Receptor acoplado a proteína G

La estructura de siete transmembranas α-helix de bovine rhodopsin

Receptores acoplados a proteína G (GPCR), también conocidos como receptores de dominio transmembrana de siete (pasos), 7TM receptores, receptores heptahelicoidales, receptores de serpentina y receptores ligados a proteínas G (GPLR), forman un gran grupo de proteínas relacionadas evolutivamente que son receptores de superficie celular que detectan moléculas fuera de la célula y activan respuestas celulares. Cuando se unen a las proteínas G, atraviesan la membrana celular siete veces, por lo que a veces se los denomina receptores de siete transmembrana. Los ligandos pueden unirse al extremo N extracelular y los bucles (p. ej., receptores de glutamato) o al sitio de unión dentro de las hélices transmembrana (familia similar a la rodopsina). Todos son activados por agonistas, aunque también se ha observado una autoactivación espontánea de un receptor vacío.

Los receptores acoplados a proteína G se encuentran solo en eucariotas, incluidas levaduras, coanoflagelados y animales. 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 involucrados en muchas enfermedades.

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

• la vía de señal cAMP y
• la vía de señal fosfatidylinositol.

Cuando un ligando se une al GPCR, provoca un cambio conformacional en el GPCR, lo que le permite actuar como un 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 disociarse de las subunidades β y γ para afectar aún más las proteínas de señalización intracelular o apuntar directamente a las proteínas funcionales dependiendo del tipo de subunidad α (Gαs, Gαi/o, Gαq /11, Gα12/13).

Los GPCR son un objetivo farmacológico importante y aproximadamente el 34 % de todos los fármacos 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 180 000 millones de dólares estadounidenses a partir de 2018. Se estima que los GPCR son el objetivo de aproximadamente el 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, metabólicos, incluidos los trastornos endocrinos, inmunológicos, incluidas las infecciones víricas, cardiovasculares, inflamatorios, trastornos de los sentidos y cáncer. La asociación descubierta hace mucho tiempo entre los GPCR y muchas sustancias endógenas y exógenas, dando como resultado, p. analgesia, es otro campo de desarrollo dinámico de la investigación farmacéutica.

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 de investigación de GPCR para investigaciones estructurales de interruptores globales con más de una proteína que se está investigando. Los avances anteriores involucraron la determinación de la estructura cristalina del primer GPCR, la rodopsina, en 2000 y la estructura cristalina del primer GPCR con un ligando difusible (β₂AR) en 2007. Cómo las siete hélices transmembrana de un GPCR están dispuestos en un paquete se sospechó en base al modelo de baja resolución de la rodopsina de rana de los estudios de criomicroscopía electrónica 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 adicional H8 y una ubicación precisa de un bucle que cubre el sitio de unión a la retina. Sin embargo, proporcionó un andamiaje que se esperaba que fuera una plantilla universal para el modelado de homología y el diseño de fármacos para otros GPCR, una noción que resultó ser demasiado optimista.

Siete años después, la cristalización del receptor β₂-adrenérgico (β₂AR) con un ligando difusible arrojó resultados sorprendentes porque reveló una forma bastante diferente del lado extracelular del receptor que el de la rodopsina. Esta área es importante porque es responsable de la unión del ligando y es el objetivo de muchos medicamentos. Además, el sitio de unión del ligando era mucho más espacioso que en la estructura de la rodopsina y estaba abierto al exterior. En los otros receptores cristalizados 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 que conduce a estados de activación para agonistas oa estados de inactivación total o parcial para agonistas inversos.

El Premio Nobel de Química de 2012 se otorgó a Brian Kobilka y Robert Lefkowitz por su trabajo, que fue "crucial para comprender cómo funcionan los receptores acoplados a proteínas G". Se han otorgado al menos otros siete premios Nobel por algún aspecto de la señalización mediada por proteína G. A partir de 2012, dos de los diez medicamentos más vendidos a nivel mundial (Advair Diskus y Abilify) actúan al dirigirse a los receptores acoplados a la proteína G.

