Interaction of the nuclear receptors with its ligands: Structural studies of the thyroid hormone receptor, mineralocorticoid receptor and peroxisome proliferator-activated receptor

Os receptores nucleares constituem uma superfamília de fatores de transcrição regulados pela interação com hormônios. Esta superfamília inclui, por exemplo, os receptores de hormônio tireoidiano, estrogênio, androgênio, glicocorticóide e mineralocorticóide. Neste trabalho, empregamos técnicas de biologia estrutura e bioinformática para estudar as interações entre alguns dos membros da família de receptores nucleares e seus respectivos ligantes. Para o receptor de hormônio tireoidiano, foi demonstrado, através da análise das estruturas cristalográficas das duas isoformas do receptor ligados aos tiromimético Triac, que os componentes entálpicos visíveis nas estruturas não explicam a seletividade do ligante. Dados de dinâmica molecular confirmaram que a seletividade do hormônio tem um importante componente entrópico. Empregando a técnica de dinâmica molecular, estudamos a ligação do receptor de mineralocorticóide humano à aldosterona, ao cortisol, à espironolactona e à cortisona e simulamos ainda o efeito da mutação S810L, conhecida por converter a atividade antagonista da cortisona e da espironolactona em agonista. A análise das simulações revelou um perfil de ligações de hidrogênio similar na ligação do receptor selvagem ao cortisol e à aldosterona. A cortisona perde, por conta da inserção de uma hidroxila na posição 11, uma ligação de hidrogênio importante com a Asn770 e, por isso, tem menor energia potencial de ligação. A espironolactona perde a mesma ligação de hidrogênio ao mesmo tempo em que aumenta o número de contatos de van der Waals pela inserção do grupo tioacetil na posição 7. A mutação S810L simulada no complexo com cortisona, cortisol e espironolactona não interfere no padrão de ligações de hidrogênio estabelecidas entre o receptor e os ligantes, mas altera a mobilidade de uma das regiões propostas como rota de dissociação. Propomos, portanto, que a mutação interfere na cinética de dissociação dos ligantes e não no padrão de interações estabelecidas no equilíbrio. Simulações de dissociação induzida do ligante confirmam esta proposição. Na última etapa, utilizamos os modelos experimentalmente determinados para o receptor ativado por proliferadores peroxissomais gama para a busca de novos ligantes através da técnica de docking molecular. Neste trabalho, utilizamos uma base de dados com aproximadamente um milhão de compostos. Destes, quatro foram selecionados após o docking molecular e testados experimentalmente. Um dos compostos testados se mostrou ativo neste receptor, apresentando uma atividade de 60-70% da atividade da rosiglitazona, conhecido agonista total do PPARg.Nuclear receptors are a superfamily of hormone-regulated transcriptional factors. This superfamily includes, for example, the receptor for thyroid hormone, estrogen, androgen, gluco and mineralocorticoid. In this work, we used structural biology and bioinformatic tools to study the interactions between some members of the nuclear receptor superfamily and its respective ligands. We showed by the analysis of the crystal structures of both thyroid hormone receptor isoforms bound to the thyromimetic Triac that the enthalpic components visible in the structures do not explain the ligand selectivity. Molecular dynamics simulation data confirmed later that the hormone selectivity has an important entropic component. Using the molecular dynamics simulation, we studied, in a second stage, the interaction between the human mineralocorticoid receptor bound to aldosterone, cortisol, spironolactone and cortisone and also simulated the effects of the mutations S810L, known to convert the antagonist properties of spironolactone and cortisone in an agonist activity. The analysis of the simulations showed a similar profile in hydrogen bonds established between the wild type receptor bound to cortisol and aldosterone. Cortisone looses an important hydrogen bond with Asn770 because of the insertion of a carbonyl group in the 11 position and shows a decreased binding potential energy. Spironolactone loses the same interaction but has an increased number of van der Waals contacts because of the insertion of a tioacetyl group in the 7 position. The mutant S810L simulated in complex with cortisol, cortisone and spironolactone showed that the mutation do not interfere with the hydrogen bond profile established between the receptor and the ligands but changes the mobility of a region in the receptor previously proposed as a ligand dissociation route. Ligand unbinding simulations through steered molecular dynamics (SMD) confirm that aldosterone and cortisol unbind differentially and the mutation S810L alters the unbinding profile. We then propose that the mutation changes the kinetics of ligand association/dissociation without changing the profile of the interactions established in the equilibrium. In the last stage, we used the experimentally determined structural model of the peroxissome proliferator-activated receptor gamma to search for novel ligands using the molecular docking technique. For this work, we used a database containing about 1 million compounds. Among those, four compounds were selected after the docking computation and experimentally tested. One of these compounds was found to be active in the receptor, showing about 60-70% of the agonistic activity of rosiglitzone, a known PPARg total agonist