Preview

Вавиловский журнал генетики и селекции

Расширенный поиск

Внутрисуточный ритм секреции глюкокортикоидов и динамика генного ответа

https://doi.org/10.18699/VJ15.027

Полный текст:

Аннотация

Cекреция глюкокортикоидных гормонов (кортизола у людей и кортикостерона у грызунов) надпочечниками в течение суток имеет пульсирующий характер, с периодом примерно
в 1 ч (ультрадианный, или внутрисуточный ритм), что находит отражение в содержании их в плазме и межклеточной жидкости. Однако подавляющее большинство исследований по регуляции экспрессии генов глюкокортикоидами выполнено без учета внутрисуточных колебаний гормонального уровня с использованием синтетических гормонов (дексаметазон, триамценолон), характеризующихся на порядок более прочными комплексами с рецептором глюкокортикоидов (ГР), чем природные гормоны. В настоящем обзоре собраны результаты пока немногочисленных исследований, проведенных с помощью воспроизводящей ультрадианный ритм обработки природными глюкоркортикоидами как культур клеток, так и адреналэктомированных животных. Анализ этих данных показывает, что в условиях физиологических пульсаций природных гормонов наблюдаются аналогичные часовые пульсации в связывании ГР со своими сайтами на ДНК (GREs) в ядрах клеток и такие же пульсации экспрессии генов на уровне первичных транскриптов как в культуре клеток, так и в разных органах экспериментальных животных. В противоположность этому, в результате циклической обработки синтетическим глюкокортикоидом дексаметазоном, так же как и в случае постоянного присутствия как природных, так и синтетических глюкокортикоидов, никаких пульсаций не происходит. Кроме того, количество зрелой мРНК исследованных генов оказывается существенно ниже в случае циклической обработки природными глюкокортикоидами по сравнению с циклическим введением дексаметазона или постоянным присутствием гормонов. Авторы проведенных исследований выдвигают предположение о том, что пульсация генов имеет большое значение для формирования правильного ответа на глюкокортикоидные гормоны и что постоянная гормональная стимуляция может приводить к искажению характера транскриптома клеток-мишеней и, следовательно, вызывать нежелательные физиологические последствия. 

Об авторах

В. М. Меркулов
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Федеральный исследовательский центр Институт цитологии
и генетики Сибирского отделения Российской академии наук», Новосибирск, Россия
Россия


Н. В. Климова
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Федеральный исследовательский центр Институт цитологии
и генетики Сибирского отделения Российской академии наук», Новосибирск, Россия
Россия


Т. И. Меркулова
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Федеральный исследовательский центр Институт цитологии
и генетики Сибирского отделения Российской академии наук», Новосибирск, Россия Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Новосибирский национальный исследовательский государственный университет», Новосибирск, Россия
Россия


Список литературы

1. Agbemafle B.M, Oesterreicher T.J., Shaw C.A., Henning S.J. Immediate early genes of glucocorticoid action on the developing intestine. Am. J. Physiol. Gastrointest. Liver Physiol. 2005;288:G897-G906. DOI: 10.1152/ajpgi.00454.2004

2. Baiula M., Spampinato S. Mapracorat, a novel non-steroidal selective glucocorticoid receptor agonist for the treatment of allergic conjunctivitis. Inflamm. Allergy Drug Targets. 2014;13(5):289-298. DOI: 10.2174/1871528113666141106101356

3. Barbetta L., Dall’Asta C., Re T., Libè R., Costa E., Ambrosi B. Comparison of different regimes of glucocorticoid replacement therapy in patients with hypoadrenalism. J. Endocrinol. Invest. 2005;28(7): 632-637.