Clasificación

Plan de clasificación de los GPCR en 2006. Desde este momento, se han encontrado más genes. Clase A (de tipo rodopsino), Clase B (secretina-como), Clase C (como receptor de glucotamate), Otros (Adhesión (33), Frizzled (11), Tipo de sabor-2 (25), no clasificado (23)).

Se desconoce el tamaño exacto de la superfamilia GPCR, pero se ha predicho que al menos 831 genes humanos diferentes (o ~ 4 % de todo el genoma codificador de proteínas) los codificarán a partir del análisis de la secuencia del genoma. 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 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 codifican 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 las clases, todos los GPCR tienen una estructura y un mecanismo comunes de transducción de señales. El grupo muy grande de rodopsina A se ha subdividido en 19 subgrupos (A1-A19).

Según el sistema A-F clásico, los GPCR se pueden agrupar en 6 clases según la homología de secuencia y la similitud funcional:

• Clase A (o 1)
• Clase B (o 2)
• Clase C (o 3)
• Clase D (o 4) (Receptores de feromonas de apareamiento pulmonar)
• Clase E (o 5) (receptores de AMP cíclico)
• Clase F (o 6) (Frizzled/Smoothened)

Más recientemente, se ha propuesto un sistema de clasificación alternativo llamado GRAFS (Glutamate, Rhodopsin, Adhesion, Frizzled/Taste2, Secretin) para los GPCR de vertebrados. Corresponden a las clases clásicas C, A, B2, F y B.

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

Algunos servidores web y métodos de predicción bioinformática se han utilizado para predecir la clasificación de los GPCR según su secuencia de aminoácidos únicamente, mediante el enfoque de composición de pseudoaminoácidos.

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 operaciones usan una reacción de fotoisomerización para traducir la radiación electromagnética en señales celulares. Rhodopsin, por ejemplo, utiliza la conversión de 11-cis-retinal a todo-trans-retinal para este propósito.
2. El sentido gustativo (gusto): Los GPCR en células de gusto median la liberación de la gustducina en respuesta a sustancias amargas, umami y dulces.
3. El sentido del olfato: Receptores de los odorantes epitelios olfativos (receptores olfativos) y feromonas (receptores vomeronasales)
4. Regulación conductual y de humor: Los receptores del cerebro de los mamíferos unen a varios neurotransmisores diferentes, incluyendo serotonina, dopamina, histamina, GABA y glutamato
5. Regulación de la actividad del sistema inmunitario y la inflamación: los receptores de quimioquinas unen ligandos que median la comunicación intercelular entre las células del sistema inmunitario; receptores como los receptores de histamina unen mediadores inflamatorios y comprometen tipos de células objetivo en la respuesta inflamatoria. Los GPCR también están involucrados en la modulación inmunitaria, por ejemplo, regular la inducción interleucina o suprimir las respuestas inmunitarias inducidas por TLR de las células T.
6. Transmisión del sistema nervioso autonómico: Tanto los sistemas nerviosos simpáticos como parasimpáticos están regulados por las vías GPCR, responsables del control de muchas funciones automáticas del cuerpo como la presión arterial, la frecuencia cardíaca y los procesos digestivos
7. Sensación de densidad celular: Un nuevo rol de GPCR en la regulación de la detección de densidad celular.
8. Modulación de homeostasis (por ejemplo, balance de agua).
9. Involucró en crecimiento y metástasis de algunos tipos de tumores.
10. Se utiliza en el sistema endocrino para las hormonas derivadas de péptidos y aminoácidos que se unen a GCPRs en la membrana celular de una célula objetivo. Esto activa cAMP, que a su vez activa varias cinasas, permitiendo una respuesta celular, como la transcripción.

