 |
Receptorii cuplaţi cu proteina G (G protein-coupled receptors; GPCR), cunoscuţi şi sub numele de receptori ai domeniului transmembranar cu şapte treceri, receptori 7TM, receptori heptahelici, receptori serpentină şi receptori legaţi de proteina G (GPLR), formează un grup mare de proteine legate de evoluţie care sunt receptori ai suprafeţei celulare care detectează moleculele din afara celulei şi activează răspunsurile celulare. Cuplate cu proteinele G, acestea sunt numite receptori şapte transmembranari, deoarece trec prin membrana celulară de şapte ori.[2] Liganzii se pot lega fie de capătul N-terminal extracelular ţi de bucle (de exemplu, receptori de glutamat), fie de situsul de legare din helice transmembranare (familie asemănătoare rodopsinei). Toate sunt activate de agonişti, deşi se poate observa şi o autoactivare spontană a unui receptor gol.[2]
Mai mult
Receptorii cuplați cu proteina G se găsesc numai în eucariote, inclusiv drojdie, coanoflagelați, [3] și animale. Liganzii care leagă și activează acești receptori includ compuși sensibili la lumină, mirosuri, feromoni, hormoni și neurotransmițători și variază în mărime de la molecule mici la peptide până la proteine mari. Receptorii cuplați cu proteina G sunt implicați în multe boli.
Există două căi principale de transducție a semnalului care implică receptorii cuplați cu proteina G:
calea semnalului AMPc și
calea semnalului fosfatidilinozitol. [4]
Atunci când un ligand se leagă de GPCR provoacă o schimbare conformațională în GPCR, ceea ce îi permite să acționeze ca factor de schimb de nucleotide de guanină (GEF). GPCR poate activa apoi o proteină G asociată schimbând PIB-ul legat de proteina G cu un GTP. Subunitatea α a proteinei G, împreună cu GTP legată, se pot disocia apoi de subunitățile β și γ pentru a afecta în continuare proteinele de semnalizare intracelulare sau proteina funcțională țintă direct în funcție de tipul subunității α (Gαs, Gαi / o, Gαq / 11, Gα12 /13).[5]:1160
GPCR-urile sunt o țintă importantă de droguri și aproximativ 34% [6] din toate medicamentele aprobate de Food and Drug Administration (FDA) vizează 108 membri ai acestei familii. Volumul global de vânzări pentru aceste medicamente este estimat la 180 miliarde de dolari SUA începând cu 2018. [6] Se estimează că GPCR-urile sunt ținte pentru aproximativ 50% din medicamentele aflate în prezent pe piață, în principal datorită implicării lor în căile de semnalizare legate de multe boli, adică psihice, metabolice, inclusiv tulburări endocrinologice, imunologice, inclusiv infecții virale, cardiovasculare, inflamatorii, tulburări ale simțurilor, si cancer. Asocierea descoperită cu mult timp în urmă între GPCR și multe substanțe endogene și exogene, rezultând de ex. analgezia, este un alt domeniu în dezvoltare dinamică al cercetării farmaceutice. [2]
|
Superfamilia de receptori cuplati cu proteine G (GPCR) cuprinde proteine similare aranjate în familii sau clase făcându-l astfel unul dintre cele mai mari din genomul mamiferelor. GPCR participă la multe funcții fiziologice vitale, făcându-le ținte pentru numeroase medicamente noi. GPCR-urile împărtășesc unele trăsături distinctive, cum ar fi cele șapte domenii transmembranare, ele diferă și prin numărul de reziduuri conservate în domeniul lor transmembranar.
Odată cu determinarea primei structuri a complexului dintre un receptor cuplat proteină G (GPCR) și un trimer de proteine G (Gαβγ) în 2011, a fost deschis un nou capitol de cercetare GPCR pentru investigații structurale ale comutatoarelor globale cu mai mult de o proteină fiind cercetat. Descoperirile anterioare au implicat determinarea structurii cristaline a primului GPCR, rodopsina, în 2000 și a structurii cristaline a primului GPCR cu un ligand difuzibil (β2AR) în 2007. Cum au fost aranjate cele șapte helice transmembranare ale unui GPCR într-un pachet suspectat pe baza modelului cu rezoluție redusă a broastei rodopsinei din studiile de microscopie crio-electronică ale cristalelor bidimensionale. Structura cristalină a rodopsinei, care a apărut trei ani mai târziu, nu a fost o surpriză în afară de prezența unei elice citoplasmatice suplimentare H8 și de o locație precisă a unei bucle care acoperă locul de legare a retinei. Cu toate acestea, a furnizat o schelă care se spera a fi un șablon universal pentru modelarea omologiei și proiectarea medicamentelor pentru alte GPCR - o noțiune care s-a dovedit a fi prea optimistă.