4. Bareille P., Hardes K., Donald A.C. Efficacy and safety of once-daily GW870086 a novel selective glucocorticoid in mild-moderate asthmatics: a randomised, two-way crossover, controlled clinical trial. J. Asthma. 2013;50(10):1077-1082. DOI: 10.3109/02770903.2013. 837480

5. Belvisi M.G., Wicks S.L., Battram C.H., Bottoms S.E., Redford J.E., Woodman P., Brown T.J., Webber S.E., Foster M.L. Therapeutic benefit of a dissociated glucocorticoid and the relevance of in vitro separation of transrepression from transactivation activity. J. Immunol. 2001;166(3):1975-1982. DOI: 10.4049/jimmunol.166.3.1975

6. Catley M. Dissociated steroids. Sci. World J. 2007;7:421-430. DOI: 10.1100/tsw.2007.97

7. Chrousos G.P., Charmandari E., Kino T. Glucocorticoid action networks – an introduction to systems biology. J. Clin. Endocrinol. Metab. 2004;89:563-564. DOI: 10.1210/jc.2003-032026

8. Conway-Campbell B.L., Sarabdjitsingh R.A., McKenna M.A., Pooley J.R., Kershaw Y.M., Meijer O.C., De Kloet E.R., Lightman S.L. Glucocorticoid ultradian rhythmicity directs cyclical gene pulsing of the clock gene period 1 in rat hippocampus. J. Neuroendocrinol. 2010;22(10):1093-100. DOI: 10.1111/j.1365-2826.2010. 02051.x

9. Conway-Campbell B.L., Pooley J.R., Hager G.L., Lightman S.L. Molecular dynamics of ultradian glucocorticoid receptor action. Mol. Cell Endocrinol. 2012;348(2):383-393. DOI: 10.1016/j.mce. 2011.08.014

10. Droste S.K., de Groote L., Atkinson H.C., Lightman S.L., Reul J.M., Linthorst A.C. Corticosterone levels in the brain show a distinct ultradian rhythm but a delayed response to forced swim stress. Endocrinology. 2008;149(7):3244-53. DOI: 10.1210/en.2008-0103

11. Gross K.L, Cidlowski J.A. Tissue-specific glucocorticoid action: a family affair. Trends Endocrinol. Metab. 2008;19:331-339. DOI: 10.1016/j.tem.2008.07.009

12. Gupta V., Galante A., Soteropoulos P., Guo S., Wagner B.J. Global gene profiling reveals novel glucocorticoid induced changes in gene expression of human lens epithelial cells. Mol. Vis. 2005;11:1018-1040.

13. Gustafsson J.A. Steroids and scientist. Mol. Endocrinol. 2005;19: 61412-61417. DOI: 10.1210/me.2004-0479

14. Hardin P.E, Hall J.C., Rosbash M. Circadian oscillations in period gene mRNA levels are transcriptionally regulated. Proc. Natl Acad. Sci. USA. 1992;89(24):11711-11715.

15. Hartmann A., Veldhuis J.D., Deuschle M., Standhardt H., Heuser I. Twenty-four hour cortisol release profiles in patients with Alzheimer’s and Parkinson’s disease compared to normal controls: ultradian secretory pulsatility and diurnal variation. Neurobiol. Aging. 1997;18(3):285-289. DOI: 10.1016/S0197-4580(97)80309-0

16. Henley D.E., Russell G.M., Douthwaite J.A., Wood S.A., Buchanan F., Gibson R., Woltersdorf W.W., Catterall J.R., Lightman S.L. Hypothalamic-pituitary-adrenal axis activation in obstructive sleep apnea: the effect of continuous positive airway pressure therapy. J. Clin. Endocrinol. Metab. 2009;94(11):4234-4342. DOI: 10.1210/jc. 2009-1174

17. Henley D.E., Lightman S.L. Cardio-metabolic consequences of glucocorticoid replacement: relevance of ultradian signaling. Clin. Endocrinol. (Oxf). 2014;80(5):621-628. DOI: 10.1111/cen.12422

18. Hierholzer K., Buhler H. Metabolism of cortical steroid hormones and their general mode of action. Comprehensive human physiology. Ed. R. Greger, U. Windhorst. Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag, 1996.