Estructura del receptor

Los GPCR son proteínas integrales de membrana que poseen siete dominios transmembrana o hélices transmembrana. Las partes extracelulares del receptor pueden glicosilarse. 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 asemejan 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). En 2007, se resolvió la primera estructura de un GPCR humano. Esta estructura del GPCR del receptor β2-adrenérgico humano demostró ser muy similar a la rodopsina bovina. También se han determinado las estructuras de los GPCR activados o unidos a agonistas. 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 cambio más grande es un movimiento hacia afuera de la parte citoplásmica de la hélice transmembrana 5 y 6 (TM5 y TM6). La estructura del receptor adrenérgico beta-2 activado en complejo con G_s confirmó que el Gα se une a una cavidad creada por este movimiento.

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 las proteínas G. Además, ADIPOR1 y ADIPOR2 están orientados de forma opuesta a los GPCR en la membrana (es decir, los GPCR suelen tener un extremo N extracelular y un extremo C citoplasmático, mientras que los ADIPOR están invertidos).

Relaciones estructura-función

Esquemática bidimensional de un GPCR genérico establecido en un Lipid Raft. Haga clic en la imagen para mayor resolución para ver detalles sobre las ubicaciones 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 C-terminal 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 interactúan con los bucles extracelulares o, como ilustran los receptores metabotrópicos de glutamato de clase C (mGluR), los N- cola terminales. 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 ancha y a una "revelación" de residuos de las hélices intracelulares y dominios TM cruciales para 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 TM.

La estructura de las colas N- y C-terminal de los GPCR también puede cumplir funciones importantes más allá de la unión de ligandos. Por ejemplo, el C-terminal de los receptores muscarínicos M₃ es suficiente, y el dominio polibásico de seis aminoácidos (KKKRRK) en el C-terminal es necesario para su preensamblaje con G_q proteínas. En particular, el extremo C a menudo contiene residuos de serina (Ser) o treonina (Thr) que, cuando se fosforilan, aumentan la afinidad de la superficie intracelular por la unión de proteínas de andamiaje denominadas β-arrestinas (β-arr). Una vez unidas, las arrestinas β impiden estéricamente el acoplamiento de la proteína G y pueden reclutar otras proteínas, lo que conduce a la creación de complejos de señalización involucrados en la activación de la vía de la quinasa regulada por señales extracelulares (ERK) o la endocitosis del receptor (internalización). Como la fosforilación de estos residuos de 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 GPCR son mecanismos importantes de desensibilización. Además, los "megacomplejos" internalizados que consta de un solo GPCR, β-arr (en la conformación de la cola) y proteína G heterotrimérica existen y pueden explicar la señalización de proteínas de los endosomas.

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

Los GPCR responden a señales extracelulares mediadas por una gran diversidad de agonistas, que van desde proteínas hasta aminas biogénicas y protones, pero todos transducen esta señal a través de 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 GPCR. La unión ligand interrumpe una cerradura iónica entre el motivo E/DRY de TM-3 y residuos ácidos de TM-6. Como resultado, el GPCR reorganiza para permitir la activación de proteínas G-alfa. La perspectiva lateral es una vista desde arriba y hacia el lado de la GPCR como se establece en la membrana plasmática (los lípidos de membrana han sido omitidos para la claridad). La perspectiva intracelular muestra la visión mirando hacia arriba la membrana plasmática desde el interior de la célula.

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. Las proteínas G son posteriormente inactivadas por proteínas activadoras de GTPasa, conocidas como proteínas RGS.

Unión de ligandos

Los GPCR incluyen uno o más receptores para los siguientes ligandos: mediadores de señales sensoriales (p. ej., moléculas estimuladoras de la luz y del olfato); adenosina, bombesina, bradiquinina, 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 (por ejemplo, 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 generalmente se unen dentro del dominio transmembrana. Sin embargo, los receptores activados por proteasa se activan mediante la escisión de parte de su dominio extracelular.

Cambio conformacional

Estructura de cristal del receptor adrenergico beta-2 activado en complejo con G_s(PDB entrada 3SN6). El receptor es rojo de color, verde Gα, cian Gβ y amarillo Gγ. El C-terminus de Gα se encuentra en una cavidad creada por un movimiento externo 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 por completo. Se sabe que en estado inactivo, el GPCR está unido a un complejo de proteína G heterotrimérica. 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 a través de 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 una nueva. complejo que está listo para iniciar otra ronda de transducción de señales.