Șapte ani mai târziu, cristalizarea receptorului β2-adrenergic (β2AR) cu un ligand difuzibil a adus rezultate surprinzătoare, deoarece a dezvăluit o formă destul de diferită a feței extracelulare a receptorului decât cea a rodopsinei. Această zonă este importantă, deoarece este responsabilă de legarea ligandului și este vizată de multe medicamente. Mai mult, site-ul de legare a ligandului era mult mai spațios decât în structura rodopsinei și era deschis spre exterior. În ceilalți receptori cristalizați la scurt timp după aceea, partea de legare a fost și mai ușor accesibilă pentru ligand. Noile structuri completate cu investigații biochimice au descoperit mecanisme de acțiune ale întrerupătoarelor moleculare care modulează structura receptorului care duce la stări de activare pentru agoniști sau la stări de inactivare complete sau parțiale pentru agoniști inversi. [2]
Premiul Nobel pentru chimie 2012 a fost acordat lui Brian Kobilka și Robert Lefkowitz pentru munca lor care a fost „crucială pentru înțelegerea modului în care funcționează receptorii cuplați la proteina G”. [7] Au existat cel puțin alte șapte premii Nobel acordate pentru un aspect al semnalizării mediate de proteina G. Începând cu 2012, două dintre primele zece medicamente cele mai bine vândute la nivel mondial (Advair Diskus și Abilify) acționează vizând receptorii cuplați la proteina G. [8]
Conform sistemului clasic A-F, GPCR-urile pot fi grupate în 6 clase pe baza omologiei secvenței și a similarității funcționale:
- Clasa A (sau 1) (asemănătoare rodopsinei);
- Clasa B (sau 2) (familia receptorilor secretinei);
- Clasa C (sau 3) (glutamat metabotropic / feromon);
- Clasa D (sau 4) (Receptorii de feromoni de împerechere fungică);
- Clasa E (sau 5) (receptori AMP ciclici);
- Clasa F (sau 6) (Frizzled / Smoothened).
Receptorii cuplaţi cu proteine G (în engleză, G protein-coupled receptor, GPCR) sunt receptori biologici prezenţi în membranele celulare şi endozomale ce transmit semnale în interiorul celulei (respectiv endozomului) cu ajutorul unor proteine ce leagă GTP (pe scurt proteine G). În neurobiologie, pentru a fi diferenţiaţi de receptorii ionotropici (canale ionice ligand-dependente), receptorii cuplaţi cu proteine G sunt adeseori cunoscuţi sub termenul de receptori metabotropici.[1]
Familia receptorilor cuplaţi cu proteine G reprezintă cu peste 1000 de membri diferiţi cea mai mare familie de proteine. Receptorii cuplaţi cu proteine G sunt responsabili pentru procesarea semnalelor luminoase, olfactive şi gustative. Ei joacă un rol decisiv în inflamaţie, în mişcările orientate ale celulelor (tactisme), transportul substanţelor prin membrana celulară (endocitoză şi exocitoză) precum şi în creşterea şi diferenţierea celulară. Sunt de asemenea ţinta unor hormoni, cum ar fi adrenalina sau glucagonul, şi a unor neurotransmiţători, ca serotonina şi acetilcolina. De-asemenea, unele virusuri folosesc receptorii cuplaţi cu proteine G ca porţi de intrare în celulă
Datorită structurii lor, cu excepţia receptorului vegetal GCR2, toţi receptorii cuplaţi cu proteine G aparţin suprafamiliei proteinelor transmembranare heptahelicale (sinonime frecvente: receptori cu şapte domenii transmembranare, receptori 7-TM sau receptori heptahelicali). Aceştia constau în subunităţi cu câte şapte (pe greacă „hepta”) structuri helicale ce traversează membrana celulară (transmembranare), conectate între ele prin trei legături intracelulare şi trei extracelulare. Ei au un situs extracelular sau transmembranar de legare cu un ligand, proteina G legându-se de partea intracelulară a receptorului. Pentru compararea diferenţelor structurale dintre diverşii receptori cuplaţi cu proteine G, a fost creat sistemul de nomenclatură Ballesteros-Weinstein. Vezi Imaginile nr. 1, 2, 3
Receptorul cuplat cu proteina G este activat de un semnal extern sub forma unui ligand sau a altui mediator de semnal. Acest lucru creează o schimbare conformațională a receptorului, provocând activarea unei proteine G. Efectul suplimentar depinde de tipul de proteină G. Proteinele G sunt ulterior inactivate de proteinele care activează GTPase, cunoscute sub numele de proteine RGS.
Succint, mecanismul de aciune al acestor receptori implic urmtoarele patru etape:
- legarea ligandului i activarea receptorului;
- interaciunea receptorului activat cu proteinele G heterotrimerice i activarea acestora prin eliberarea GDP, urmat de legarea GTP i disocierea trimerului în subunitatea i heterodimerul , ambele elemente rezultate în urma disocierii efectuând pai independeni în semnalizare;
- transmiterea semnalului la efectorul din aval care poate avea fie funcie enzimatic (adenilat-ciclaza, fosfolipaza C-, GMPc-fosfodiesteraza), fie rol de canal ionic.