19. Himes B.E., Jiang X., Wagner P., Hu R., Wang Q., Klanderman B., Whitaker R.M., Duan Q., Lasky-Su J., Nikolos C., Jester W., Johnson M., Panettieri R.A. Jr., Tantisira K.G., Weiss S.T., Lu Q. RNASeq transcriptome profiling identifies CRISPLD2 as a glucocorticoid responsive gene that modulates cytokine function in airway smooth muscle cells. PLoS One. 2014;9(6):e99625. DOI: 10.1371/journal. pone.0099625

20. Johannsson G., Nilsson A.G., Bergthorsdottir R., Burman P., Dahlqvist P., Ekman B., Engström B.E., Olsson T., Ragnarsson O., Ryberg M., Wahlberg J., Biller B.M., Monson J.P., Stewart P.M., Lennernäs H., Skrtic S. Improved cortisol exposure-time profile and outcome in patients with adrenal insufficiency: a prospective randomized trial of a novel hydrocortisone dual-release formulation. J. Clin. Endocrinol. Metab. 2012;97(2):473-481. DOI: 10.1210/jc.2011-1926

21. John S., Johnson T.A., Sung M.H., Biddie S.C., Trump S., Koch-Paiz C.A., Davis S.R., Walker R., Meltzer P.S., Hager G.L. Kinetic complexity of the global response to glucocorticoid receptor action. Endocrinology. 2009;150(4):1766-1774. DOI: 10.1210/en.2008-0863

22. Kino T., Nordeen S.K., Chrousos G.P. Conditional modulation of glucocorticoid receptor activities by CREB-binding protein (CBP) and p300. J. Steroid Biochem. Mol. Biol. 1999;70(1/3):15-25. DOI: 10.1016/S0960-0760(99)00100-4

23. Lightman S.L. Patterns of exposure to glucocorticoid receptor ligand. Biochem. Soc. Trans. 2006;34(6):1117-1118. DOI: 10.1042/ BST0341117

24. Lightman S.L., Wiles C.C., Atkinson H.C., Henley D.E., Russell G.M., Leendertz J.A., McKenna M.A., Spiga F., Wood S.A., Conway-Campbell B.L. The significance of glucocorticoid pulsatility. Eur. J. Pharmacol. 2008;583(2/3):255-262. DOI: 10.1016/j.ejphar.2007.11.073

25. Löwenberg M., Stahn C., Hommes D.W., Buttgereit F. Novel insights into mechanisms of glucocorticoid action and the development of new glucocorticoid receptor ligands. Steroids. 2008;73(9/10):10251029. DOI: 10.1016/j.steroids.2007.12.002

26. Mangelsdorf D.J., Thummel C., Beato M., Herrlich P., Schutz G., Umesono K., Blumberg B., Kastner P., Mark M., Chambon P., Evans R.M. The nuclear receptor superfamily: the second decade. Cell. 1995;83(6):835-839. DOI: 10.1016/0092-8674(95)90199-X

27. Merkulov V.M., Merkulova T.I. Structural variants of glucocorticoid receptor binding sites and different versions of positive glucocorticoid responsive elements: Analysis of GR-TRRD database. J. Steroid Biochem. Mol. Biol. 2009;115:1-8. DOI: 10.1016/j.jsbmb.2009.02.003

28. Miner J.N., Hong M.H., Negro-Vilar A. New and improved glucocorticoid receptor ligands. Expert Opin. Investig. Drugs. 2005;14(12): 1527-1545. DOI: 10.1517/13543784.14.12.1527

29. Morris C.J., Aeschbach D., Scheer F.A. Circadian system, sleep and endocrinology. Mol. Cell. Endocrinol. 2012;349:91-104. DOI: 10.1016/j.mce.2011.09.003

30. Nishi M., Kawata M. Brain corticosteroid receptor dynamics and trafficking: Implications from live cell imaging. Neuroscientist. 2006;12(2):119-133.

