se encuentran los HRE están normalmente enriquecidas en elementos de unión para otros factores de transcripción, que pueden actuar como factores pioneros facilitando la interacción de los receptores nucleares con sus motivos de unión.

 

La mayoría de los receptores nucleares se unen a los HRE formando dímeros. Los receptores de esteroides forman homodímeros. Sin embargo, la mayoría de los receptores no-esteroideos se unen a los HRE preferentemente en forma de heterodímeros. En este caso no todos los receptores nucleares pueden formar pareja con cualquiera de ellos, siendo el receptor X de retinoides (RXR) el que sirve de pareja promiscua para todos los demás. La heterodimerización con el RXR aumenta considerablemente la afinidad de los receptores nucleares por el HRE y su actividad transcripcional, por lo que las parejas heterodiméricas son las formas biológicamente activas de estos receptores. 

 

Los efectos transcripcionales de los receptores nucleares están mediados por el reclutamiento de complejos coactivadores y correpresores. La función de los receptores nucleares, y de otros factores de transcripción, sería señalar a qué lugares de la cromatina se van a dirigir estos correguladores y, por lo tanto, qué genes van a ser activados o reprimidos. Diferentes receptores nucleares, aunque no todos, pueden actuar como represores transcripcionales en ausencia de hormona, al encontrarse en el HRE unidos a correpresores. Éstos, a su vez, forman parte de complejos que contienen desacetilasas de histonas que producen la compactación de los nucleosomas, silenciando de este modo los genes que contienen los HRE. La unión de la hormona produce un cambio en la conformación del receptor que como se ha mencionado implica fundamentalmente el reposicionamiento de la H12 que contiene el dominio AF2. Este reposicionamiento causa la creación de un surco hidrofóbico del que forman parte residuos de la H12, así como de las H3 y H4, constituyéndose una superficie de interacción con coactivadores, al mismo tiempo que se produce la liberación de los correpresores. De esta forma se facilita la transcripción de los genes a los que el receptor está unido (Figura 2). Algunos coactivadores tienen actividad histona acetiltransferasa intrínseca e interaccionan con otras acetiltransferasas y con histonas arginina metiltransferasas. Esta alteración de las colas de las histonas reducen fuertemente la afinidad de las histonas por el DNA causando el desempaquetamiento de los nucleosomas en las regiones que contienen los HRE. Los receptores nucleares también reclutan factores remodeladores de cromatina dependientes de ATP. Estos complejos utilizan la energía que se produce en la hidrólisis del ATP para causar un cambio en la posición del octámero de histonas con respecto al DNA, lo que facilita también la unión de factores cuyos sitios de unión no estaban expuestos en los nucleosomas. La presencia de la subunidad con actividad ATPasa es requerida para la activación dependiente de ligando por distintos receptores nucleares, y se ha demostrado la existencia de interacciones directas entre los receptores y otros componentes de estos complejos. Existe un tercer tipo de coactivadores que se reclutan al receptor nuclear tras la unión del ligando. Estos coactivadores forman parte del complejo Mediador, cuya función sería atraer a la RNA polimerasa II al promotor diana. Recientemente se ha demostrado que los receptores nucleares también interaccionan con quinasas que fosforilan las histonas, desmetilasas de histonas que remueven la metilación en lisinas, e incluso desmetilasas de ADN, que prepararían a la cromatina para la acción posterior de los complejos coactivadores citados. 

 

 

Los receptores nucleares pueden también reprimir la transcripción de forma dependiente de ligando a través de su unión a HRE negativos que son particularmente importantes en los mecanismos de retroalimentación implicados en la regulación de la síntesis hormonal. Sin embargo, los mecanismos moleculares por los que los receptores nucleares inhiben la transcripción a través de su unión a los HREs “negativos” aún no están bien definidos. Por último, se ha demostrado que  los receptores nucleares pueden inhibir respuestas transcripcionales de genes que no contienen un HRE a través de la regulación de la actividad de los factores de transcripción que se unen a otros elementos reguladores del gen diana, un mecanismo al que se denomina transrepresión. En este caso la inhibición se produciría por interacciones directas proteína-proteína con otros factores de transcripción y/o por inhibición de la liberación de complejos corepresores. Por ejemplo, diferentes ligandos de receptores nucleares reprimen la expresión de genes que contienen sitios de unión para el complejo AP-1 (formado por las oncoproteínas Jun y Fos), que parecen jugar un papel fundamental en los procesos de proliferación celular. Muchos de los efectos antiproliferativos y diferenciadores de los glucocorticoides y otras hormonas esteroideas, así como de los retinoides, podrían implicar este mecanismo de antagonismo transcripcional. Otro importante caso de antagonismo  transcripcional sería el que ocurre entre el GR y otros receptores nucleares como LXR o PPAR y el factor de transcripción NF-kB. Los ligandos de estos receptores reprimen la activación de genes que contienen sitios NF-kB por las citoquinas pro-inflamatorias, lo que parece jugar un papel fundamental en sus acciones anti-inflamatorias.

