Identification of heme as the ligand for the orphan nuclear receptors REV-ERBα and REV-ERBβ

Abstract

The nuclear receptors REV-ERBα (encoded by NR1D1) and REV-ERBβ (NR1D2) have remained orphans owing to the lack of identified physiological ligands. Here we show that heme is a physiological ligand of both receptors. Heme associates with the ligand-binding domains of the REV-ERB receptors with a 1:1 stoichiometry and enhances the thermal stability of the proteins. Results from experiments of heme depletion in mammalian cells indicate that heme binding to REV-ERB causes the recruitment of the co-repressor NCoR, leading to repression of target genes including BMAL1 (official symbol ARNTL), an essential component of the circadian oscillator. Heme extends the known types of ligands used by the human nuclear receptor family beyond the endocrine hormones and dietary lipids described so far. Our results further indicate that heme regulation of REV-ERBs may link the control of metabolism and the mammalian clock.REV-ERBα was originally identified as an orphan member of the nuclear hormone receptor (NHR) family on the basis of its canonical domain structure and sequence conservation 1,2 . REV-ERBβ was subsequently identified by its homology to other NHRs and its pattern of expression, which overlaps greatly with that of REV-ERBα. Both receptors have particularly high expression in the liver, adipose tissue, skeletal muscle and brain 3-8 , where they are transcribed in a circadian manner 9-11 . The REV-ERBs are unique in the NHR superfamily in that they lack the carboxy-terminal tail (helix 12) of the ligand-binding domain (LBD), which is required for coactivator recognition 12

Fin de l’orphelinat pour les récepteurs nucléaires REVERB

“…La robustesse de ce système est assurée par les récep-teurs nucléaires, REVERB et ROR qui, respectivement, répriment et activent rythmiquement la transcription de Bmal1 [9]. Ces oscillateurs molécu-laires imposent une rythmicité circadienne à de nombreuses fonctions physiologiques et comportementales de l'organisme, comme par exemple, le [12] ont purifié les domaines LBD de REVERBα et β produits chez E. Coli, et ont mis en évidence, par spectrométrie de masse, une interaction de l'hème avec ces deux récepteurs. Contrairement à ce qui se passe chez la drosophile, l'hème semble se comporter comme un ligand des REVERB, puisqu'il lie de façon réver-sible les LBD.…”

“…Contrairement à ce qui se passe chez la drosophile, l'hème semble se comporter comme un ligand des REVERB, puisqu'il lie de façon réver-sible les LBD. La fixation de l'hème est requise pour le recrutement du co-répresseur N-CoR et une mutation qui empêche la fixation de l'hème empêche également l'interaction avec N-CoR [11,12]. Contrairement à ce qui se passe chez la drosophile, les gaz diatomiques ne modulent pas l'activité de l'hème [12].…”

“…La fixation de l'hème est requise pour le recrutement du co-répresseur N-CoR et une mutation qui empêche la fixation de l'hème empêche également l'interaction avec N-CoR [11,12]. Contrairement à ce qui se passe chez la drosophile, les gaz diatomiques ne modulent pas l'activité de l'hème [12]. La découverte de l'hème comme ligand des REVERB pose la question du rôle de l'hème dans la régulation du métabolisme lipidique et dans le système circadien.…”

“…En modulant la concentration intracellulaire en hème, les auteurs ont pu démontrer les effets engendrés par l'hème sur l'expression des gènes cibles de REVERBα. Une déplé-tion en hème, par le succinyl acétone qui prévient l'incorporation de fer dans l'hème, induit une diminution de l'interaction de REVERBα d'une part avec le complexe N-CoR-HDAC3 [11,12] et d'autre part avec l'élément RORE présent dans le promoteur du gène Bmal1 [12]. Par conséquent, l'expression du gène Bmal1 est augmentée [11,12] ainsi que celle d'un autre gène cible de REVERBα, Elovl3 [12], impliqué dans la lipogenèse.…”

“…Une déplé-tion en hème, par le succinyl acétone qui prévient l'incorporation de fer dans l'hème, induit une diminution de l'interaction de REVERBα d'une part avec le complexe N-CoR-HDAC3 [11,12] et d'autre part avec l'élément RORE présent dans le promoteur du gène Bmal1 [12]. Par conséquent, l'expression du gène Bmal1 est augmentée [11,12] ainsi que celle d'un autre gène cible de REVERBα, Elovl3 [12], impliqué dans la lipogenèse. Inversement, l'ajout d'hémine induit une interaction stable de REVERBα avec N-CoR-HDAC3 et une baisse de l'expression de Bmal1 [11,12] ainsi que de deux gènes codant pour des enzymes clés de la gluconéogenèse, la glucose-6-phosphatase (G6Pase) et la phosphoénolpyruvate kinase (PEPCK) [11,13].…”