Se cree que una molécula receptora existe en un equilibrio conformacional entre estados biofísicos activos e inactivos. La unión de ligandos al receptor puede desplazar el equilibrio hacia los estados de receptor activo. 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 desplazan el equilibrio a favor de estados inactivos; y los antagonistas neutros son ligandos que no afectan el equilibrio. Todavía no se sabe en qué se diferencian exactamente los estados activo e inactivo.

Ciclo de activación/desactivación de la proteína G

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

Cuando el receptor está inactivo, el dominio GEF puede unirse a una subunidad α también inactiva de una proteína G heterotrimérica. Estas "proteínas G" son un trímero de las subunidades α, β y γ (conocidas como Gα, Gβ y Gγ, respectivamente) que se vuelven inactivos cuando se unen reversiblemente al difosfato de guanosina (GDP) (o, alternativamente, ningún nucleótido de guanina) pero se activan cuando se unen a trifosfato de guanosina (GTP). Tras la activación del receptor, el dominio GEF, a su vez, activa alostéricamente la proteína G al facilitar 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:GDP citosólico, 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, la medida en que pueden difundirse está limitada debido a la palmitoilación de Gα y la presencia de un resto isoprenoide que se ha agregado covalentemente al extremo C-terminal 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) finalmente se regenera, lo que permite la reasociación con un dímero Gβγ para formar el "reposo" Proteína G, que puede volver a unirse 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 denominadas reguladores de la señalización de proteínas 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/desactivan 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 autoterminación.

Diálisis

Propuestas interacciones aguas abajo entre señalización integrina y GPCRs. Integrinos se muestran elevando Ca²⁺ y FAK fosforiladora, que está debilitando la señalización GPCR.

Se ha demostrado que las señales descendentes de los GPCR interactúan posiblemente con las señales de las integrinas, como FAK. La señalización de integrinas fosforilará FAK, que luego puede disminuir la actividad de GPCR G_αs.

Señalización

Mecanismo de receptores de proteína G

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

La transducción de señales adicional 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 unido a GDP.

Las adenilato ciclasas (de las cuales 9 unidas a la membrana y una citosólica se conocen en humanos) también pueden activarse o inhibirse de otras formas (p. ej., unión de Ca2+/Calmodulina), lo que puede modificar la actividad de estas enzimas en un aditivo o de forma 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 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's tienen una alta afinidad solo por la forma fosforilada de la mayoría de los GPCR (ver arriba o abajo), la mayoría 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 proteína G

Hay tres vías principales de señalización mediadas por proteínas G, mediadas por cuatro subclases de proteínas G que se distinguen entre sí por homología de secuencia (Gαs, Gαi/o, Gαq/11 y Gα12/13). Cada subclase de proteína G consta de múltiples proteínas, cada una de ellas producto de múltiples genes o variaciones de empalme que pueden imbuirlas de diferencias que van desde sutiles a 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 de acuerdo con la isoforma de su subunidad α.

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 la conformación). Sin embargo, la unión de cualquier agonista en particular también puede iniciar la activación de múltiples proteínas G diferentes, ya que puede estabilizar más de una conformación del dominio GEF de GPCR, incluso en el transcurso de una sola interacción. Además, una conformación que preferentemente activa 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, el compañero de acoplamiento preferido de GPCR generalmente se define de acuerdo con la proteína G activada más obviamente por el ligando endógeno en la mayoría de las condiciones fisiológicas o experimentales.