 

LOS RECEPTORES NUCLEARES COMO DIANAS TERAPÉUTICAS

Aparte de funcionar como integradores moleculares de procesos fisiológicos complejos, los receptores nucleares también participan en diferentes procesos patológicos, incluidos, entre otros, el cáncer, las enfermedades inflamatorias, el síndrome metabólico o la neurodegeneración con una alta prevalencia en la sociedad actual y que constituyen un importante reto para nuestro sistema de salud. Su posición central como principales transductores de las señales mediadas por pequeñas moléculas en la regulación genómica, los convierte en una herramienta muy atractiva para comprender los procesos patológicos, el desarrollo racional de fármacos y para el abordaje de nuevas aproximaciones terapéuticas, por lo que son de gran interés para las compañías farmacéuticas. De hecho, fármacos que tienen como diana a los receptores nucleares son hoy en día la segunda categoría más prescrita y en algunos casos el único tratamiento en algunas patologías. 

 

 

No solamente las hormonas naturales y los compuestos agonistas que se unen a los receptores y desencadenan una respuesta biológica tienen un interés terapéutico. También existen compuestos antagonistas o anti-hormonas que se unen a los receptores pero que no desencadenan una respuesta celular. Estos compuestos, en su mayoría producidos artificialmente, tienen un indudable interés farmacológico en los casos en los que es necesario inhibir respuestas hormonales, ya que compiten con el ligando natural para unirse al receptor desplazando a éste e impidiendo su acción. Así, los antiprogestágenos se utilizan como anticonceptivos y los anti-mineralocorticoides como antihipertensivos y diuréticos En el caso del cáncer de próstata, se utilizan antagonistas del receptor de andrógenos, ya que estas hormonas son muy importantes para el crecimiento de este tipo de tumor. Un caso similar ocurre con el cáncer de mama. Los pacientes con tumores que expresan receptores de estrógenos (aproximadamente el 70%) y que suelen tener mejor pronóstico que los que no los expresan, son buenos candidatos para una terapia anti-estrogénica que se puede combinar con otros tratamientos. Los receptores de esteroides en ausencia de hormona no unen correpresores, pero la unión de ligandos antagonistas a estos receptores posiciona la H12 de una forma anómala que permite la unión de correpresores y excluye la de los coactivadores. Por tanto, el efecto de los antagonistas de los receptores de estrógenos o andrógenos, de amplia utilización clínica en el tratamiento de estos tumores dependientes de hormonas, es debido no solamente a la inhibición de los efectos de las hormonas endógenas, sino a que además transforman a sus receptores en represores transcripcionales.  

 

Tanto los ligandos agonistas como antagonistas de los receptores nucleares pueden producir graves efectos secundarios que limitan su uso. Por ejemplo, los glucocorticoides, uno de los fármacos más utilizados para combatir diferentes enfermedades tienen una potente actividad anti-inflamatoria pero causan hiperglucemia, osteoporosis y síndrome de Cushing. Los efectos beneficiosos de la vitamina D en algunas enfermedades están limitados porque la vitamina produce hipercalcemia y la terapia hormonal postmenopáusica con estrógenos tiene el inconveniente de que aumenta el riesgo de cáncer de mama y endometrio por aumentar la proliferación celular en estos tejidos. Para evitar estas complicaciones las compañías farmacéuticas tienen interés en desarrollar ligandos selectivos con menos complicaciones secundarias y que incluso puedan modular la actividad del receptor hormonal de forma diferente en distintos tejidos. Estos ligandos son prometedores como herramientas farmacológicas en una gran variedad de enfermedades, como el cáncer o las enfermedades inflamatorias. Los denominados SERM (moduladores selectivos del receptor de estrógenos) son un buen ejemplo de este tipo de moléculas que ya se están utilizando con éxito. Por ejemplo, el tamoxifeno que se utilizó tradicionalmente en el tratamiento del cáncer de mama tiene el inconveniente de no actuar como un antagonista puro, ya que mientras que inhibe la proliferación de las células de cáncer de mama produce un pequeño aumento en la incidencia del cáncer de útero. Posteriormente se ha desarrollado otro SERM, el raloxifeno, que no solo disminuye el cáncer de endometrio, sino que también tiene efectos beneficiosos sobre los huesos y la función vascular. Es decir, este compuesto actúa como un antagonista en el endometrio y la mama; pero actúa como un agonista de los estrógenos en otros tipos celulares.

