Budowa PPAR

Receptory PPAR, opisane po raz pierwszy przez Issemann'a i Green'a w 1990 roku, stanowią grupę czynników transkrypcyjnych, które są aktywowane w cytoplazmie poprzez związanie liganda, aby następnie przyłączyć receptor retinoidowy X (RXR), co określane jest mianem heterodimeryzacji. Heterodimer przenika do jądra komórkowego, gdzie łączy się ze specyficznym miejscem na nici DNA. Poza aktywacją, ligandy wpływają na zmiany konformacyjne w receptorze, a tym samym wpływają na wiązanie powstałego heterodimeru z określonym fragmentem DNA i stanowią o zakresie działań biologicznych wywieranych przez PPAR w danej sytuacji.

Receptory PPAR są zbudowane podobnie jak inne receptory jądrowe z kilku domen. Na końcu aminowym zawierają domenę transaktywacyjną (A/B) niezależną od ligandów (AF-1), która jest aktywowana poprzez sygnały pochodzące od czynników wzrostowych oraz jest rozpoznawana przez koaktywatory, a także inne czynniki transkrypcyjne i aktywowana na drodze enzymatycznej poprzez fosforylację za pomocą kinazy.

Następnie można wyróżnić domenę wiążącą DNA (domena C) o długości 70 aminokwasów, która zbudowana jest z dwóch motywów palca cynkowego i odpowiada za specyficzność wiązania PPAR z elementem odpowiedzi proliferatora peroksysomów (PPRE) w regionie regulatorowym odpowiednich genów.

Kolejną domenę stanowi region zawiasowy (domena D) - miejsce przyłączania kofaktorów.

Na końcu karboksylowym znajduje się domena (E/F) wiążąca ligand - LBD - odpowiedzialna za specyficzność wobec liganda oraz domena AF-2. LBD składa się z 13 α-helis oraz 4 mały motywów β-harmonijki. W przypadku PPAR miejsce wiążące ligand wydaje się duże w porównaniu z innymi receptorami jądrowymi, co pozwala na oddziaływanie z szeroką gamą strukturalnie różnych ligandów.

Podział PPAR

Zidentyfikowano trzy formy PPAR, które należą do pierwszej podrodziny receptorów jądrowych, w której stanowią grupę C: PPAR-α (NR1C1, PPAR-β/δ (NR1C2) oraz PPAR-γ (NR1C3), które różnią się stopniem ekspresji w tkankach, procesami, w które są zaangażowane, a ponadto są produktem ekspresji różnych genów zlokalizowanych odpowiednio na chromosomie 22, 6 oraz 3.

W przypadku PPAR-γ zidentyfikowano co najmniej trzy warianty – γ1, γ2, γ3 – powstające na drodze alternatywnego składania mRNA.

Stymulacja receptorów PPAR reguluje metabolizm komórki poprzez wpływ na metabolizm glukozy, lipidów oraz wrażliwość tkanek na insulinę. Poza tym receptory PPAR wpływają na przebieg procesów zapalnych, odpowiedź układu odpornościowego, a także na podziały i różnicowanie komórek.

PPAR-α

Ulega ekspresji w narządach wykazujących dużą aktywność metaboliczną m.in. wątrobie, korze nerki, błonie śluzowej jelita, sercu, mięśniach szkieletowych i brunatnej tkance tłuszczowej, a także w komórkach naczyń – komórkach śródbłonka, VSMC oraz monocytach/makrofagach. PPAR-α odgrywa ważną rolę w regulacji oksydacji kwasów tłuszczowych poprzez stymulację wychwytu kwasów tłuszczowych dzięki zwiększeniu ekspresji białka transportującego kwasy tłuszczowe (FATP) i translokazy kwasów tłuszczowych (FAT) oraz oksydazy acyl-CoA, palmitoilotransferazy karnitynowej I i II, a także Δ-6-desaturazy.

W związku z powyższym endogenne oraz egzogenne ligandy PPAR-α – odpowiednio kwasy tłuszczowe omega-3 oraz fibraty i inne wpływające na ekspresję cytochromu P4504A (CYP4A) znalazły zastosowanie w leczeniu hipertriglicerydemii poprzez pozytywny wpływ na ω-hydrolizację kwasów tłuszczowych.

Stymulacja PPAR-α wpływa także na wzrost ekspresji lipazy lipoproteinowej (LPL) i hamowanie syntezy apolipoproteiny (apo) C-III w wątrobie.

Co ciekawe, stymuluje także ekspresję apolipoproteiny (Apo) A-I stanowiącej główną apolipoproteinę lipoproteiny o wysokiej gęstości (HDL), która odpowiada za transport cholesterolu z tkanek obwodowych do wątroby., a także Apo A-II i A-V. PPAR-α wpływa również pozytywnie na ekspresję kasety wiążącej ATP A-1 (ABCA1) w makrofagach, która jest odpowiedzialna za usuwanie cholesterolu z komórki i stanowi ważny składnik szlaku transportu cholesterolu zależnego od Apo A-1 do wątroby..

