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Receptor acoplado a proteína G

La estructura de siete hélices α transmembrana de la rodopsina bovina

Los receptores acoplados a proteína G ( GPCR ), también conocidos como receptores de dominio transmembrana de siete (paso) , receptores 7TM , receptores heptahelicoidales , receptores serpentinos y receptores unidos a proteína G ( GPLR ), forman un gran grupo de proteínas evolutivamente relacionadas que Son receptores de la superficie celular que detectan moléculas fuera de la célula y activan respuestas celulares. Están acoplados a proteínas G. Pasan a través de la membrana celular siete veces en forma de seis bucles [2] (tres bucles extracelulares que interactúan con moléculas de ligando , tres bucles intracelulares que interactúan con proteínas G, una región extracelular N-terminal y una región intracelular C-terminal [2] ) de residuos de aminoácidos , por lo que a veces se les denomina receptores de siete transmembrana. [3] Los ligandos pueden unirse al extremo N-terminal y a los bucles extracelulares (por ejemplo, receptores de glutamato) o al sitio de unión dentro de las hélices transmembrana ( familia similar a la rodopsina ). Todos ellos son activados por agonistas , aunque también se ha observado una autoactivación espontánea de un receptor vacío. [3]

Los receptores acoplados a proteína G se encuentran sólo en eucariotas , incluidas las levaduras y los coanoflagelados . [4] Los ligandos que se unen y activan estos receptores incluyen compuestos sensibles a la luz, olores , feromonas , hormonas y neurotransmisores , y varían en tamaño desde moléculas pequeñas hasta péptidos y proteínas grandes . Los receptores acoplados a proteína G están implicados en muchas enfermedades.

Hay dos vías principales de transducción de señales que involucran a los receptores acoplados a proteína G:

Cuando un ligando se une al GPCR, provoca un cambio conformacional en el GPCR, lo que le permite actuar como factor de intercambio de nucleótidos de guanina (GEF). El GPCR puede entonces activar una proteína G asociada intercambiando el GDP unido a la proteína G por un GTP . La subunidad α de la proteína G, junto con el GTP unido, puede luego disociarse de las subunidades β y γ para afectar aún más a las proteínas de señalización intracelular o apuntar a proteínas funcionales directamente dependiendo del tipo de subunidad α ( G αs , G αi/o , G αq/ 11 , Gα12 /13 ). [6] : 1160 

Los GPCR son un objetivo farmacológico importante y aproximadamente el 34% [7] de todos los medicamentos aprobados por la Administración de Alimentos y Medicamentos (FDA) se dirigen a 108 miembros de esta familia. El volumen de ventas global de estos medicamentos se estima en 2018 en 180 mil millones de dólares estadounidenses . [7] Se estima que los GPCR son objetivos para alrededor del 50% de los medicamentos actualmente en el mercado, principalmente debido a su participación en las vías de señalización relacionadas con muchas enfermedades, es decir, mentales, metabólicas, incluidos los trastornos endocrinológicos, inmunológicas, incluidas las infecciones virales, cardiovasculares, inflamatorias, trastornos de los sentidos y cáncer. La asociación descubierta hace mucho tiempo entre los GPCR y muchas sustancias endógenas y exógenas, que produce, por ejemplo, analgesia, es otro campo de la investigación farmacéutica que se desarrolla dinámicamente. [3]

Historia y significado

Con la determinación de la primera estructura del complejo entre un receptor acoplado a proteína G (GPCR) y un trímero de proteína G (Gαβγ) en 2011, se abrió un nuevo capítulo en la investigación de GPCR para investigaciones estructurales de interruptores globales con más de una proteína. siendo investigado. Los avances anteriores incluyeron la determinación de la estructura cristalina del primer GPCR, la rodopsina, en 2000 y la estructura cristalina del primer GPCR con un ligando difusible (β 2 AR) en 2007. La forma en que se unen las siete hélices transmembrana de un GPCR Se sospechó que estaban dispuestos en un haz basándose en el modelo de baja resolución de rodopsina de rana a partir de estudios de microscopía electrónica criogénica de los cristales bidimensionales. La estructura cristalina de la rodopsina, que apareció tres años después, no fue una sorpresa, aparte de la presencia de una hélice citoplasmática H8 adicional y la ubicación precisa de un bucle que cubre el sitio de unión a la retina. Sin embargo, proporcionó un andamiaje que se esperaba que fuera un modelo universal para el modelado de homología y el diseño de fármacos para otros GPCR, una noción que resultó ser demasiado optimista.

Siete años más tarde, la cristalización del receptor β 2 adrenérgico (β 2 AR) con un ligando difusible arrojó resultados sorprendentes porque reveló una forma bastante diferente del lado extracelular del receptor que la de la rodopsina. Esta área es importante porque es responsable de la unión del ligando y es el objetivo de muchos fármacos. Además, el sitio de unión del ligando era mucho más espacioso que en la estructura de rodopsina y estaba abierto al exterior. En los demás receptores que cristalizaron poco después, el lado de unión era aún más fácilmente accesible para el ligando. Nuevas estructuras, complementadas con investigaciones bioquímicas, descubrieron mecanismos de acción de interruptores moleculares que modulan la estructura del receptor y conducen a estados de activación para los agonistas o a estados de inactivación total o parcial para los agonistas inversos. [3]

El Premio Nobel de Química de 2012 fue otorgado a Brian Kobilka y Robert Lefkowitz por su trabajo que fue "crucial para comprender cómo funcionan los receptores acoplados a la proteína G". [8] Se han otorgado al menos otros siete premios Nobel por algún aspecto de la señalización mediada por la proteína G. En 2012, dos de los diez fármacos más vendidos a nivel mundial ( Advair Diskus y Abilify ) actúan dirigiéndose a los receptores acoplados a proteína G. [9]

Clasificación

Esquema de clasificación de GPCR en 2006. Desde entonces, se han encontrado más genes. Clase A (similar a la rodopsina), Clase B (similar a la secretina), Clase C (similar al receptor de glutamato), Otros (Adhesión (33), Frizzled (11), Sabor tipo 2 (25), sin clasificar (23)) . [10]

Se desconoce el tamaño exacto de la superfamilia GPCR, pero se ha predicho que al menos 831 genes humanos diferentes (o aproximadamente el 4% de todo el genoma codificante de proteínas ) los codifican a partir del análisis de la secuencia del genoma . [10] [11] Aunque se han propuesto numerosos esquemas de clasificación, la superfamilia se dividía clásicamente en tres clases principales (A, B y C) sin homología de secuencia compartida detectable entre las clases.