31. Oakley R.H., Cidlowski J.A. Cellular processing of the glucocorticoid receptor gene and protein: new mechanisms for generating tissuespecific actions of glucocorticoids. J. Biol. Chem. 2011;286:31773184. DOI: 10.1074/jbc.R110.179325

32. Oakley R.H., Cidlowski J.A. The biology of the glucocorticoid receptor: new signaling mechanisms in health and disease. J. Allergy Clin. Immunol. 2013;132(5):1033-1044. DOI: 10.1016/j.jaci.2013.09.007

33. Payvar F., Wrange O., Carlstedt-Duke J., Okret S., Gustafsson J.A., Yamamoto K.R. Purified glucocorticoid receptors bind selectively in vitro to a cloned DNA fragment whose transcription is regulated by glucocorticoids in vivo. Proc. Natl Acad. Sci. USA. 1981;78(11):6628-6632.

34. Phuc Le P., Friedman J.R., Schug J., Brestelli J.E., Parker J.B., Bochkis I.M., Kaestner K.H. Glucocorticoid receptor-dependent gene regulatory networks. PLoS Genet. 2005;1(2):e16. DOI: 10.1371/journal. pgen.0010016

35. Planey S.L., Abrams M.T., Robertson N.M., Litwack G. Role of apical caspases and glucocorticoid-regulated genes in glucocorticoid-induced apoptosis of pre-B leukemic cells. Cancer Res. 2003;63:172-178.

36. Pratt W.B., Galigniana M.D., Morishima Y., Murphy P.J. Role of molecular chaperones in steroid receptor action. Essays Biochem. 2004;40:41-58.

37. Qian X., Droste S.K., Lightman S.L., Reul J.M., Linthorst A.C. Circadian and ultradian rhythms of free glucocorticoid hormone are highly synchronized between the blood, the subcutaneous tissue, and the brain. Endocrinology. 2012;153(9):4346-4353. DOI: 10.1210/ en.2012-1484

38. Reddy T.E., Pauli F., Sprouse R.O., Neff N.F., Newberry K.M., Garabedian M.J., Myers R.M. Genomic determination of the glucocorticoid response reveals unexpected mechanisms of gene regulation. Genome Res. 2009;19(12):2163-2171. DOI: 10.1101/gr.097022.109

39. Rhen T., Cidlowski J.A. Antiinflammatory action of glucocorticoids – new mechanisms for old drugs. N. Engl. J. Med. 2005;353(16):17111723. DOI: 10.1056/NEJMra050541

40. Russell G.M., Lightman S.L. Can side effects of steroid treatments be minimized by the temporal aspects of delivery method? Expert Opin. Drug Saf. 2014;13(11):1501-1513. DOI: 10.1517/14740338. 2014.965141

41. Saksida T., Vujicic M., Nikolic I., Stojanovic I., Haegeman G., StosicGrujicic S. Compound A, a selective glucocorticoid receptor agonist, inhibits immunoinflammatory diabetes, induced by multiple low doses of streptozotocin in mice. Br. J. Pharmacol. 2014;171(24):58985909. DOI: 10.1111/bph.12892

42. Schoneveld O.J., Gaemers I.C., Lamers W.H. Mechanisms of glucocorticoid signaling. Biochem. Biophys. Acta. 2004;1680(2):114-128.

43. Seale J.V., Wood S.A., Atkinson H.C., Bate E., Lightman S.L., Ingram C.D., Jessop D.S., Harbuz M.S. Gonadectomy reverses the sexually diergic patterns of circadian and stress-induced hypothalamic-pituitary-adrenal axis activity in male and female rats. J. Neuroendocrinol. 2004;16(6):516-524. DOI: 10.1111/j.1365-2826. 2004.01195.x

44. Simons S.S.Jr. Glucocorticoid receptor cofactors as therapeutic targets. Curr. Opin. Pharmacol. 2010;10:613-619. DOI: 10.1016/j.coph.2010. 08.001

45. Skuza G., Szymańska M., Budziszewska B., Abate C., Berardi F. Effects of PB190 and PB212, new σ receptor ligands, on glucocorticoid receptor-mediated gene transcription in LMCAT cells. Pharmacol. Rep. 2011;63(6):1564-1568.