Badania sugerują, że wzrost ekspresji ABCA1 następuje poprzez zwiększenie ekspresji receptora X wątroby (LXR-α).

Aktywowany PPAR-α wpływa również dodatnio na ekspresję genu czynnika wzrostu fibroblastów 21 (FGF-21) oraz genu białka podobnego do angiopoetyny 4 (ANGPLT4). ANGPLT4 ma prawdopodobnie związek ze zmianą aktywności LPL.

PPAR-α pełni więc funkcję regulującą metabolizm lipidów. W wątrobie zwiększa wykorzystanie kwasów tłuszczowych, co powoduje zwiększone spalanie energii oraz redukcję tkanki tłuszczowej.
Leki stanowiące agonistów PPAR-α – fibraty – zmniejszają na drodze wspomnianych mechanizmów stężenie triglicefydów o około 30-50%, a także lipoprotein o bardzo małej gęstości (VLDL), jednocześnie powodując niewielki wzrost cholesterolu HDL (5-20%). Dzięki wywieranym działaniom fibraty zmniejszają progresję miażdżycy oraz obniżają ryzyko zdarzeń sercowo-naczyniowych. Ponadto zmniejszają insulinooporność i stężenie glukozy w osoczu.

Poza tym zaobserwowano, że agoniści PPAR-α wywierają także działanie przeciwzapalne w komórkach naczyń poprzez hamowanie indukowanej cytokinami ekspresji VCAM-1 oraz zwiększenie ekspresji śródbłonkowej syntazy tlenku azotu (eNOS). Obserwowano również obniżenie sygnalizacji NF-κB w komórkach VSMC, co wpływało na zmniejszenie stężenie IL-6 oraz ekspresji cyklooksygenazy 2 (COX2). PPAR-α wpływa także na indukcję apoptozy, obniżenie ekspresji czynnika tkankowego (TF) oraz metaloproteinazy (MMP) w makrofagach aktywowanych cytokinami.

PPAR-β/δ

Ekspresja PPAR-β/δ zachodzi w większości tkanek oraz w wysokich poziomach w mózgu, tkance tłuszczowej, sercu, mięśniach szkieletowych, nerkach, naczyniach i okrężnicy. Podobnie jak w przypadku PPAR-α obserwowane są właściwości obniżające hiperlipidemię, a także korzystne działanie w miażdżycy, otyłości, usuwaniu cholesterolu czy wydatków energetycznych w mięśniach. Poza tym obserwacje na modelu zwierzęcym cukrzycy typu 2 wykazały obniżenie poziomu glukozy oraz triglicerydów po zastosowaniu agonistów PPAR-β/δ.

Obserwowano również wpływ aktywujący na enzymy termogenezy w brązowej tkance tłuszczowej (UCP1, UCP3) oraz w mięśniach (UCP2). Typ ten przeważa w mięśniach szkieletowych, gdzie jest zaangażowany m.in. w metabolizm lipidów oraz zmiany włókien mięśniowych w odpowiedzi na zwiększoną wydajność. Badania in vitro wykazały, że aktywacja PPAR-β/δ wpływa na zwiększenie oksydacji kwasów tłuszczowych w mięśniach, a także czynnika transkrypcyjnego FoxO1 biorącego udział w adaptacji metabolicznej. Obserwowany jest również wzrost kinazy PDK4, CD36 oraz lipazy lipoproteinowej. Wzrost PDK4 prowadzi to zwiększenia wykorzystania kwasów tłuszczowych jako źródła energii.

Badania na myszach poddanych ćwiczeniom wytrzymałościowym wykazały wzrost stężenia białka PPAR-β/δ co wpływało na zwiększone utlenianie tłuszczu, zmniejszenie masy tkanki tłuszczowej u tych myszy oraz zwiększenie włókien mięśniowych typu 2a.

Poza tym aktywacja PPAR-β/δ chroni przed stresem retikulum endoplazmatycznego związanym z zapaleniem oraz przed opornością na insulinę poprzez wpływ na aktywację AMPK i inhibicję szlaku sygnalizacji ERK1/2, a także aktywuje PPAR-γ coaktywator 1α (PGC1α), który następnie działa jako koaktywator MEF2 i PPAR-β/δ. PGC1α oraz heterodimer PPAR-β/δ stanowią koaktywatory dla jądrowych czynników oddechowych (NRF) 1 i 2, które zwiększają ekspresję genów mitochondrialnych.

Starzejące się myszy z niedoborem genu PPAR-β/δ wykazywały przerost adipocytów, oporność na insulinę oraz nietolerancję glukozy, co fenotypowo przypomina rozwój otyłości i cukrzycy. Ponadto myszy z wyciszonym genem PPAR-β/δ w wątrobie wykazywały dodatkowo zaburzenia wykorzystania lipidów w mięśniach szkieletowych.

Aktywacja opisywanego receptora poprawia także fenotyp Dystrofii Mięśniowej Duchenne’a (DMD) poprzez wpływ na aktywację transkrypcji Utrophiny A, która stanowi u myszy autosomalny homolog dystrofiny.