La clase más grande con diferencia es la clase A, que representa casi el 85% de los genes GPCR. De los GPCR de clase A, se prevé que más de la mitad de ellos codifiquen receptores olfativos , mientras que los receptores restantes están ligados por compuestos endógenos conocidos o se clasifican como receptores huérfanos . A pesar de la falta de homología de secuencia entre clases, todos los GPCR tienen una estructura y un mecanismo de transducción de señales común . El grupo muy grande de rodopsina A se ha subdividido en 19 subgrupos ( A1-A19 ). [12]

Según el sistema clásico de FA, los GPCR se pueden agrupar en seis clases según la homología de secuencia y la similitud funcional: [13] [14] [15] [16]

Más recientemente, se ha propuesto un sistema de clasificación alternativo llamado GRAFS ( Glutamato , Rodopsina , Adhesión , Frizzled / Taste2 , Secretina ) para los GPCR de vertebrados. [10] Corresponden a las clases clásicas C, A, B2, F y B. [17]

Un estudio inicial basado en la secuencia de ADN disponible sugirió que el genoma humano codifica aproximadamente 750 receptores acoplados a proteínas G, [18] alrededor de 350 de los cuales detectan hormonas, factores de crecimiento y otros ligandos endógenos. Aproximadamente 150 de los GPCR encontrados en el genoma humano tienen funciones desconocidas.

Se han utilizado algunos servidores web [19] y métodos de predicción bioinformática [20] [21] para predecir la clasificación de los GPCR según su secuencia de aminoácidos únicamente, mediante el enfoque de composición de pseudo aminoácidos .

Roles fisiológicos

Los GPCR están involucrados en una amplia variedad de procesos fisiológicos. Algunos ejemplos de sus funciones fisiológicas incluyen:

  1. El sentido visual: las opsinas utilizan una reacción de fotoisomerización para traducir la radiación electromagnética en señales celulares. La rodopsina , por ejemplo, utiliza para este fin la conversión de 11-cis -retinal en todo-trans -retinal .
  2. El sentido gustativo (gusto): los GPCR en las células gustativas median la liberación de gustducina en respuesta a sustancias de sabor amargo, umami y dulce.
  3. El sentido del olfato: los receptores del epitelio olfativo se unen a olores (receptores olfativos) y feromonas (receptores vomeronasales).
  4. Regulación del comportamiento y del estado de ánimo: los receptores en el cerebro de los mamíferos se unen a varios neurotransmisores diferentes , incluidos la serotonina , la dopamina , la histamina , el GABA y el glutamato.
  5. Regulación de la actividad del sistema inmunológico y la inflamación : los receptores de quimiocinas se unen a ligandos que median la comunicación intercelular entre las células del sistema inmunológico; receptores como los receptores de histamina se unen a mediadores inflamatorios e involucran tipos de células diana en la respuesta inflamatoria . Los GPCR también participan en la modulación inmunitaria, por ejemplo, regulando la inducción de interleucina [22] o suprimiendo las respuestas inmunitarias inducidas por TLR de las células T. [23]
  6. Transmisión del sistema nervioso autónomo: tanto el sistema nervioso simpático como el parasimpático están regulados por vías GPCR, responsables del control de muchas funciones automáticas del cuerpo, como la presión arterial, la frecuencia cardíaca y los procesos digestivos.
  7. Detección de densidad celular: una nueva función del GPCR en la regulación de la detección de densidad celular.
  8. Modulación de la homeostasis (p. ej., equilibrio hídrico). [24]
  9. Implicado en el crecimiento y metástasis de algunos tipos de tumores . [25]
  10. Se utiliza en el sistema endocrino para hormonas peptídicas y derivadas de aminoácidos que se unen a los GCPR en la membrana celular de una célula diana. Esto activa el AMPc, que a su vez activa varias quinasas, lo que permite una respuesta celular, como la transcripción.

Estructura del receptor

Los GPCR son proteínas integrales de membrana que poseen siete dominios que atraviesan la membrana o hélices transmembrana . [26] [27] Las partes extracelulares del receptor pueden estar glicosiladas . Estos bucles extracelulares también contienen dos residuos de cisteína altamente conservados que forman enlaces disulfuro para estabilizar la estructura del receptor. Algunas proteínas de siete hélices transmembrana ( canalrodopsina ) que se parecen a los GPCR pueden contener canales iónicos dentro de su proteína.

En 2000, se resolvió la primera estructura cristalina de un GPCR de mamífero, la de la rodopsina bovina ( 1F88 ). [28] En 2007, se resolvió la primera estructura de un GPCR humano [29] [1] [30] La estructura de este GPCR del receptor β 2 -adrenérgico humano demostró ser muy similar a la rodopsina bovina. También se han determinado las estructuras de los GPCR activados o unidos a agonistas. [31] [32] [33] [34] Estas estructuras indican cómo la unión del ligando en el lado extracelular de un receptor conduce a cambios conformacionales en el lado citoplasmático del receptor. El mayor cambio es un movimiento hacia afuera de la parte citoplasmática de la quinta y sexta hélice transmembrana (TM5 y TM6). La estructura del receptor adrenérgico beta-2 activado en complejo con G s confirmó que Gα se une a una cavidad creada por este movimiento. [35]

Los GPCR exhiben una estructura similar a algunas otras proteínas con siete dominios transmembrana , como las rodopsinas microbianas y los receptores de adiponectina 1 y 2 ( ADIPOR1 y ADIPOR2 ). Sin embargo, estos receptores y canales 7TMH (7 hélices transmembrana) no se asocian con proteínas G. Además, ADIPOR1 y ADIPOR2 están orientados de manera opuesta a los GPCR en la membrana (es decir, los GPCR generalmente tienen un extremo N extracelular y un extremo C citoplasmático , mientras que los ADIPOR están invertidos). [36]

Relaciones estructura-función

"Esquema bidimensional de un GPCR genérico colocado en una balsa lipídica ". Haga clic en la imagen para obtener una resolución más alta y ver detalles sobre la ubicación de estructuras importantes.