- dezactivarea proteinei G heterotrimerice prin hidroliza GTP datorat funciei GTP-azice a subunitii ; în acest fel, subunitatea revine la conformaia iniial, inactiv, cu GDP legat, form care are mare afinitate pentru dimerul cu care se reasociaz, rezultând structura heterotrimeric ce poate începe un nou ciclu.
ixarea NT -ligand la situsul specific de pe RCPG; 2. Cuplarea Rc cu subunitatea αs și înlocuirea GDP cu GTP la nivelul proteinei G; 3. Fixarea enzimei responsabilă de formarea mesagerului secund la nivelul complexului NT-Rc -Pr oteină G; 4. Formarea mesagerului secund. •În cazul RCPG de la nivel cerebral, enzima este reprezentată de ADENILAT CICLAZĂ, iar mesagerul secund de cAMP. •Ținta finală a RCPG este modificarea expresiei genice, prin acțiunea la nivelul factorului de transcripție CREB.
Familia receptorilor de rodopsina (RRF) este cea mai mare dintre familiile GPCR, cuprinzând aproximativ 680 de membri și reprezintă 80% dintre receptori la om. RRF este clasificat în patru grupe (a, b, g, d) și 13 subdiviziuni principale și are numeroase caracteristici care indică o ascendență comună. Aceste caracteristici includ motivul DRY situat la granița dintre TM3 și bucla intracelulară (IL) 2 și motivul NSxxNPxxY în TM7 (Fig. 2). Regiunea N-terminală a receptorilor GPCR din familia A sunt situate extracelular, în timp ce terminalul C este situat în citoplasmă (Fig. 3). Locul de legare a ligandului este situat în regiunea extracelulară a fasciculului TMD.
Potrivit lui Palczewski, aranjarea celor șapte elice TMD care variază în lungime de la 20 la 30 de reziduuri este responsabilă pentru forma generală eliptică, cilindrică a rodopsinei (Fig. 3). GPCR-urile din familia A variază foarte mult atunci când sunt luate în considerare preferința ligandului și structura primară. Cu toate acestea, există omogenitate în N-terminele GPCR-urilor familiei A, dar eterogenitate în regiunile TMD. Cu toate acestea, unele dintre GPCR-urile familiei A împărtășesc motive de secvență specifice în regiunea TMD.
 01 Rodopsina bovina Structura a șapte transmembranare α-helix a rodopsinei bovine |
 02 Structura Rodopsina Prezentare schematică a structurii şi numerotării helixurilor unui GPCR (rodopsina) |
 03 Text3 |
 04 Activare RCPG |
 05 Org. transmembranara RCPG Organizarea transmembranara a receptorilor cuplati cu proteine G heterotrimerice Ectodomeniul proteinei poate organiza situri de interaciune cu o diversitate de molecule semnal. Aceste situri se pot afla la nivelul captului N-terminal al lanului polipeptidic, la nivelul buclelor extracelulare, dar i în spaiul creat, pe faa extern a membranei, de domeniile transmembranare TM3, TM5, TM6 i TM7, cu asistarea, la exterior, prin bucla dintre TM4 i TM5. La nivelul endodomeniului, receptorul organizeaz interfaa de interaciune cu proteinele G heterotrimerice. |
 06 Text6 |
 07 Transductia semn. in RCPG Transductia semnalului in receptorii cuplati cu proteina G Căi de semnalizare variate reglate de receptorul adrenergic beta de tip 2 (β2AR). Β2AR poate activa două proteine G, Gαs și Gαi (parte a heterotrimerilor Gs și Gi, respectiv), care reglează diferențial adenilat ciclaza. Adenilat ciclaza generează AMP ciclic (AMPc), care activează protein kinaza A (PKA), o kinază care reglează activitatea mai multor proteine celulare, inclusiv canalul L de tip Ca2 + și β2AR. nivelurile de mesageri secundari AMPc sunt reglate în jos de proteinele specifice fosfodiesterazei (PDE). Activarea β2AR duce, de asemenea, la fosforilarea de către o kinază receptoră cuplată cu proteina G (GRK) și cuplarea ulterioară la arestină. Arrestin este o proteină de semnalizare și reglare care promovează activarea kinazelor extracelulare cu reglare a semnalului (ERK), previne activarea proteinelor G și promovează internalizarea receptorului prin gropi acoperite cu clatrin. PKC, protein kinaza C. Inserția arată clasificarea eficacității ligandului pentru GPCR. Multe GPCR prezintă activitate bazală, independentă de agoniști. Agoniștii inversi inhibă această activitate, iar antagoniștii neutri nu au efect. Agoniștii și agoniștii parțiali stimulează răspunsurile biologice deasupra activității bazale. Eficacitatea nu este direct legată de afinitate; de exemplu, un agonist parțial poate avea o afinitate mai mare pentru un GPCR decât un agonist complet.Rosenbaum |
 08 Compararea a patru structuri GPCR |
 09 Text9 |
10 Text10 |
Rosenbaum D. M., Rasmussen S. G., Kobilka B. K. (2009). The structure and function of G-protein-coupled receptors. Nature, 459(7245), 356–363. https://doi.org/10.1038/nature08144. PMID: 19458711; PMCID: PMC3967846.