Señalización de Gα

1. El efector del G_αs and G_αi/o pathways es el monofosfato cíclico-adenosino (cAMP) que genera enzima ciclasa adenilato, o AC. Mientras hay diez diferentes productos de genes AC en mamíferos, cada uno con diferencias sutiles en la distribución o función del tejido, todos catalizan la conversión de triphosfato de adenosina citosólica (ATP) a cAMP, y todos son estimulados directamente por G-proteínas del G_αs clase. En cambio, la interacción con subunidades Gα del G_αi/o tipo inhibe AC de generar cAMP. Así, un GPCR acoplado a G_αs contrarresta las acciones de un GPCR unido a G_αi/o, y viceversa. El nivel de cAMP citosólico puede determinar entonces la actividad de varios canales ionales, así como miembros de la familia de la proteína kinase A (PKA). Así, el cAMP se considera un segundo mensajero y PKA un efector secundario.
2. El efector del G_αq/11 El camino es la fosfolipasa C-β (PLCβ), que cataliza el escote de fosfatidinalinositol 4,5-bisfosfato (PIP2) en el segundo inositol de mensajeros (1,4,5) trisfosfato (IP3) y diacylglicerol (DAG). IP3 actúa sobre los receptores IP3 encontrados en la membrana del reticulum endoplasmático (ER) para obtener la liberación Ca2+ de la ER, mientras que DAG difusúa a lo largo de la membrana plasmática donde puede activar cualquier membrana localizada de una segunda se/thr kinase llamada proteína kinase C (PKC). Puesto que muchas isoformas de PKC también se activan por aumentos en Cacelular intracelular²⁺, ambas vías también pueden converger entre sí para indicar a través del mismo efecto secundario. Cadena intracelular elevada²⁺ También se une y activa alostericamente proteínas llamadas calmaodulinas, que a su vez tosolica pequeña GTPase, Rho. Una vez atado a GTP, Rho puede luego continuar para activar varias proteínas responsables de la regulación del citoesqueleto como Rho-kinase (ROCK). La mayoría de los GPCR que pareja a G_α12/13 también pareja a otras subclases, a menudo G_αq/11.

Señalización de Gβγ

Las descripciones anteriores ignoran los efectos de la señalización Gβγ, que también puede ser importante, en particular en el caso de los GPCR acoplados a G_αi/o activados. Los principales efectores de Gβγ son varios canales iónicos, como los canales de K+ rectificadores internos regulados por proteína G (GIRK), los canales de Ca2+ dependientes de voltaje de tipo P/Q y N, así como algunas isoformas de AC y PLC, junto con con algunas isoformas de fosfoinositido-3-quinasa (PI3K).

Señalización independiente de proteína G

Aunque clásicamente se piensa que solo funcionan juntos, los GPCR pueden emitir 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 señalar de forma independiente a través de muchas proteínas ya mencionadas por sus funciones en la señalización dependiente de 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 quimiocinas CXCR3 era necesaria para la quimiotaxis de eficacia total de las células T activadas. Además, otras proteínas de andamiaje implicadas en la localización subcelular de los GPCR (p. ej., proteínas que contienen el dominio PDZ) también pueden actuar como transductores de señales. Muy a menudo, el efector es un miembro de la familia MAPK.

Ejemplos

A fines de la década de 1990, comenzó a acumularse evidencia que sugería que algunos GPCR pueden emitir señales sin proteínas G. Se ha demostrado que la proteína quinasa activada por mitógeno ERK2, un mediador de transducción de señales clave 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.

En células de mamíferos, se ha demostrado que el adrenoceptor β₂, muy estudiado, 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 creían relacionados puramente con la desensibilización del receptor sean en realidad ejemplos de receptores que cambian su vía de señalización, en lugar de simplemente desconectarse.

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 inhibitorio basado en tirosina inmunoreceptor) fosforilada en tirosina en el receptor B2 es necesaria para mediar en esta interacción y, posteriormente, en el efecto antiproliferativo de la bradicinina.