En términos de estructura, los GPCR se caracterizan por un extremo N extracelular , seguido de siete hélices α transmembrana (7-TM) (TM-1 a TM-7) conectadas por tres intracelulares (IL-1 a IL-3) y tres bucles extracelulares (EL-1 a EL-3) y, finalmente, un extremo C intracelular . El GPCR se organiza en una estructura terciaria que se asemeja a un barril, con las siete hélices transmembrana formando una cavidad dentro de la membrana plasmática que sirve a un dominio de unión al ligando que a menudo está cubierto por EL-2. Sin embargo, los ligandos también pueden unirse a otros lugares, como es el caso de los ligandos más voluminosos (p. ej., proteínas o péptidos grandes ), que en cambio interactúan con los bucles extracelulares o, como lo ilustran los receptores metabotrópicos de glutamato de clase C (mGluR), los N- cola terminal. Los GPCR de clase C se distinguen por su gran cola N-terminal, que también contiene un dominio de unión a ligando. Tras la unión del glutamato a un mGluR, la cola N-terminal sufre un cambio conformacional que conduce a su interacción con los residuos de los bucles extracelulares y los dominios TM. El efecto final de los tres tipos de activación inducida por agonistas es un cambio en las orientaciones relativas de las hélices TM (similar a un movimiento de torsión) que conduce a una superficie intracelular más amplia y a una "revelación" de residuos de las hélices intracelulares y dominios TM cruciales. a la función de transducción de señales (es decir, acoplamiento de proteína G). Los agonistas y antagonistas inversos también pueden unirse a varios sitios diferentes, pero el efecto final debe ser la prevención de esta reorientación de la hélice de la TM. [3]

La estructura de las colas N y C terminales de los GPCR también puede cumplir funciones importantes más allá de la unión al ligando. Por ejemplo, el extremo C de los receptores muscarínicos M 3 es suficiente, y el dominio polibásico de seis aminoácidos (KKKRRK) en el extremo C es necesario para su preensamblaje con las proteínas G q . [37] En particular, el extremo C terminal a menudo contiene residuos de serina (Ser) o treonina (Thr) que, cuando se fosforilan , aumentan la afinidad de la superficie intracelular para la unión de proteínas de andamiaje llamadas β- arrestinas (β-arr). [38] Una vez unidas, las β-arrestinas impiden estéricamente el acoplamiento de la proteína G y pueden reclutar otras proteínas, lo que lleva a la creación de complejos de señalización involucrados en la activación de la vía de la quinasa regulada por señales extracelulares ( ERK ) o en la endocitosis del receptor (internalización). Como la fosforilación de estos residuos Ser y Thr a menudo ocurre como resultado de la activación de GPCR, el desacoplamiento de la proteína G mediado por β-arr y la internalización de los GPCR son mecanismos importantes de desensibilización . [39] Además, existen "megacomplejos" internalizados que consisten en un solo GPCR, β-arr (en la conformación de la cola), [40] [41] y proteína G heterotrimérica y pueden explicar la señalización de proteínas de los endosomas. [42] [43]

Un último tema estructural común entre los GPCR es la palmitoilación de uno o más sitios de la cola C-terminal o de los bucles intracelulares. La palmitoilación es la modificación covalente de los residuos de cisteína (Cys) mediante la adición de grupos acilo hidrófobos y tiene el efecto de dirigir el receptor a microdominios de la membrana plasmática ricos en colesterol y esfingolípidos llamados balsas lipídicas . Como muchas de las moléculas transductoras y efectoras de los GPCR (incluidas las implicadas en las vías de retroalimentación negativa ) también están dirigidas a las balsas de lípidos, esto tiene el efecto de facilitar la señalización rápida del receptor.

Los GPCR responden a señales extracelulares mediadas por una enorme diversidad de agonistas, que van desde proteínas hasta aminas biogénicas y protones , pero todos transducen esta señal mediante un mecanismo de acoplamiento de proteína G. Esto es posible gracias a un dominio del factor de intercambio de nucleótidos de guanina ( GEF ) formado principalmente por una combinación de IL-2 e IL-3 junto con residuos adyacentes de las hélices TM asociadas.

Mecanismo

Caricatura que representa el concepto básico de activación conformacional de GPCR. La unión del ligando interrumpe un bloqueo iónico entre el motivo E/DRY de TM-3 y los residuos ácidos de TM-6. Como resultado, el GPCR se reorganiza para permitir la activación de las proteínas G-alfa. La "perspectiva lateral" es una vista desde arriba y hacia un lado del GPCR tal como está colocado en la membrana plasmática (los lípidos de la membrana se han omitido para mayor claridad). La "perspectiva intracelular" incorrectamente etiquetada muestra una vista extracelular mirando hacia la membrana plasmática desde fuera de la célula. [44]

El receptor acoplado a proteína G se activa mediante una señal externa en forma de ligando u otro mediador de señal. Esto crea un cambio conformacional en el receptor, provocando la activación de una proteína G. El efecto adicional depende del tipo de proteína G. Posteriormente, las proteínas G son inactivadas por proteínas activadoras de GTPasa, conocidas como proteínas RGS .