46. Stahn C., Löwenberg M., Hommes D.W., Buttgereit F. Molecular mechanisms of glucocorticoid action and selective glucocorticoid receptor agonists. Mol. Cell Endocrinol. 2007;275(1/2):71-78. DOI: 10.1016/j.mce.2007.05.019

47. So A.Y., Chaivorapol C., Bolton E.C., Li H., Yamamoto K.R. Determinants of celland gene-specific transcriptional regulation by the glucocorticoid receptor. PLoS Genet. 2007;3:e94. DOI: 10.1371/ journal.pgen.0030094

48. Stavreva D.A., Wiench M., John S., Conway-Campbell B.L., McKenna M.A., Pooley J.R., Johnson T.A., Voss T.C., Lightman S.L., Hager G.L. Ultradian hormone stimulation induces glucocorticoid receptor-mediated pulses of gene transcription. Nat. Cell Biol. 2009;11(9):1093-1102. DOI: 10.1038/ncb1922

49. Thompson E.B. The structure of the human glucocorticoid receptor and its gene. J. Steroid Biochem. 1987;27:105-8. DOI: 0.1016/00224731(87)90300-1

50. Truss M., Beato M. Steroid hormone receptors: interaction with deoxyribo-nucleic acids and transcription factors. Endocrine Rev. 1993;14:459-478. DOI: 10.1210/er.14.4.459

51. Verma S., Vanryzin C., Sinaii N., Kim M.S., Nieman L.K., Ravindran S., Calis K.A., Arlt W., Ross R.J., Merke D.P. A pharmacokinetic and pharmacodynamic study of delayedand extended-release hydrocortisone (Chronocort) vs. conventional hydrocortisone (Cortef) in the treatment of congenital adrenal hyperplasia. Clin. Endocrinol. 2010;72(4):441-7. DOI: 10.1111/j.1365-2265.2009.03636.x

52. Wang Z., Malone M.H., He H., McColl K.S., Distelhorst C.W. Microarray analysis uncovers the induction of the proapoptotic BH3-only protein Bim in multiple models of glucocorticoid-induced apoptosis. J. Biol. Chem. 2003;278(26):23861-72386. DOI: 10.1074/jbc. M301843200

53. Walker D., Htun H., Hager G.L. Using inducible vectors to study intracellular trafficking of GFP-tagged steroid/nuclear receptors in living cells. Methods. 1999;19(3):386-393. DOI: 10.1006/meth.1999.0874

54. Wallberg A.E., Flinn E.M., Gustafsson J.A., Wright A.P. Recruitment of chromatin remodelling factors during gene activation via the glucocorticoid receptor N-terminal domain. Biochem. Soc. Trans. 2000;28(4):410-414.

55. Wrange O., Carlstedt-Duke J., Gustaffson J.-A. Purification of the glucocorticoid receptor from rat liver cytosol. J. Biol. Chem. 1979;254(18): 9284-9290.

56. Young E.A., Carlson N.E., Brown M.B. Twenty-four-hour ACTH and cortisol pulsatility in depressed women. Neuropsychopharmacology. 2001;25(2):267-276. DOI: 10.1016/S0893-133X(00)00236-0

57. Young E.A., Abelson J., Lightman S.L. Cortisol pulsatility and its role in stress regulation and health. Front. Neuroendocrinol. 2004;25(2): 69-76. DOI: 10.1016/j.yfrne.2004.07.001


Просмотров: 632


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2500-0462 (Print)
ISSN 2500-3259 (Online)