Señalización independiente de GPCR por 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 funciones como transductores de señales en casi todos los demás tipos de señalización mediada por receptores, incluidas las integrinas, los receptores de tirosina quinasas (RTK), los receptores de citoquinas (JAK/STAT), así como la modulación de varios otros "accesorios". 34; proteínas tales como GEF, inhibidores de la disociación de nucleótidos de guanina (GDI) y proteínas fosfatasas. Incluso puede haber proteínas específicas de estas clases cuya función principal sea como parte de vías independientes de GPCR, denominadas activadores de la señalización de proteínas G (AGS). Tanto la ubicuidad de estas interacciones como la importancia de las subunidades Gα frente a Gβγ en estos procesos aún no están claras.

Detalles de las vías cAMP y PIP2

Efectos de activación de cAMP en la kinasa de proteína A

El efecto de Rs y Gs en la vía de señal de cAMP

El efecto de Ri y Gi en la vía de señal de cAMP

Hay dos vías principales de transducción de señales que involucran a los receptores ligados a proteínas G: la vía de señales de AMPc y la vía de señales de fosfatidilinositol.

Vía de señal CAMP

La transducción de señales de cAMP contiene 5 caracteres principales: receptor de hormona estimulante (Rs) o receptor de hormona inhibitoria (Ri); proteína G reguladora estimulante (Gs) o proteína G reguladora inhibitoria (Gi); adenilil ciclasa; proteína quinasa A (PKA); y cAMP fosfodiesterasa.

El receptor de hormonas estimulantes (Rs) es un receptor que puede unirse a moléculas de señales estimulantes, mientras que el receptor de hormonas inhibidoras (Ri) es un receptor que puede unirse a moléculas de señales inhibidoras.

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

La adenilil ciclasa es una glicoproteína de 12 transmembrana que cataliza la conversión de ATP en cAMP con la ayuda del cofactor Mg²⁺ o Mn²⁺. El cAMP 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 comprometidas específicas en la vía metabólica. También puede regular la expresión de genes específicos, la secreción celular y la permeabilidad de la membrana. La enzima proteica contiene dos subunidades catalíticas y dos subunidades reguladoras. Cuando no hay cAMP, el complejo está inactivo. Cuando el AMPc se une a las subunidades reguladoras, se altera su conformación, provocando la disociación de las subunidades reguladoras, lo que activa la proteína quinasa A y permite efectos biológicos adicionales.

Estas señales luego pueden terminar con la fosfodiesterasa de cAMP, que es una enzima que degrada el cAMP a 5'-AMP e inactiva la proteína quinasa A.

Vía de señalización del fosfatidilinositol

En la vía de la señal del fosfatidilinositol, la molécula señalizadora extracelular se une al receptor de la 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-bisfosfato (PIP2) en dos segundos mensajeros: inositol 1,4,5-trifosfato (IP3) y diacilglicerol (DAG). IP3 se une al receptor de IP3 en la membrana del retículo endoplásmico liso y las mitocondrias para abrir los canales de Ca²⁺. DAG ayuda a activar la proteína quinasa C (PKC), que fosforila muchas otras proteínas, cambiando sus actividades catalíticas, lo que lleva a respuestas celulares.

Los efectos de Ca²⁺ también son notables: coopera con DAG en la activación de PKC y puede activar la vía de la quinasa CaM, en la que la proteína modulada por calcio calmodulina (CaM) se une a Ca ²⁺, sufre un cambio en su 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. La quinasa luego fosforila las enzimas diana, regulando sus actividades. Las dos vías de señalización están conectadas entre sí por Ca²⁺-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 desensibilizan cuando se exponen a su ligando durante un largo período de tiempo. Hay dos formas reconocidas de desensibilización: 1) desensibilización homóloga, en la que se regula a la baja el GPCR activado; y 2) desensibilización heteróloga, en la que el GPCR activado provoca la regulación a la baja de un GPCR diferente. La reacción clave de esta regulación a la baja es la fosforilación del dominio del receptor intracelular (o citoplásmico) por las proteínas quinasas.