La Unión del ligando

Los GPCR incluyen uno o más receptores para los siguientes ligandos: mediadores de señales sensoriales (p. ej., moléculas estimuladoras luminosas y olfativas ); adenosina , bombesina , bradicinina , endotelina , ácido γ-aminobutírico ( GABA ), factor de crecimiento de hepatocitos ( HGF ), melanocortinas , neuropéptido Y , péptidos opioides , opsinas , somatostatina , GH , taquiquininas , miembros de la familia de péptidos intestinales vasoactivos y vasopresina ;aminas biogénicas (p. ej., dopamina , epinefrina , norepinefrina , histamina , serotonina y melatonina );glutamato ( efecto metabotrópico );glucagón ;acetilcolina ( efecto muscarínico );quimiocinas ; mediadores lipídicos de la inflamación (p. ej., prostaglandinas , prostanoides , factor activador de plaquetas y leucotrienos ); hormonas peptídicas (p. ej., calcitonina , anafilatoxina C5a , hormona estimulante del folículo [FSH], hormona liberadora de gonadotropina [GnRH], neuroquinina , hormona liberadora de tirotropina [TRH] y oxitocina ); y endocannabinoides .

Los GPCR que actúan como receptores de estímulos que aún no han sido identificados se conocen como receptores huérfanos .

Sin embargo, a diferencia de otros tipos de receptores que se han estudiado, en los que los ligandos se unen externamente a la membrana, los ligandos de los GPCR normalmente se unen dentro del dominio transmembrana. Sin embargo, los receptores activados por proteasas se activan mediante la escisión de parte de su dominio extracelular. [45]

Cambio conformacional

Estructura cristalina del receptor adrenérgico beta-2 activado en complejo con G s ( entrada PDB 3SN6). El receptor es de color rojo, Gα verde, Gβ cian y Gγ amarillo. El extremo C de Gα está ubicado en una cavidad creada por un movimiento hacia afuera de las partes citoplasmáticas de TM5 y 6.

La transducción de la señal a través de la membrana por parte del receptor no se comprende completamente. Se sabe que en estado inactivo, el GPCR está unido a un complejo de proteína G heterotrimérico . La unión de un agonista al GPCR da como resultado un cambio conformacional en el receptor que se transmite a la subunidad G α unida de la proteína G heterotrimérica mediante la dinámica del dominio proteico . La subunidad G α activada intercambia GTP en lugar de GDP , lo que a su vez desencadena la disociación de la subunidad G α del dímero G βγ y del receptor. Las subunidades G α y G βγ disociadas interactúan con otras proteínas intracelulares para continuar la cascada de transducción de señales, mientras que el GPCR liberado puede volver a unirse a otra proteína G heterotrimérica para formar un nuevo complejo que está listo para iniciar otra ronda de transducción de señales. [46]

Se cree que una molécula receptora existe en un equilibrio conformacional entre estados biofísicos activos e inactivos. [47] La ​​unión de ligandos al receptor puede cambiar el equilibrio hacia los estados activos del receptor. Existen tres tipos de ligandos: los agonistas son ligandos que cambian el equilibrio a favor de los estados activos; los agonistas inversos son ligandos que cambian el equilibrio a favor de estados inactivos; y los antagonistas neutros son ligandos que no afectan el equilibrio. Aún no se sabe exactamente en qué se diferencian entre sí los estados activo e inactivo.

Ciclo de activación/desactivación de la proteína G

Caricatura que representa el ciclo de activación/desactivación de la proteína G heterotrimérica en el contexto de la señalización de GPCR

Cuando el receptor está inactivo, el dominio GEF puede estar unido a una subunidad α también inactiva de una proteína G heterotrimérica . Estas "proteínas G" son un trímero de subunidades α, β y γ (conocidas como Gα, Gβ y Gγ, respectivamente) que se vuelven inactivos cuando se unen de manera reversible al difosfato de guanosina (GDP) (o, alternativamente, a ningún nucleótido de guanina). ) pero activo cuando se une al trifosfato de guanosina (GTP). Tras la activación del receptor, el dominio GEF, a su vez, activa alostéricamente la proteína G facilitando el intercambio de una molécula de GDP por GTP en la subunidad α de la proteína G. La célula mantiene una proporción de 10:1 de GTP citosólico:PIB, por lo que se garantiza el intercambio de GTP. En este punto, las subunidades de la proteína G se disocian del receptor, así como entre sí, para producir un monómero Gα-GTP y un dímero Gβγ que interactúa estrechamente , que ahora están libres para modular la actividad de otras proteínas intracelulares. Sin embargo, el grado en que pueden difundirse está limitado debido a la palmitoilación de Gα y la presencia de un resto isoprenoide que se ha agregado covalentemente a los extremos C de Gγ.

Debido a que Gα también tiene una capacidad de hidrólisis lenta de GTP→GDP , la forma inactiva de la subunidad α (Gα-GDP) eventualmente se regenera, permitiendo así la reasociación con un dímero Gβγ para formar la proteína G "en reposo", que puede unirse nuevamente a un GPCR y esperar la activación. La tasa de hidrólisis de GTP a menudo se acelera debido a las acciones de otra familia de proteínas moduladoras alostéricas llamadas reguladores de la señalización de la proteína G , o proteínas RGS, que son un tipo de proteína activadora de GTPasa , o GAP. De hecho, muchas de las proteínas efectoras primarias (p. ej., adenilato ciclasas ) que se activan/inactivan tras la interacción con Gα-GTP también tienen actividad GAP. Por lo tanto, incluso en esta etapa temprana del proceso, la señalización iniciada por GPCR tiene la capacidad de autoterminarse.

Diafonía

Interacciones posteriores propuestas entre la señalización de integrinas y los GPCR. Se muestra que las integrinas elevan el Ca 2+ y fosforilan la FAK, lo que debilita la señalización del GPCR.

Se ha demostrado que las señales posteriores de los GPCR posiblemente interactúen con señales de integrinas , como FAK . [48] ​​La señalización de integrinas fosforilará FAK, lo que luego puede disminuir la actividad de GPCR G α .

Señalización

Mecanismo del receptor acoplado a proteína G

Si un receptor en estado activo encuentra una proteína G , puede activarla. Alguna evidencia sugiere que los receptores y las proteínas G en realidad están preacoplados. [37] Por ejemplo, la unión de proteínas G a receptores afecta la afinidad del receptor por los ligandos. Las proteínas G activadas están unidas al GTP .

Una mayor transducción de señales depende del tipo de proteína G. La enzima adenilato ciclasa es un ejemplo de proteína celular que puede ser regulada por una proteína G, en este caso la proteína G Gs . La actividad de la adenilato ciclasa se activa cuando se une a una subunidad de la proteína G activada. La activación de la adenilato ciclasa finaliza cuando la proteína G vuelve al estado unida a GDP .

Las adenilato ciclasas (de las cuales en humanos se conocen nueve formas unidas a membrana y una citosólica) también pueden activarse o inhibirse de otras maneras (p. ej., unión de Ca2+/ calmodulina ), lo que puede modificar la actividad de estas enzimas de forma aditiva o sinérgica. junto con las proteínas G.

Las vías de señalización activadas a través de un GPCR están limitadas por la secuencia primaria y la estructura terciaria del propio GPCR, pero en última instancia están determinadas por la conformación particular estabilizada por un ligando particular , así como por la disponibilidad de moléculas transductoras . Actualmente, se considera que los GPCR utilizan dos tipos principales de transductores: proteínas G y arrestinas β . Debido a que los β-arr tienen alta afinidad sólo por la forma fosforilada de la mayoría de los GPCR (ver arriba o abajo), la mayor parte de la señalización depende en última instancia de la activación de la proteína G. Sin embargo, la posibilidad de interacción permite que se produzca una señalización independiente de la proteína G.

Señalización dependiente de la proteína G

Hay tres vías principales de señalización mediadas por proteína G, mediadas por cuatro subclases de proteínas G que se distinguen entre sí por homología de secuencia ( G αs , G αi/o , G αq/11 y G α12/13 ). Cada subclase de proteína G consta de múltiples proteínas, cada una de las cuales es producto de múltiples genes o variaciones de empalme que pueden imbuirlas de diferencias que van desde sutiles hasta distintas con respecto a las propiedades de señalización, pero en general parecen razonablemente agrupadas en cuatro clases. Debido a que las propiedades de transducción de señales de las diversas combinaciones βγ posibles no parecen diferir radicalmente entre sí, estas clases se definen según la isoforma de su subunidad α. [6] : 1163 

Si bien la mayoría de los GPCR son capaces de activar más de un subtipo Gα, también muestran preferencia por un subtipo sobre otro. Cuando el subtipo activado depende del ligando que está unido al GPCR, esto se denomina selectividad funcional (también conocido como tráfico dirigido por agonistas o agonismo específico de conformación). Sin embargo, la unión de cualquier agonista particular también puede iniciar la activación de múltiples proteínas G diferentes, ya que puede ser capaz de estabilizar más de una conformación del dominio GEF del GPCR , incluso en el transcurso de una única interacción. Además, una conformación que activa preferentemente una isoforma de Gα puede activar otra si la preferida está menos disponible. Además, las vías de retroalimentación pueden dar lugar a modificaciones del receptor (p. ej., fosforilación) que alteran la preferencia por la proteína G. Independientemente de estos diversos matices, la pareja de acoplamiento preferida del GPCR generalmente se define según la proteína G activada más obviamente por el ligando endógeno en la mayoría de las condiciones fisiológicas o experimentales .

señalización ga

  1. El efector de las vías G αs y G αi/o es la enzima adenilato ciclasa , o AC, que genera monofosfato de adenosina cíclico (AMPc) . Si bien hay diez productos genéticos AC diferentes en los mamíferos, cada uno con diferencias sutiles en la distribución o función del tejido , todos catalizan la conversión de trifosfato de adenosina (ATP) citosólico en AMPc y todos son estimulados directamente por proteínas G de la clase G αs . Sin embargo, por el contrario, la interacción con las subunidades Gα del tipo G αi/o inhibe que AC genere AMPc. Así, un GPCR acoplado a G αs contrarresta las acciones de un GPCR acoplado a G αi/o , y viceversa. El nivel de AMPc citosólico puede entonces determinar la actividad de varios canales iónicos , así como de los miembros de la familia de la proteína quinasa A (PKA) específica de ser/thr . Por tanto, el AMPc se considera un segundo mensajero y la PKA un efector secundario .
  2. El efector de la vía G αq/11 es la fosfolipasa C-β (PLCβ), que cataliza la escisión del fosfatidilinositol 4,5-bifosfato (PIP2) unido a la membrana en los segundos mensajeros inositol (1,4,5) trifosfato (IP3). ) y diacilglicerol (DAG). IP3 actúa sobre los receptores IP3 que se encuentran en la membrana del retículo endoplásmico (RE) para provocar la liberación de Ca 2+ desde el RE, mientras que el DAG se difunde a lo largo de la membrana plasmática donde puede activar cualquier forma localizada en la membrana de una segunda ser/thr quinasa llamada proteína. quinasa C (PKC). Dado que muchas isoformas de PKC también se activan mediante aumentos de Ca 2+ intracelular , ambas vías también pueden converger entre sí para emitir señales a través del mismo efector secundario. El Ca 2+ intracelular elevado también se une y activa alostéricamente proteínas llamadas calmodulinas , que a su vez tosolizan la pequeña GTPasa , Rho . Una vez unida a GTP, Rho puede activar varias proteínas responsables de la regulación del citoesqueleto , como la Rho-quinasa (ROCK). La mayoría de los GPCR que se acoplan a G α12/13 también se acoplan a otras subclases, a menudo G αq/11 .

señalización Gβγ

Las descripciones anteriores ignoran los efectos de la señalización Gβγ , que también puede ser importante, en particular en el caso de GPCR activados acoplados a G αi/o . Los efectores primarios de Gβγ son varios canales iónicos, como los canales de K+ rectificadores internos regulados por proteína G ( GIRK), canales de Ca 2+ dependientes de voltaje de tipo P / Q y N , así como algunas isoformas de AC y PLC, junto con algunas isoformas de fosfoinositida-3-quinasa (PI3K).

Señalización independiente de la proteína G

Aunque clásicamente se piensa que trabajan sólo juntos, los GPCR pueden enviar señales a través de mecanismos independientes de la proteína G, y las proteínas G heterotriméricas pueden desempeñar funciones funcionales independientes de los GPCR. Los GPCR pueden enviar señales de forma independiente a través de muchas proteínas ya mencionadas por sus funciones en la señalización dependiente de la proteína G, como β-arrs , GRK y Srcs . Se ha demostrado que dicha señalización es fisiológicamente relevante; por ejemplo, la señalización de β-arrestina mediada por el receptor de quimiocina CXCR3 era necesaria para la quimiotaxis con total eficacia de las células T activadas. [49] Además, otras proteínas de andamiaje implicadas en la localización subcelular de GPCR (p. ej., proteínas que contienen dominio PDZ ) también pueden actuar como transductores de señales. Muy a menudo, el efector es un miembro de la familia MAPK .

Ejemplos

A finales de la década de 1990, comenzó a acumularse evidencia que sugería que algunos GPCR son capaces de emitir señales sin proteínas G. Se ha demostrado que la proteína quinasa activada por mitógenos ERK2 , un mediador clave de transducción de señales aguas abajo de la activación del receptor en muchas vías, se activa en respuesta a la activación del receptor mediada por AMPc en el moho mucilaginoso D. discoideum a pesar de la ausencia de la proteína G asociada. Subunidades α y β. [50]

En células de mamíferos, se ha demostrado que el muy estudiado adrenoceptor β 2 activa la vía ERK2 después del desacoplamiento mediado por arrestina de la señalización mediada por proteína G. Por lo tanto, parece probable que algunos mecanismos que antes se creía relacionados exclusivamente con la desensibilización del receptor sean en realidad ejemplos de receptores que cambian su vía de señalización, en lugar de simplemente desactivarse.

En las células renales, se ha demostrado que el receptor de bradicinina B2 interactúa directamente con una proteína tirosina fosfatasa. La presencia de una secuencia ITIM (motivo inhibidor basado en tirosina inmunorreceptor) fosforilada en tirosina en el receptor B2 es necesaria para mediar esta interacción y, posteriormente, el efecto antiproliferativo de la bradicinina. [51]

Señalización independiente de GPCR mediante proteínas G heterotriméricas

Aunque es un área de investigación relativamente inmadura, parece que las proteínas G heterotriméricas también pueden participar en la señalización no GPCR. Existe evidencia de su papel como transductores de señales en casi todos los demás tipos de señalización mediada por receptores, incluidas las integrinas , los receptores tirosina quinasas (RTK), los receptores de citoquinas ( JAK/STAT ), así como la modulación de varias otras proteínas "accesorias", como GEF , inhibidores de la disociación de guanina-nucleótidos (GDI) y proteínas fosfatasas . Incluso puede haber proteínas específicas de estas clases cuya función principal sea parte de vías independientes de GPCR, denominadas activadores de la señalización de la proteína G (AGS). Tanto la ubicuidad de estas interacciones como la importancia de las subunidades Gα frente a Gβγ para estos procesos aún no están claras.

Detalles de las vías de cAMP y PIP2.

Efectos de activación del AMPc sobre la proteína quinasa A.
El efecto de Rs y Gs en la vía de señal de AMPc.
El efecto de Ri y Gi en la vía de señal de AMPc.

Hay dos vías principales de transducción de señales que involucran a los receptores unidos a la proteína G : la vía de señales del AMPc y la vía de señales del fosfatidilinositol . [5]

vía de señal de AMPc

La transducción de señales de AMPc contiene cinco caracteres principales: receptor de hormona estimulante (Rs) o receptor de hormona inhibidora (Ri); proteína G reguladora estimulante (Gs) o proteína G reguladora inhibidora (Gi); adenilil ciclasa ; proteína quinasa A (PKA); y AMPc fosfodiesterasa .

El receptor de hormona estimulante (Rs) es un receptor que puede unirse con moléculas de señal estimulantes, mientras que el receptor de hormona inhibidora (Ri) es un receptor que puede unirse con moléculas de señal inhibidoras.

La proteína G reguladora estimulante es una proteína G unida al receptor de la hormona estimulante (Rs), y su subunidad α, tras su activación, podría estimular la actividad de una enzima u otro metabolismo intracelular. Por el contrario, la proteína G reguladora inhibidora está vinculada a un receptor hormonal inhibidor y su subunidad α, tras su activación, podría inhibir la actividad de una enzima u otro metabolismo intracelular.

La adenilil ciclasa es una glicoproteína transmembrana 12 que cataliza la conversión de ATP en AMPc con la ayuda del cofactor Mg 2+ o Mn 2+ . El AMPc producido es un segundo mensajero en el metabolismo celular y es un activador alostérico de la proteína quinasa A.

La proteína quinasa A es una enzima importante en el metabolismo celular debido a su capacidad para regular el metabolismo celular mediante la fosforilación de enzimas específicas comprometidas en la vía metabólica. También puede regular la expresión genética específica, la secreción celular y la permeabilidad de la membrana. La enzima proteica contiene dos subunidades catalíticas y dos subunidades reguladoras. Cuando no hay AMPc, el complejo está inactivo. Cuando el AMPc se une a las subunidades reguladoras, su conformación se altera, provocando la disociación de las subunidades reguladoras, lo que activa la proteína quinasa A y permite efectos biológicos adicionales.

Estas señales luego pueden ser terminadas por la fosfodiesterasa de AMPc, que es una enzima que degrada el AMPc a 5'-AMP e inactiva la proteína quinasa A.

Vía de señal de fosfatidilinositol

En la vía de señal del fosfatidilinositol , la molécula de señal extracelular se une al receptor de proteína G (G q ) en la superficie celular y activa la fosfolipasa C , que se encuentra en la membrana plasmática . La lipasa hidroliza el fosfatidilinositol 4,5-bifosfato (PIP2) en dos segundos mensajeros: inositol 1,4,5-trifosfato (IP3) y diacilglicerol (DAG). IP3 se une al receptor IP3 en la membrana del retículo endoplásmico liso y las mitocondrias para abrir canales de Ca 2+ . DAG ayuda a activar la proteína quinasa C (PKC), que fosforila muchas otras proteínas, cambiando sus actividades catalíticas y provocando respuestas celulares.

Los efectos del Ca 2+ también son notables: coopera con DAG en la activación de la PKC y puede activar la vía de la CaM quinasa , en la que la proteína calmodulina (CaM) modulada por calcio se une al Ca 2+ , sufre un cambio de conformación y activa la CaM quinasa. II, que tiene una capacidad única para aumentar su afinidad de unión a CaM mediante autofosforilación, lo que hace que CaM no esté disponible para la activación de otras enzimas. Luego, la quinasa fosforila las enzimas diana, regulando sus actividades. Las dos vías de señalización están conectadas entre sí por Ca 2+ -CaM, que también es una subunidad reguladora de la adenilil ciclasa y la fosfodiesterasa en la vía de señalización del AMPc.

Regulación de receptores

Los GPCR se vuelven insensibles cuando se exponen a su ligando durante un largo período de tiempo. Hay dos formas reconocidas de desensibilización: 1) desensibilización homóloga , en la que el GPCR activado está regulado negativamente; y 2) desensibilización heteróloga , en la que el GPCR activado provoca la regulación negativa de un GPCR diferente. La reacción clave de esta regulación negativa es la fosforilación del dominio del receptor intracelular (o citoplasmático ) por las proteínas quinasas .

Fosforilación por proteínas quinasas dependientes de AMPc.

Las proteínas quinasas dependientes de AMP cíclico ( proteína quinasa A ) se activan mediante la cadena de señal procedente de la proteína G (que fue activada por el receptor) a través de la adenilato ciclasa y el AMP cíclico (AMPc). En un mecanismo de retroalimentación , estas quinasas activadas fosforilan el receptor. Cuanto más tiempo permanece activo el receptor, más quinasas se activan y más receptores se fosforilan. En los adrenoceptores β 2 , esta fosforilación da como resultado el cambio del acoplamiento de la clase G s de proteína G a la clase G i . [52] La fosforilación mediada por PKA dependiente de AMPc puede causar desensibilización heteróloga en receptores distintos de los activados. [53]

Fosforilación por GRK

Las quinasas receptoras acopladas a proteína G (GRK) son proteínas quinasas que fosforilan sólo los GPCR activos. [54] Las quinasas del receptor acoplado a proteína G (GRK) son moduladores clave de la señalización del receptor acoplado a proteína G (GPCR). Constituyen una familia de siete proteínas quinasas de serina-treonina de mamíferos que fosforilan el receptor unido al agonista. La fosforilación del receptor mediada por GRK inicia rápidamente un deterioro profundo de la señalización y la desensibilización del receptor. La actividad de las GRK y la orientación subcelular está estrechamente regulada por la interacción con dominios receptores, subunidades de proteína G, lípidos, proteínas de anclaje y proteínas sensibles al calcio. [55]

La fosforilación del receptor puede tener dos consecuencias:

  1. Translocación : el receptor, junto con la parte de la membrana en la que está incrustado, se lleva al interior de la célula, donde se desfosforila dentro del entorno vesicular ácido [56] y luego se devuelve. Este mecanismo se utiliza para regular la exposición a largo plazo, por ejemplo, a una hormona, permitiendo que la resensibilización siga a la desensibilización. Alternativamente, el receptor puede sufrir degradación lisozomal o permanecer internalizado, donde se cree que participa en el inicio de eventos de señalización, cuya naturaleza depende de la localización subcelular de la vesícula internalizada. [53]
  2. Unión de arrestina : el receptor fosforilado se puede vincular a moléculas de arrestina que le impiden unirse (y activar) las proteínas G, de hecho, apagándolo durante un corto período de tiempo. Este mecanismo se utiliza, por ejemplo, con la rodopsina en las células de la retina para compensar la exposición a la luz brillante. En muchos casos, la unión de la arrestina al receptor es un requisito previo para la translocación. Por ejemplo, la beta-arrestina unida a los adrenorreceptores β 2 actúa como un adaptador para la unión con la clatrina y con la subunidad beta de AP2 (moléculas adaptadoras de clatrina); por lo tanto, la arrestina aquí actúa como un andamio que ensambla los componentes necesarios para la endocitosis de los adrenorreceptores β 2 mediada por clatrina . [57] [58]

Mecanismos de terminación de la señal GPCR.

Como se mencionó anteriormente, las proteínas G pueden terminar su propia activación debido a su capacidad intrínseca de hidrólisis de GTP→GDP . Sin embargo, esta reacción avanza a un ritmo lento (≈0,02 veces/seg) y, por lo tanto, tomaría alrededor de 50 segundos para que cualquier proteína G se desactivara si no entraran en juego otros factores. De hecho, hay alrededor de 30 isoformas de proteínas RGS que, cuando se unen a Gα a través de su dominio GAP , aceleran la velocidad de hidrólisis a ≈30 veces/seg. Este aumento de 1500 veces en la velocidad permite que la célula responda a señales externas con alta velocidad, así como resolución espacial debido a la cantidad limitada de segundo mensajero que se puede generar y la distancia limitada a la que una proteína G puede difundir en 0,03 segundos. En su mayor parte, las proteínas RGS son promiscuas en su capacidad para desactivar las proteínas G, mientras que qué RGS está involucrada en una vía de señalización determinada parece más determinada por el tejido y el GPCR involucrados que cualquier otra cosa. Además, las proteínas RGS tienen la función adicional de aumentar la tasa de intercambio GTP-GDP en los GPCR (es decir, como una especie de co-GEF), lo que contribuye aún más a la resolución temporal de la señalización de los GPCR.

Además, el propio GPCR puede estar insensibilizado . Esto puede ocurrir como:

  1. un resultado directo de la ocupación del ligando , en el que el cambio en la conformación permite el reclutamiento de quinasas reguladoras de GPCR (GRK), que luego fosforilan varios residuos de serina / treonina de IL-3 y la cola C-terminal . Tras la fosforilación de GRK, la afinidad del GPCR por la β-arrestina (β-arrestina-1/2 en la mayoría de los tejidos) aumenta, momento en el que la β-arrestina puede unirse y actuar tanto para impedir estéricamente el acoplamiento de la proteína G como para iniciar el proceso. de internalización del receptor a través de endocitosis mediada por clatrina . Debido a que este mecanismo sólo desensibiliza el receptor ligando, se denomina desensibilización homóloga.
  2. la afinidad por la β-arrestina puede aumentar mediante ocupación de ligando y de manera independiente de GRK mediante la fosforilación de diferentes sitios ser/thr (pero también de IL-3 y la cola C-terminal) por PKC y PKA. Estas fosforilaciones suelen ser suficientes por sí solas para alterar también el acoplamiento de la proteína G. [59]
  3. En cambio, PKC/PKA puede fosforilar GRK, lo que también puede conducir a la fosforilación de GPCR y a la unión de β-arrestina de una manera independiente de la ocupación. Estos dos últimos mecanismos permiten la desensibilización de un GPCR debido a las actividades de otros, o desensibilización heteróloga . Las GRK también pueden tener dominios GAP y, por lo tanto, también pueden contribuir a la inactivación a través de mecanismos no quinasas . También puede ocurrir una combinación de estos mecanismos.

Una vez que la β-arrestina se une a un GPCR, sufre un cambio conformacional que le permite servir como proteína de andamiaje para un complejo adaptador denominado AP-2 , que a su vez recluta otra proteína llamada clatrina . Si suficientes receptores en el área local reclutan clatrina de esta manera, se agregan y la membrana brota hacia adentro como resultado de interacciones entre las moléculas de clatrina, en un proceso llamado opsonización . Una vez que la fosa ha sido arrancada de la membrana plasmática debido a las acciones de otras dos proteínas llamadas anfifisina y dinamina , ahora es una vesícula endocítica . En este punto, las moléculas adaptadoras y la clatrina se han disociado y el receptor regresa a la membrana plasmática o se dirige a los lisosomas para su degradación .

En cualquier punto de este proceso, las β-arrestinas también pueden reclutar otras proteínas, como la tirosina quinasa no receptora (nRTK), c-SRC , que puede activar ERK1/2 u otra proteína quinasa activada por mitógenos (MAPK). señalización a través de, por ejemplo, la fosforilación de la pequeña GTPasa , Ras , o reclutar directamente las proteínas de la cascada ERK (es decir, Raf-1 , MEK , ERK-1/2) en cuyo punto se inicia la señalización debido a su proximidad a unos y otros. Otro objetivo de c-SRC son las moléculas de dinamina implicadas en la endocitosis. Las dinaminas se polimerizan alrededor del cuello de una vesícula entrante y su fosforilación por c-SRC proporciona la energía necesaria para el cambio conformacional que permite el "pellizco" final de la membrana.

Regulación celular GPCR

La desensibilización del receptor está mediada por una combinación de fosforilación, unión de β-arr y endocitosis como se describió anteriormente. La regulación negativa se produce cuando el receptor endocitosado se incrusta en un endosoma que se transporta para fusionarse con un orgánulo llamado lisosoma. Debido a que las membranas lisosomales son ricas en bombas de protones, sus interiores tienen un pH bajo (≈4,8 frente al pH≈7,2 del citosol), lo que actúa para desnaturalizar los GPCR. Además, los lisosomas contienen muchas enzimas degradativas , incluidas proteasas, que pueden funcionar sólo a un pH tan bajo, por lo que los enlaces peptídicos que unen los residuos del GPCR pueden escindirse. El hecho de que un receptor determinado sea transportado o no a un lisosoma, detenido en endosomas o devuelto a la membrana plasmática depende de una variedad de factores, incluido el tipo de receptor y la magnitud de la señal. La regulación de GPCR está mediada además por factores de transcripción genética. Estos factores pueden aumentar o disminuir la transcripción genética y, por lo tanto, aumentar o disminuir la generación de nuevos receptores (regulación positiva o negativa) que viajan a la membrana celular.

Oligomerización del receptor

La oligomerización del receptor acoplado a proteína G es un fenómeno generalizado. Uno de los ejemplos mejor estudiados es el receptor metabotrópico GABA B. Este llamado receptor constitutivo se forma mediante heterodimerización de las subunidades GABA B R1 y GABA B R2 . La expresión de GABA BR R1 sin GABA BR R2 en sistemas heterólogos conduce a la retención de la subunidad en el retículo endoplásmico . Mientras tanto, la expresión de la subunidad GABA B R2 sola conduce a la expresión superficial de la subunidad, aunque sin actividad funcional (es decir, el receptor no se une al agonista y no puede iniciar una respuesta después de la exposición al agonista). La expresión de las dos subunidades juntas conduce a la expresión del receptor funcional en la membrana plasmática. Se ha demostrado que la unión de GABA B R2 a GABA B R1 provoca el enmascaramiento de una señal de retención [60] de los receptores funcionales. [61]

Origen y diversificación de la superfamilia.

La transducción de señales mediada por la superfamilia de GPCR se remonta al origen de la multicelularidad . Los GPCR similares a los de los mamíferos se encuentran en los hongos y se han clasificado según el sistema de clasificación GRAFS basado en las huellas dactilares de los GPCR. [17] La ​​identificación de los miembros de la superfamilia en el dominio eucariota y la comparación de los motivos específicos de la familia han demostrado que la superfamilia de GPCR tiene un origen común. [62] Los motivos característicos indican que tres de las cinco familias GRAFS, Rodopsina , Adhesión y Frizzled , evolucionaron a partir de los receptores de AMPc de Dictyostelium discoideum antes de la división de los opistocontes . Posteriormente, la familia Secretina evolucionó a partir de la familia de receptores de adhesión GPCR antes de la división de los nematodos . [17] Los GPCR de insectos parecen estar en su propio grupo y se identifica que Taste2 desciende de la rodopsina . [62] Tenga en cuenta que la división Secretina / Adhesión se basa en una función supuesta más que en una firma, ya que la Clase B clásica (7tm_2, Pfam PF00002) se utiliza para identificar ambas en los estudios.

Ver también

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enlaces externos

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