PPAR-β/δ wpływa prawdopodobnie także na zagnieżdżenie zarodka w macicy – zaobserwowano ekspresję receptorów PPAR oraz COX2 w miejscach zagnieżdżania zarodka w macicy. Badania wykazały, że w modelu z niedoborem COX2 zastosowanie agonistów PPAR-β/δ skutkowało przywróceniem procesu implantacji.

PPAR-γ

Najlepiej zbadaną formą jest PPAR-γ, w którym jak wspomniano odkryto trzy izoformy różniące się m.in. ekspresją w tkankach: PPAR-γ1 jest szeroko rozpowszechniony w tkankach, PPAR-γ2 występuje głównie w tkance tłuszczowej, natomiast ekspresja PPAR-γ3 zachodzi w makrofagach, jelicie grubym i białej tkance tłuszczowej.

Naturalnym, endogennym ligandem dla PPAR-γ są wielonienasycone kwasy tłuszczowe (m.in. kwas linolowy, arachidonowy, eikozapentaenowy) i ich pochodne np. kwasy 12- i 15-hydroksyeikozatetraenowy (HETE) czy 9- i 13-hydroksyoktadekadienowy (HODE) oraz związki związane z prostaglandynami jak 15-deoxy-delta12-14-PGJ2 – metabolit prostaglandyny D2.

Agonistami PPAR-γ są także substancje wyizolowane z roślin leczniczych m.in. saurufuran A, flawonoidy (chryzyna, kampferol), związki fenolowe czy kurkumina.

Z kolei najbardziej rozpowszechnionymi egzogennymi ligandemi selektywnymi dla PPAR-γ są leki z grupy Tiazolidynodionów (TZD), które zmniejszają insulinooporność oraz obniżają stężenie glukozy w cukrzycy typu 2.

PPAR-γ mają ogromne znaczenie w regulacji metabolizmu. Zaangażowane są m.in. w stymulację różnicowania pre-adipocytów w dojrzałe, małe, insulinowrażliwe adipocyty, a także promują apoptozę dojrzałych adipocytów. Poza tym poprawiają insulinowrażliwość poprzez wywieranie efektu przeciwnego do TNF-α, który jest związany ze wzrostem insulinooporności. Dodatkowo aktywowany PPAR-γ wpływa dodatnio na ekspresję transportera glukozy GLUT4 w adipocytach, co wpływa korzystnie na transport glukozy.

Poza tym aktywowany PPAR-γ powoduje w adipocytach wydzielanie adiponektyny i leptyny, które regulują odpowiedź na insulinę m.in. w wątrobie i mięśniach szkieletowych. Regulacja genów kodujących czynniki wpływające na uwalnianie, transport i magazynowanie kwasów tłuszczowych takich jak LPL oraz transporter kwasów tłuszczowych CD36 także jest zależna od aktywowanego receptora PPAR-γ.

Obserwacje wykazały również obecność PPAR-γ w komórkach śródbłonka oraz komórkach mięśni gładkich naczyń, co może mieć znaczenie w regulacji zapalenia oraz miażdżycy tętnic.

Badania wykazały także, że zastosowanie troglitazonu hamuje indukowaną przez śródbłonkowy czynnik wzrostu naczyń (VEGF) angiogenezę w komórkach pigmentowych siatkówki na modelu zwierzęcym. Wyniki te wskazują na potencjalne zastosowanie ligandów PPAR-γ w chorobach siatkówki związanych z wiekiem i cukrzycą.

Właściwości pobudzające apoptozę i różnicowanie komórek mają także korzystne znaczenie w chemioterapii nowotworów m.in. piersi, okrężnicy, gruczołu krokowego, trzustki, pęcherzyka żółciowego, przysadki oraz żołądka na modelu zwierzęcym. Poza tym zaobserwowano, że aktywowane PPAR-γ wpływają na zahamowanie cyklu komórkowego oraz angiogenezę w niektórych nowotworach.

Podsumowując, receptory z rodziny PPAR stanowią ciekawy kierunek rozwoju terapii zespołu metabolicznego i związanych z tym jednostek chorobowych. Od dłuższego czasu są stosowane leki w leczeniu hipertriglicerydemii – fibraty, które są agonistami PPAR-α. Z kolei w leczniu cukrzycy typu 2 wykorzystywane są leki z grupy tiazolidynodionów, które są agonistami PPAR-γ. Niestety stosowanie tych leków nie jest pozbawione skutków ubocznych – gromadzenie wody oraz wzrost masy w przypadku tiazolidynodionów dlatego tak ważne są dalsze badania nad mechanizmem działania oraz lekami, które będę pozbawione uciążliwych skutków ubocznych. Poza wpływem na gospodarkę lipidową oraz węglowodanową PPAR mają również swój udział w reakcjach zapalnych oraz rozwoju nowotworów. Jest to niezwykle interesujący kierunek badań nad wykorzystaniem receptorów PPAR jako celu terapeutycznego w przypadku rozwoju nowotworów.