Fosforilación por proteínas quinasas dependientes de cAMP

Las proteínas quinasas dependientes de AMP cíclico (proteína quinasa A) son activadas por la cadena de señal proveniente de la proteína G (que fue activada por el receptor) a través de la adenilato ciclasa y el AMP cíclico (cAMP). 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 β2, esta fosforilación da como resultado el cambio del acoplamiento de la clase G_s de proteína G a la clase Gi. La fosforilación mediada por PKA dependiente de AMPc puede causar desensibilización heteróloga en receptores distintos de los activados.

Fosforilación por GRKs

Las quinasas receptoras acopladas a proteínas G (GRK) son proteínas quinasas que fosforilan solo los GPCR activos. Las quinasas receptoras acopladas 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 desensibilización del receptor. La actividad de las GRK y la orientación subcelular está estrechamente regulada por la interacción con los dominios del receptor, las subunidades de la proteína G, los lípidos, las proteínas de anclaje y las proteínas sensibles al calcio.

La fosforilación del receptor puede tener dos consecuencias:

1. Translotación: El receptor es, junto con la parte de la membrana que está incrustada, llevada al interior de la célula, donde se desfosforila dentro del ambiente vesicular ácido y luego se vuelve a traer. Este mecanismo se utiliza para regular la exposición a largo plazo, por ejemplo, a una hormona, permitiendo que la resensibilización siga la desensibilización. Alternativamente, el receptor puede sufrir degradación lysozomal, o permanecer internado, donde se piensa participar en la iniciación de eventos de señalización, cuya naturaleza depende de la localización subcelular de la vesícula internada.
2. Arrestin linking: El receptor fosforilado puede estar vinculado a arrestin moléculas que evitan la unión (y activación) Proteínas G, en efecto apagarla durante un corto período de tiempo. Este mecanismo se utiliza, por ejemplo, con rodopsina en células retinas para compensar la exposición a luz brillante. En muchos casos, la unión de arrestin al receptor es un requisito previo para la translocación. Por ejemplo, beta-arrestin ligado a β₂-adrenoreceptores actúa como un adaptador para la unión con clathrin, y con la beta-subunidad de AP2 (moléculas de adaptador de certrina); por lo tanto, la arrestina aquí actúa como un andamio que asemeja los componentes necesarios para la endocitosis mediada por clathrina de β₂- Adrenoreceptores.

Mecanismos de terminación de 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 procede a un ritmo lento (≈0,02 veces/s) y, por lo tanto, tomaría alrededor de 50 segundos para que cualquier proteína G se desactive si no intervinieran 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 tasa de hidrólisis a ≈30 veces/seg. Este aumento de 1500 veces en la tasa permite que la célula responda a señales externas con alta velocidad, así como una resolución espacial debido a la cantidad limitada de segundo mensajero que se puede generar y la distancia limitada que una proteína G puede difundir en 0,03 segundos. En su mayor parte, las proteínas RGS son promiscuas en su capacidad para activar las proteínas G, mientras que qué RGS está involucrado en una vía de señalización determinada parece más determinado por el tejido y el GPCR involucrado que cualquier otra cosa. Además, las proteínas RGS tienen la función adicional de aumentar la tasa de intercambio de GTP-GDP en los GPCR (es decir, como una especie de co-GEF) contribuyendo aún más a la resolución temporal de la señalización de GPCR.

Además, el propio GPCR puede desensibilizarse. Esto puede ocurrir como:

1. un resultado directo de la ocupación de ligando, en el que el cambio de conformación permite el reclutamiento de Kinasas de regulación GPCR (GRKs), que van a fósforilar varios residuos de serina/troonina de IL-3 y la cola C-terminal. Tras la fosforilación GRK, se aumenta la afinidad de la GPCR para la β-arrestin (β-arrestin-1/2 en la mayoría de los tejidos), en cuyo punto la β-arrestin puede atar y actuar para dificultar esteticamente el acoplamiento de la proteína G e iniciar el proceso de internalización de los receptores a través de la endocitosis mediada por clathrin. Porque sólo el receptor ligando es desensibilizado por este mecanismo, se llama desensibilización homologosa
2. la afinidad para la β-arrestin puede aumentarse en una ocupación de ligando y GRK-independiente a través de la fosforilación de diferentes sitios de ser/thr (pero también de IL-3 y la cola de C-terminal) por PKC y PKA. Estas fosforilaciones a menudo son suficientes para perjudicar el acoplamiento de G-proteína por su cuenta también.
3. PKC/PKA puede, en cambio, el fósforilato GRKs, que también puede llevar a la fosforilación GPCR y la β-arrestin vinculante de una manera independiente de la ocupación. Estos dos últimos mecanismos permiten la desensibilización de un GPCR debido a las actividades de otros, o la desensibilización heterológica. Los GRK también pueden tener dominios de GAP y por lo tanto pueden contribuir a la inactivación a través de mecanismos no de familiares también. También puede ocurrir una combinación de estos mecanismos.

Una vez que la β-arrestina se une a un GPCR, sufre un cambio de conformación que le permite servir como una 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 la acción 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 vuelve 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 mitógeno. (MAPK) a través de, por ejemplo, la fosforilación de la GTPasa pequeña, Ras, o reclutar las proteínas de la cascada ERK directamente (es decir, Raf-1, MEK, ERK-1/2) en cuyo punto se inicia la señalización debido a su gran proximidad entre sí. 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 "pinzamiento" de la membrana

Regulación celular GPCR

La desensibilización del receptor está mediada por una combinación de fosforilación, unión a β-arr y endocitosis, como se describió anteriormente. La regulación a la baja ocurre cuando el receptor endocitosado se incrusta en un endosoma que se trafica 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 degradantes, incluidas las proteasas, que pueden funcionar solo a un pH tan bajo, por lo que los enlaces peptídicos que unen los residuos del GPCR pueden romperse. El hecho de que un receptor determinado se transfiera o no a un lisosoma, se detenga en los endosomas o se transfiera de regreso 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 también está mediada por factores de transcripción de genes. Estos factores pueden aumentar o disminuir la transcripción de genes y, por lo tanto, aumentar o disminuir la generación de nuevos receptores (regulación hacia arriba o hacia abajo) que viajan a la membrana celular.

Oligmerización de receptores

La oligomerización del receptor acoplado a proteína G es un fenómeno generalizado. Uno de los ejemplos mejor estudiados es el receptor metabotrópico GABAB. Este llamado receptor constitutivo se forma por heterodimerización de las subunidades GABABR1 y GABABR2. La expresión de GABA_BR1 sin GABA_BR2 en sistemas heterólogos conduce a la retención de la subunidad en el retículo endoplásmico. Mientras tanto, la expresión de la subunidad GABA_BR2 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 de la membrana plasmática del receptor funcional. Se ha demostrado que la unión de GABA_BR2 a GABA_BR1 provoca el enmascaramiento de una señal de retención de receptores funcionales.

Origen y diversificación de la superfamilia

La transducción de señales mediada por la superfamilia de GPCR se remonta al origen de la pluricelularidad. Los GPCR similares a los de los mamíferos se encuentran en los hongos y se han clasificado de acuerdo con el sistema de clasificación GRAFS basado en las huellas dactilares de GPCR. La identificación de los miembros de la superfamilia en el dominio eucariótico y la comparación de los motivos específicos de la familia han demostrado que la superfamilia de GPCR tiene un origen común. Los motivos característicos indican que tres de las cinco familias GRAFS, Rhodopsin, Adhesion y Frizzled, evolucionaron a partir de los receptores de cAMP Dictyostelium discoideum antes de la división de opistocontos. Más tarde, la familia Secretin evolucionó a partir de la familia de receptores Adhesion GPCR antes de la división de los nematodos. Los GPCR de insectos parecen estar en su propio grupo y Taste2 se identifica como descendiente de Rodopsina. Tenga en cuenta que la división Secretina/Adhesión se basa en la función supuesta en lugar de la firma, ya que la Clase B clásica (7tm_2, Pfam PF00002) se usa para identificar ambos en los estudios.