 

No solamente los ligandos de los receptores hormonales clásicos tienen interés terapéutico. El hecho de que los receptores adoptados desempeñan un papel clave en el desarrollo, la homeostasis y su asociación con diferentes enfermedades, como la aterosclerosis, el cáncer, la diabetes o los trastornos lipídicos está ampliamente documentada. Así, aunque existen ligandos endógenos para los PPAR, uno de estos receptores, el PPARg, un receptor clave en la adipogénesis con potentes efectos anti-inflamatorios y anti-aterogénicas, tiene como ligandos a las tioazolidinedionas (TZDs), fármacos de elección en la diabetes tipo 2. En este caso el desarrollo del fármaco fue anterior a su identificación como ligando de un receptor nuclear. Algo similar ocurre con el PPARa, que une con alta afinidad los fibratos, clásicas drogas hipolipemiantes. Esta isoforma es además la encargada de activar la proliferación hepática de los peroxisomas, con una importante función detoxificadora. Otros receptores nucleares como el CAR o el PXR juegan también un papel crucial en el metabolismo hepático de xenobióticos y esteroides, pudiendo unir una gran variedad de drogas y metabolitos que a través de la inducción de los citocromos C y transportadores de drogas facilitan el metabolismo y excreción de xenobióticos. La búsqueda de nuevos ligandos para otros receptores como el LXR, que une formas oxidadas del colesterol y controla el metabolismo de colesterol y la homeostasis lipídica tiene también un indudable interés terapéutico para el control de la aterosclerosis, ya que los agonistas disponibles hasta el momento tienen la limitación de promover la lipogénesis. Los FXR son receptores para los ácidos biliares, y su activación es el principal mecanismo por el cual estos compuestos regulan negativamente su propia expresión. Por lo tanto, la generación de nuevos ligandos para este receptor tiene interés en el tratamiento de la colestasis. Por último el importante papel de diferentes receptores huérfanos en distintos trastornos del desarrollo, morfogénesis y metabolismo demostrados experimentalmente tanto en animales knockout para dichos receptores como en pacientes con mutaciones en los genes que los codifican, indica claramente la existencia de un nicho aún no explotado de desarrollo de nuevas pequeñas moléculas lipofílicas con eficacia clínica a través de la modificación de la actividad de dichos receptores.

 

PARA LEER MÁS

Aranda A, Pascual A, 2001. Nuclear hormone receptors and gene expression. Physiol Rev 81:1269-304.

Benoit G, Cooney A, Giguere V, Ingraham H, Lazar M, Muscat G, Perlmann T, Renaud J P, Schwabe J, Sladek F, Tsai M J,Laudet V, 2006. International Union of Pharmacology. LXVI. Orphan nuclear receptors. Pharmacol Rev 58: 798-836.

Rosenfeld M G, Lunyak V V,Glass CK, 2006. Sensors and signals: a coactivator/corepressor /epigenetic code for integrating signal-dependent programs of transcriptional response. Genes Dev 20:1405-28.

Mullican SE, Dispirito JR, Lazar MA, 2013. The orphan nuclear receptors at their 25-year reunion. J Mol Endocrinol 5. T115-140.

Evans RM, Mangelsdorf DJ, 2014. Nuclear Receptors, RXR, and the Big Bang. Cell 157: 255-66.

Biddie SC, John S, 2014. Conversing with chromatin: the language of nuclear receptors. Mol Endocrinol. 28:3-15. 


¿Te ha gustado este artículo? Compártelo en las redes sociales: