G proteinkoblet receptor - G protein-coupled receptor

GPCR
Beta-2-adrenerge-receptor.png
Den humane beta-2 adrenerge receptor i kompleks med den delvise inverse agonist carazolol .
Identifikatorer
Symbol 7tm_1
Pfam PF00001
InterPro IPR000276
PROSIT PDOC00210
TCDB 9.A.14
OPM superfamilie 6
OPM -protein 1 gzm
CDD cd14964
Den syv-transmembrane a-helixstruktur af bovin rhodopsin

G-proteinkoblede receptorer ( GPCR'er ), også kendt som syv- (pass) -transmembrane domæne-receptorer , 7TM-receptorer , heptaheliske receptorer , serpentinreceptorer og G-proteinbundne receptorer ( GPLR ), danner en stor gruppe af evolutionært relaterede proteiner det er celleoverfladereceptorer, der detekterer molekyler uden for cellen og aktiverer cellulære responser. Kobling med G-proteiner kaldes de syv-transmembranreceptorer, fordi de passerer gennem cellemembranen syv gange. Ligander kan binde enten til ekstracellulær N-terminal og sløjfer (f.eks. Glutamatreceptorer) eller til bindingsstedet i transmembrane helixer (Rhodopsin-lignende familie). De aktiveres alle af agonister, selvom en spontan automatisk aktivering af en tom receptor også kan observeres.

G-proteinkoblede receptorer findes kun i eukaryoter , herunder gær , choanoflagellater og dyr. De ligander , der binder og aktiverer disse receptorer indbefatter lysfølsomme forbindelser, lugt , feromoner , hormoner og neurotransmittere , og varierer i størrelse fra små molekyler til peptider til store proteiner . G-proteinkoblede receptorer er involveret i mange sygdomme.

Der er to primære signaltransduktionsveje, der involverer de G-proteinkoblede receptorer:

Når en ligand binder til GPCR forårsager det en konformationsændring i GPCR, som gør det muligt at fungere som en guaninnukleotidudvekslingsfaktor (GEF). GPCR kan derefter aktivere et associeret G -protein ved at udveksle BNP bundet til G -proteinet med et GTP . G -proteinets α -underenhed kan sammen med den bundne GTP dissocieres fra β- og γ -underenhederne for yderligere at påvirke intracellulære signalproteiner eller målfunktionelle proteiner direkte afhængigt af α -underenhedstypen ( G αs , G αi/o , G αq/ 11 , G α12/13 ).

GPCR’er er et vigtigt lægemiddelmål, og cirka 34% af alle Food and Drug Administration (FDA) godkendte lægemidler retter sig mod 108 medlemmer af denne familie. Den globale salgsmængde for disse lægemidler anslås at være 180 milliarder amerikanske dollars i 2018. Det anslås, at GPCR'er er mål for omkring 50% af de lægemidler, der i øjeblikket er på markedet, hovedsageligt på grund af deres involvering i signalveje relateret til mange sygdomme, dvs. psykisk, metabolisk, herunder endokrinologiske lidelser, immunologiske herunder virusinfektioner, kardiovaskulære, inflammatoriske, sanselidelser og kræft. Den for længst opdagede sammenhæng mellem GPCR'er og mange endogene og eksogene stoffer, der f.eks. Resulterer i analgesi, er et andet dynamisk udviklingsområde inden for den farmaceutiske forskning.

Historie og betydning

Med bestemmelsen af ​​kompleksets første struktur mellem en G-protein-koblet receptor (GPCR) og en G-proteintrimer (Gαβγ) i 2011 blev et nyt kapitel i GPCR-forskning åbnet for strukturelle undersøgelser af globale switches med mere end et protein bliver undersøgt. De tidligere gennembrud involverede bestemmelse af krystalstrukturen i den første GPCR, rhodopsin , i 2000 og krystalstrukturen i den første GPCR med en diffunderbar ligand (β 2 AR) i 2007. Hvordan de syv transmembrane helices i en GPCR er arrangeret i en bundt blev mistænkt baseret på lavopløsningsmodellen af ​​frø rhodopsin fra kryo-elektronmikroskopi undersøgelser af de todimensionale krystaller. Krystalstrukturen af ​​rhodopsin, der kom op tre år senere, var ikke en overraskelse bortset fra tilstedeværelsen af ​​en yderligere cytoplasmatisk helix H8 og en præcis placering af en sløjfe, der dækker nethindens bindingssted. Det gav imidlertid et stillads, som man håbede at kunne være en universel skabelon til homologimodellering og lægemiddeldesign til andre GPCR'er - en forestilling, der viste sig at være for optimistisk.

Syv år senere bragte krystallisationen af ​​β 2 -adrenerg receptor (β 2 AR) med en diffunderbar ligand overraskende resultater, fordi den afslørede en ganske anden form for receptorens ekstracellulære side end rhodopsins. Dette område er vigtigt, fordi det er ansvarligt for ligandbindingen og er målrettet af mange lægemidler. Desuden var ligandbindingsstedet meget mere rummeligt end i rhodopsin -strukturen og var åbent udadtil. I de andre receptorer krystalliseret kort efter var bindingssiden endnu lettere tilgængelig for liganden. Nye strukturer suppleret med biokemiske undersøgelser afdækkede virkningsmekanismer for molekylære switches, der modulerer strukturen af ​​receptoren, der fører til aktiveringstilstande for agonister eller til fuldstændige eller delvise inaktiveringstilstande for inverse agonister.

Den 2012 Nobelprisen i kemi blev tildelt Brian Kobilka og Robert Lefkowitz for deres arbejde, der var "afgørende for at forstå, hvordan G-protein-koblede receptorer fungerer". Der er blevet uddelt mindst syv andre nobelpriser for et eller andet aspekt af G -proteinmedieret signalering. Fra 2012 virker to af de ti bedste bedst sælgende lægemidler ( Advair Diskus og Abilify ) ved at målrette mod G-proteinkoblede receptorer.

Klassifikation

Klassifikationsordning for GPCR’er i 2006. Siden denne tid er der fundet flere gener. Klasse A (Rhodopsin-lignende), Klasse B (Secretin-lignende), Klasse C (Glutamatreceptor-lignende), Andre (Adhæsion (33), Frizzled (11), Smagstype-2 (25), Uklassificeret (23)) .

Den nøjagtige størrelse af GPCR-superfamilien er ukendt, men mindst 831 forskellige humane gener (eller ~ 4% af hele det proteinkodende genom ) er forudsagt at kode for dem fra genom- sekvensanalyse . Selvom der er foreslået adskillige klassificeringsordninger, blev superfamilien klassisk opdelt i tre hovedklasser (A, B og C) uden påviselig delt sekvenshomologi mellem klasser.

Den klart største klasse er klasse A, der tegner sig for næsten 85% af GPCR -generne. Af klasse A GPCR'er forudsiges over halvdelen af ​​disse at kode for olfaktoriske receptorer , mens de resterende receptorer liganderes af kendte endogene forbindelser eller klassificeres som forældreløse receptorer . På trods af manglen på sekvenshomologi mellem klasser har alle GPCR'er en fælles struktur og mekanisme for signaltransduktion . Den meget store rhodopsin A-gruppe er yderligere blevet opdelt i 19 undergrupper ( A1-A19 ).

Ifølge det klassiske AF -system kan GPCR'er grupperes i 6 klasser baseret på sekvenshomologi og funktionel lighed:

For nylig er et alternativt klassificeringssystem kaldet GRAFS ( Glutamat , Rhodopsin , Adhesion , Frizzled / Taste2 , Secretin ) blevet foreslået til GPCR'er til hvirveldyr. De svarer til klassiske klasser C, A, B2, F og B.

En tidlig undersøgelse baseret på tilgængelig DNA-sekvens foreslog, at det humane genom koder for cirka 750 G proteinkoblede receptorer, hvoraf cirka 350 påviser hormoner, vækstfaktorer og andre endogene ligander. Cirka 150 af de GPCR'er, der findes i det humane genom, har ukendte funktioner.

Nogle webservere og bioinformatik-forudsigelsesmetoder er blevet brugt til at forudsige klassificeringen af ​​GPCR'er i henhold til deres aminosyresekvens alene ved hjælp af metoden til pseudo-aminosyresammensætning .

Fysiologiske roller

GPCR'er er involveret i en lang række fysiologiske processer. Nogle eksempler på deres fysiologiske roller omfatter:

  1. Den visuelle sans: Opsinserne bruger en fotoisomeriseringsreaktion til at oversætte elektromagnetisk stråling til cellulære signaler. Rhodopsin bruger for eksempel konverteringen af 11 -cis -retinal til all -trans -retinal til dette formål.
  2. Den gustatoriske sans (smag): GPCR'er i smagsceller medierer frigivelse af gustducin som reaktion på bitter-, umami- og sødsmagende stoffer.
  3. Lugtesansen: Receptorer for det olfaktoriske epitel binder lugtstoffer (olfaktoriske receptorer) og feromoner (vomeronasale receptorer)
  4. Adfærdsmæssige og humør regulering: Receptorer i pattedyrs hjerne binder flere forskellige neurotransmittere , herunder serotonin , dopamin , histamin , GABA , og glutamat
  5. Regulering af immunsystemaktivitet og betændelse : kemokinreceptorer binder ligander, der medierer intercellulær kommunikation mellem celler i immunsystemet; receptorer, såsom histaminreceptorer, binder inflammatoriske mediatorer og engagerer målcelletyper i det inflammatoriske respons . GPCR'er er også involveret i immunmodulation, f.eks. Regulering af interleukininduktion eller undertrykkelse af TLR -inducerede immunresponser fra T -celler.
  6. Autonomt nervesystems transmission: Både det sympatiske og parasympatiske nervesystem reguleres af GPCR -veje, der er ansvarlige for kontrollen af ​​mange automatiske funktioner i kroppen, såsom blodtryk, puls og fordøjelsesprocesser
  7. Celletæthedsføling: En ny GPCR -rolle i regulering af celletæthedsføling.
  8. Homeostasemodulation (f.eks. Vandbalance).
  9. Involveret i vækst og metastase af nogle typer tumorer .
  10. Anvendes i det endokrine system til peptid- og aminosyrederivathormoner, der binder til GCPR'er på cellemembranen i en målcelle. Dette aktiverer cAMP, som igen aktiverer flere kinaser, hvilket muliggør et cellulært respons, såsom transkription.

Receptorstruktur

GPCR'er er integrerede membranproteiner, der besidder syv membranspændende domæner eller transmembrane spiraler . De ekstracellulære dele af receptoren kan glykosyleres . Disse ekstracellulære sløjfer indeholder også to stærkt konserverede cysteinrester, der danner disulfidbindinger for at stabilisere receptorstrukturen. Nogle syv-transmembrane helixproteiner ( channelrhodopsin ), der ligner GPCR'er, kan indeholde ionkanaler i deres protein.

I 2000 blev den første krystalstruktur af et pattedyrs GPCR, den for bovint rhodopsin ( 1F88 ), løst. I 2007 blev den første struktur af en human GPCR løst. Denne humane β 2 -adrenerge receptor GPCR -struktur viste sig meget at ligne bovin rhodopsin. Strukturerne af aktiverede eller agonistbundne GPCR'er er også blevet bestemt. Disse strukturer angiver, hvordan ligandbinding på den ekstracellulære side af en receptor fører til konformationsændringer i receptorens cytoplasmatiske side. Den største ændring er en bevægelse udad af den cytoplasmiske del af 5. og 6. transmembrane helix (TM5 og TM6). Strukturen af aktiveret beta-2-adrenerg receptor i kompleks med G s bekræftede, at Ga binder til et hulrum skabt af denne bevægelse.

GPCR'er udviser en lignende struktur som nogle andre proteiner med syv transmembrane domæner , såsom mikrobielle rhodopsiner og adiponectin -receptorer 1 og 2 ( ADIPOR1 og ADIPOR2 ). Disse 7TMH (7-transmembrane helices) receptorer og kanaler associeres imidlertid ikke med G-proteiner . Desuden er ADIPOR1 og ADIPOR2 orienteret modsat GPCR'er i membranen (dvs. GPCR'er har normalt en ekstracellulær N-terminal , cytoplasmatisk C-terminal , hvorimod ADIPOR'er er inverterede).

Struktur -funktion relationer

To-dimensionel skematisk af et generisk GPCR-sæt i en lipidflåde. Klik på billedet for højere opløsning for at se detaljer om placeringen af ​​vigtige strukturer.

Med hensyn til struktur er GPCR'er karakteriseret ved en ekstracellulær N-terminal , efterfulgt af syv transmembrane (7-TM) α-spiraler (TM-1 til TM-7) forbundet med tre intracellulære (IL-1 til IL-3) og tre ekstracellulære sløjfer (EL-1 til EL-3) og endelig en intracellulær C-terminal . GPCR indretter sig i en tertiær struktur, der ligner en tønde, hvor de syv transmembrane spiraler danner et hulrum i plasmamembranen, der betjener et ligandbindende domæne, der ofte er dækket af EL -2. Ligander kan imidlertid også binde andre steder, som det er tilfældet med større ligander (f.eks. Proteiner eller store peptider ), som i stedet interagerer med de ekstracellulære sløjfer, eller som illustreret ved metabotrope glutamatreceptorer i klasse C (mGluRs), N- terminal hale. Klasse C GPCR'erne kendetegnes ved deres store N-terminale hale, som også indeholder et ligandbindende domæne. Ved glutamatbinding til et mGluR undergår den N-terminale hale en konformationsændring, der fører til dens interaktion med resterne af de ekstracellulære sløjfer og TM-domæner. Den endelige virkning af alle tre typer af agonistinduceret aktivering er en ændring i de relative orienteringer af TM -spiralerne (sammenlignet med en vridende bevægelse), der fører til en bredere intracellulær overflade og "afsløring" af rester af de intracellulære spiraler og TM -domæner afgørende til signaltransduktionsfunktion (dvs. G-proteinkobling). Omvendte agonister og antagonister kan også binde til en række forskellige steder, men den endelige effekt må være forebyggelse af denne TM helix -omorientering.

Strukturen af ​​N- og C-terminale haler af GPCR'er kan også tjene vigtige funktioner ud over ligandbinding. For eksempel C-terminalen af M 3 muscarinreceptorer er tilstrækkelig, og de seks-amino-syre polybasiske (KKKRRK) domæne i den C-terminale ende er nødvendig for sine præsamlingen med G q proteiner. Især C-terminalen indeholder ofte serin (Ser) eller threonin (Thr) rester, der, når de phosphoryleres , øger affiniteten af den intracellulære overflade til binding af stilladsproteiner kaldet β- arrestiner (β-arr). Når bundne, β-arrestiner både sterisk forhindre G-protein-kobling og kan rekruttere andre proteiner, hvilket fører til skabelsen af signalanlæg komplekser er involveret i ekstracellulær-signal kinase ( ERK ) reaktionsvejsaktivering eller receptor endocytose (internalisering). Da phosphoryleringen af ​​disse Ser- og Thr-rester ofte forekommer som et resultat af GPCR-aktivering, er β-arr-medieret G-protein-afkobling og internalisering af GPCR'er vigtige desensibiliseringsmekanismer . Derudover findes der internaliserede "megakomplekser" bestående af en enkelt GPCR, β-arr (i halekonformationen) og heterotrimer G-protein og kan være årsag til proteinsignalering fra endosomer.

Et sidste fælles strukturelt tema blandt GPCR'er er palmitoylering af et eller flere steder i den C-terminale hale eller de intracellulære sløjfer. Palmitoylering er den kovalente modifikation af cystein (Cys) rester via tilsætning af hydrofobe acylgrupper og har den virkning, at den er målrettet mod receptoren mod cholesterol - og sphingolipid -rige mikrodomæner i plasmamembranen kaldet lipidflåder . Da mange af nedstrøms transducer- og effektormolekyler af GPCR'er (herunder dem, der er involveret i negative feedbackveje ) også er målrettet mod lipidflåder, har dette den virkning at lette hurtig receptorsignalering.

GPCR'er reagerer på ekstracellulære signaler medieret af en enorm mangfoldighed af agonister, lige fra proteiner til biogene aminer til protoner , men alle transducerer dette signal via en mekanisme for G-proteinkobling. Dette er muliggjort af et guanin- nukleotidudvekslingsfaktor ( GEF ) domæne, der primært dannes af en kombination af IL-2 og IL-3 sammen med tilstødende rester af de associerede TM-spiraler.

Mekanisme

Tegneserie, der viser det grundlæggende koncept for GPCR -konformationsaktivering. Ligandbinding forstyrrer en ionisk låsning mellem E/DRY-motivet af TM-3 og sure rester af TM-6. Som følge heraf reorganiserer GPCR sig for at muliggøre aktivering af G-alfa-proteiner. Sideperspektivet er et billede ovenfra og til siden af ​​GPCR, som det er indstillet i plasmamembranen (membranlipiderne er udeladt for klarhedens skyld). Det intracellulære perspektiv viser udsigten, der kigger op på plasmamembranen inde fra cellen.

Den G-proteinkoblede receptor aktiveres af et eksternt signal i form af en ligand eller anden signalmægler. Dette skaber en konformationel ændring i receptoren, hvilket forårsager aktivering af et G -protein . Yderligere effekt afhænger af typen af ​​G -protein. G -proteiner inaktiveres efterfølgende af GTPase -aktiverende proteiner, kendt som RGS -proteiner .

Ligandbinding

GPCR'er indbefatter en eller flere receptorer for følgende ligander: sensoriske signalmæglere (f.eks. Lette og olfaktoriske stimulerende molekyler); adenosin , bombesin , bradykinin , endotelin , γ-aminosmørsyre ( GABA ), hepatocytvækstfaktor ( HGF ), melanocortiner , neuropeptid Y , opioide peptider, opsiner , somatostatin , GH , tachykininer , medlemmer af vasoaktivt intestinalt peptid familie, og vasopressin ; biogene aminer (f.eks. dopamin , adrenalin , noradrenalin , histamin , serotonin og melatonin ); glutamat ( metabotrop effekt) glucagon ; acetylcholin ( muskarin effekt); kemokiner ; lipidmediatorer af inflammation (f.eks. prostaglandiner , prostanoider , trombocytaktiverende faktor og leukotriener ); peptid hormoner (for eksempel calcitonin , C5a anaphylatoxin , follikelstimulerende hormon [ FSH ], gonadotropin-frigivende hormon [ GnRH ], neurokinin , trh [ TRH ], og oxytocin ); og endocannabinoider .

GPCR'er, der fungerer som receptorer for stimuli, der endnu ikke er identificeret, kaldes forældreløse receptorer .

Men i andre typer af receptorer, der er blevet undersøgt, hvor ligander binder eksternt til membranen, bindes liganderne af GPCR'er typisk inden for transmembrandomænet. Imidlertid aktiveres protease-aktiverede receptorer ved spaltning af en del af deres ekstracellulære domæne.

Konformationsændring

Krystalstruktur aktiveret beta-2-adrenerg receptor i kompleks med G s ( PDB entry 3SN6 ). Receptoren er farvet rød, Gα grøn, Gβ cyan og Gγ gul. C-terminalen af ​​Gα er placeret i et hulrum skabt af en bevægelse udad af de cytoplasmiske dele af TM5 og 6.

Den transduktionen af signalet gennem membranen af receptoren er ikke fuldstændigt forstået. Det vides, at i inaktiv tilstand er GPCR bundet til et heterotrimert G -proteinkompleks . Binding af en agonist til GPCR resulterer i en konformationsændring i receptoren, der transmitteres til den bundne G α -underenhed af det heterotrimeriske G -protein via proteindomæne dynamik . Den aktiverede G α -underenhed udveksler GTP i stedet for BNP, hvilket igen udløser dissociationen af ​​G α -underenheden fra G βγ -dimeren og fra receptoren. De dissocierede G α og G γγ -underenheder interagerer med andre intracellulære proteiner for at fortsætte signaltransduktionskaskaden, mens den frigjorte GPCR er i stand til at genbinde til et andet heterotrimert G -protein for at danne et nyt kompleks, der er klar til at starte en ny runde med signaltransduktion.

Det menes, at der findes et receptormolekyle i en konformationel ligevægt mellem aktive og inaktive biofysiske tilstande. Bindingen af ​​ligander til receptoren kan flytte ligevægten mod de aktive receptortilstande. Der findes tre typer ligander: Agonister er ligander, der forskyder ligevægten til fordel for aktive tilstande; inverse agonister er ligander, der forskyder ligevægten til fordel for inaktive tilstande; og neutrale antagonister er ligander, der ikke påvirker ligevægten. Det vides endnu ikke, hvordan de aktive og inaktive tilstande præcist adskiller sig fra hinanden.

G-protein aktiverings-/deaktiveringscyklus

Tegneserie, der viser den heterotrimeriske G-protein aktiverings-/deaktiveringscyklus i forbindelse med GPCR-signalering

Når receptoren er inaktiv, kan GEF- domænet være bundet til en også inaktiv a-subenhed af et heterotrimert G-protein . Disse "G-proteiner" er en trimer af α, β og γ-underenheder (kendt som henholdsvis Gα, Gβ og Gγ), der gøres inaktive, når de reversibelt bindes til Guanosindiphosphat (BNP) (eller alternativt intet guaninnukleotid ) men aktiv, når den er bundet til guanosintrifosfat (GTP). Ved receptoraktivering aktiverer GEF-domænet til gengæld allosterisk G-proteinet ved at lette udvekslingen af ​​et molekyle af BNP for GTP ved G-proteinets a-underenhed. Cellen opretholder et 10: 1 -forhold mellem cytosolisk GTP: BNP, så udveksling af GTP er sikret. På dette tidspunkt dissocierer underenhederne i G-proteinet fra receptoren såvel som hinanden for at give en Gα-GTP- monomer og en tæt interagerende Gpy-dimer , som nu er frie til at modulere aktiviteten af ​​andre intracellulære proteiner. Det omfang, i hvilket de kan diffundere , er imidlertid begrænset på grund af palmitoylering af Gα og tilstedeværelsen af ​​en isoprenoid del, der er blevet kovalent tilføjet til C-terminalerne af Gy.

Fordi Gα også har langsom GTP → BNP-hydrolysekapacitet , regenereres den inaktive form af α-underenheden (Gα-GDP) til sidst, hvilket tillader genforening med en Gβγ-dimer at danne det "hvilende" G-protein, som igen kan binde til en GPCR og afventer aktivering. GTP-hydrolysehastigheden accelereres ofte på grund af handlingerne fra en anden familie af allosteriske modulerende proteiner kaldet Regulators of G-proteinsignalering , eller RGS-proteiner, som er en type GTPase-aktiverende protein eller GAP. Faktisk har mange af de primære effektorproteiner (f.eks. Adenylatcyklusser ), der bliver aktiveret/inaktiveret ved interaktion med Gα-GTP, også GAP-aktivitet. Selv på dette tidlige stadie i processen har GPCR-initieret signalering således kapacitet til selvafslutning.

Krydstale

Foreslået nedstrøms interaktioner mellem integrinsignalering og GPCR'er. Integriner er vist forhøjelse af Ca 2+ og phosphorylerende FAK, hvilket svækker GPCR -signalering.

GPCRs nedstrøms signaler har vist sig muligvis at interagere med integrinsignaler , såsom FAK . Integrinsignalering vil phosphorylere FAK, som derefter kan reducere GPCR G αs -aktivitet.

Signalering

G-protein-koblet receptormekanisme

Hvis en receptor i en aktiv tilstand støder på et G -protein , kan det aktivere det. Nogle beviser tyder på, at receptorer og G-proteiner faktisk er forkoblede. For eksempel påvirker binding af G -proteiner til receptorer receptorens affinitet for ligander. Aktiverede G -proteiner er bundet til GTP .

Yderligere signaltransduktion afhænger af typen af ​​G -protein. Enzymet adenylatcyclase er et eksempel på et cellulært protein, som kan reguleres af et G-protein, i dette tilfælde G-proteinet G s . Adenylatcyklase -aktivitet aktiveres, når den binder sig til en underenhed af det aktiverede G -protein. Aktivering af adenylatcyklase slutter, når G -proteinet vender tilbage til BNP -bunden tilstand.

Adenylatcyklaser (hvoraf 9 membranbundne og en cytosolisk form er kendt hos mennesker) kan også aktiveres eller hæmmes på andre måder (f.eks. Ca2+/ Calmodulin- binding), som kan ændre aktiviteten af ​​disse enzymer på en additiv eller synergistisk måde sammen med G -proteinerne.

De signalveje, der aktiveres gennem en GPCR, er begrænset af den primære sekvens og tertiære struktur for selve GPCR'en, men bestemmes i sidste ende af den særlige konformation, der er stabiliseret af en bestemt ligand , samt tilgængeligheden af transducermolekyler . I øjeblikket anses GPCR'er for at anvende to primære typer transducere: G-proteiner og β-arrestiner . Fordi β-arr'er kun har høj affinitet til den phosphorylerede form af de fleste GPCR'er (se ovenfor eller nedenfor), er størstedelen af ​​signalering i sidste ende afhængig af G-proteinaktivering. Imidlertid tillader muligheden for interaktion, at G-protein-uafhængig signalering kan forekomme.

G-proteinafhængig signalering

Der er tre vigtigste G-protein-medierede signalveje, medieret af fire underklasser af G-proteiner, der adskilles fra hinanden ved sekvenshomologi ( G αs , G αi/o , G αq/11 og G α12/13 ). Hver underklasse af G-protein består af flere proteiner, hvert produkt af flere gener eller splejsningsvariationer, der kan præge dem med forskelle, der spænder fra subtil til tydelig med hensyn til signalegenskaber, men generelt ser de rimeligt ud i fire klasser. Fordi signaltransducende egenskaber for de forskellige mulige βγ-kombinationer ikke ser ud til at afvige radikalt fra hinanden, er disse klasser defineret i henhold til isoformen af ​​deres α-underenhed.

Mens de fleste GPCR'er er i stand til at aktivere mere end en Gα-undertype, viser de også en præference for en undertype frem for en anden. Når den aktiverede undertype afhænger af den ligand, der er bundet til GPCR, kaldes dette funktionel selektivitet (også kendt som agoniststyret menneskehandel eller konformationsspecifik agonisme). Imidlertid kan bindingen af ​​en enkelt bestemt agonist også starte en aktivering af flere forskellige G-proteiner, da den kan være i stand til at stabilisere mere end én konformation af GPCR's GEF- domæne, selv i løbet af en enkelt interaktion. Derudover kan en konformation, der fortrinsvis aktiverer en isoform af Gα, aktivere en anden, hvis den foretrukne er mindre tilgængelig. Endvidere kan feedbackveje resultere i receptormodifikationer (f.eks. Phosphorylering), der ændrer G-proteinpræferencen. Uanset disse forskellige nuancer er GPCR's foretrukne koblingspartner normalt defineret i henhold til G-proteinet, som tydeligst aktiveres af den endogene ligand under de fleste fysiologiske eller eksperimentelle betingelser.

Gα -signalering

  1. Effektoren for både Gα'erne og Gαi/o- vejene er den cyklisk-adenosinmonophosphat (cAMP) -genererende enzym adenylatcyclase eller AC. Selvom der er ti forskellige AC-genprodukter i pattedyr, hver med subtile forskelle i vævsfordeling eller funktion, katalyserer alle omdannelsen af cytosolisk adenosintrifosfat (ATP) til cAMP, og alle stimuleres direkte af G-proteiner af G αs- klassen. I modsætning hertil hæmmer interaktion med Gα -underenheder af Gαi/o -typen AC fra at generere cAMP. Således modvirker en GPCR koblet til G α'er handlingerne fra en GPCR koblet til G αi/o og omvendt. Niveauet af cytosolisk cAMP kan derefter bestemme aktiviteten af ​​forskellige ionkanaler såvel som medlemmer af den ser/thr-specifikke proteinkinase A (PKA) familie. Således betragtes cAMP som en anden messenger og PKA som en sekundær effektor .
  2. Effektoren af ​​G αq/11- vejen er phospholipase C-β (PLCβ), som katalyserer spaltningen af ​​membranbundet phosphatidylinositol 4,5-bisphosphat (PIP2) til det andet budbringers inositol (1,4,5) trisphosphat (IP3 ) og diacylglycerol (DAG). IP3 virker på IP3 -receptorer, der findes i membranen i det endoplasmatiske retikulum (ER) for at fremkalde Ca 2+ frigivelse fra ER, mens DAG diffunderer langs plasmamembranen, hvor det kan aktivere alle membranlokaliserede former for en anden ser/thr kinase kaldet protein kinase C (PKC). Da mange isoformer af PKC også aktiveres ved stigninger i intracellulær Ca 2+ , kan begge disse veje også konvergere på hinanden for at signalere gennem den samme sekundære effektor. Forhøjet intracellulært Ca 2+ binder og aktiverer også allosterisk proteiner kaldet calmoduliner , hvilket igen tosolic lille GTPase , Rho . Når den er bundet til GTP, kan Rho derefter fortsætte med at aktivere forskellige proteiner, der er ansvarlige for cytoskeletregulering , såsom Rho-kinase (ROCK). De fleste GPCR'er, der kobler til G α12/13 , kobler også til andre underklasser, ofte G αq/11 .

Gβγ -signalering

Beskrivelserne ovenfor ignorere virkningerne af Gpy -signalling, som også kan være vigtig, især i tilfælde af aktiverede G ai / o koblede GPCR'er. De primære effektorer af Gβγ er forskellige ionkanaler, såsom G-proteinregulerede indadrettede K + -kanaler (GIRK'er), P / Q- og N-type spændingsstyrede Ca 2+ -kanaler samt nogle isoformer af AC og PLC sammen med nogle phosphoinositid-3-kinase (PI3K) isoformer.

G-protein-uafhængig signalering

Selvom de klassisk tænkes kun at arbejde sammen, kan GPCR'er signalere via G-protein-uafhængige mekanismer, og heterotrimeriske G-proteiner kan spille funktionelle roller uafhængigt af GPCR'er. GPCR'er kan signalere uafhængigt gennem mange proteiner, der allerede er nævnt for deres roller i G-proteinafhængig signalering, såsom β-arrs , GRK'er og Srcs . Sådan signalering har vist sig at være fysiologisk relevant, for eksempel var β-arrestinsignalering medieret af kemokinreceptoren CXCR3 nødvendig for fuld effekt kemotaksi af aktiverede T-celler. Yderligere kan yderligere stilladsproteiner involveret i subcellulær lokalisering af GPCR'er (f.eks. PDZ -domæneholdige proteiner) også fungere som signaltransducere. Oftest er effektoren medlem af MAPK -familien.

Eksempler

I slutningen af ​​1990'erne begyndte der at akkumulere beviser for, at nogle GPCR'er er i stand til at signalere uden G -proteiner. Den ERK2 mitogenaktiverede proteinkinase, en nøgle signaltransduktion mediator nedstrøms for receptoraktivering i mange veje, er blevet vist at blive aktiveret som respons på cAMP-medieret receptoraktivering i slimsvampen D. discoideum på trods af fraværet af den tilhørende G-protein a- og β-underenheder.

I pattedyrsceller har den meget undersøgte β 2- adrenoceptor vist sig at aktivere ERK2-vejen efter arrestin-medieret afkobling af G-protein-medieret signalering. Derfor forekommer det sandsynligt, at nogle mekanismer, der tidligere blev antaget relateret udelukkende til receptors desensibilisering, faktisk er eksempler på, at receptorer skifter deres signalvej frem for blot at blive slukket.

I nyreceller har bradykininreceptor B2 vist sig at interagere direkte med et proteintyrosinphosphatase. Tilstedeværelsen af ​​en tyrosin-phosphoryleret ITIM (immunoreceptortyrosin-baseret hæmmende motiv) sekvens i B2-receptoren er nødvendig for at formidle denne interaktion og efterfølgende bradykinins antiproliferative virkning.

GPCR-uafhængig signalering ved heterotrimeriske G-proteiner

Selvom det er et relativt umodent forskningsområde, ser det ud til, at heterotrimeriske G-proteiner også kan deltage i ikke-GPCR-signalering. Der er beviser for roller som signaltransducere i næsten alle andre former for receptormedieret signalering, herunder integriner , receptortyrosinkinaser (RTK'er), cytokinreceptorer ( JAK/STAT'er ) samt modulering af forskellige andre "tilbehør" proteiner som f.eks. GEF'er , guanin-nukleotiddissociationshæmmere (GDI'er) og proteinphosphataser . Der kan endda være specifikke proteiner af disse klasser, hvis primære funktion er som en del af GPCR-uafhængige veje, betegnet aktivatorer af G-proteinsignalering (AGS). Både allestedsnærværende af disse interaktioner og betydningen af ​​Gα vs Gβγ -underenheder for disse processer er stadig uklare.

Detaljer om cAMP- og PIP2 -veje

Aktiveringseffekter af cAMP på proteinkinase A
Effekten af ​​Rs og Gs i cAMP -signalvejen
Effekten af ​​Ri og Gi i cAMP -signalvejen

Der er to primære signaltransduktionsveje, der involverer de G-proteinbundne receptorer : cAMP -signalvejen og phosphatidylinositolsignalvejen .

cAMP signalvej

CAMP -signaltransduktion indeholder 5 hovedpersoner: stimulerende hormonreceptor (R) eller inhiberende hormonreceptor (Ri); stimulerende regulativt G-protein (Gs) eller hæmmende regulerende G-protein (Gi); adenylylcyclase ; proteinkinase A (PKA); og cAMP phosphodiesterase .

Stimulerende hormonreceptor (Rs) er en receptor, der kan binde med stimulerende signalmolekyler, mens inhiberende hormonreceptor (Ri) er en receptor, der kan binde med hæmmende signalmolekyler.

Stimulerende regulativt G-protein er et G-protein, der er knyttet til stimulerende hormonreceptor (Rs), og dets a-underenhed ved aktivering kan stimulere aktiviteten af ​​et enzym eller anden intracellulær metabolisme. Tværtimod er hæmmende regulativt G-protein knyttet til en hæmmende hormonreceptor, og dets a-underenhed ved aktivering kan hæmme aktiviteten af ​​et enzym eller anden intracellulær metabolisme.

Adenylylcyclase er et 12-transmembrant glycoprotein, der katalyserer ATP til dannelse af cAMP ved hjælp af cofactor Mg 2+ eller Mn 2+ . Den producerede cAMP er en anden messenger i cellulær metabolisme og er en allosterisk aktivator af proteinkinase A.

Proteinkinase A er et vigtigt enzym i cellemetabolisme på grund af dets evne til at regulere cellemetabolisme ved at fosforylere specifikke engagerede enzymer i metabolisk vej. Det kan også regulere specifik genekspression, cellulær sekretion og membranpermeabilitet. Proteinenzymet indeholder to katalytiske underenheder og to regulatoriske underenheder. Når der ikke er nogen cAMP , er komplekset inaktivt. Når cAMP binder til de regulatoriske underenheder, ændres deres konformation, hvilket forårsager dissociation af de regulatoriske underenheder, som aktiverer proteinkinase A og tillader yderligere biologiske effekter.

Disse signaler kan derefter afsluttes med cAMP phosphodiesterase, som er et enzym, der nedbryder cAMP til 5'-AMP og inaktiverer proteinkinase A.

Phosphatidylinositol signalvej

I phosphatidylinositolsignalvejen binder det ekstracellulære signalmolekyle sig med G-proteinreceptoren (G q ) på celleoverfladen og aktiverer phospholipase C , som er placeret på plasmamembranen . De lipase hydrolyserer phosphatidylinositol 4,5-bisphosphat (PIP2) i to sekundære budbringere: inositol 1,4,5-trisphosphat (IP3) og diacylglycerol (DAG). IP3 binder sig med IP3 -receptoren i membranen i det glatte endoplasmatiske retikulum og mitokondrier for at åbne Ca 2+ kanaler. DAG hjælper med at aktivere proteinkinase C (PKC), som phosphorylerer mange andre proteiner, ændrer deres katalytiske aktiviteter, hvilket fører til cellulære reaktioner.

Virkningerne af Ca 2+ er også bemærkelsesværdige: det samarbejder med DAG om aktivering af PKC og kan aktivere CaM kinasebanen , hvor calciummoduleret protein calmodulin (CaM) binder Ca 2+ , undergår en ændring i konformation og aktiverer CaM kinase II, som har en unik evne til at øge sin bindingsaffinitet til CaM ved autofosforylering, hvilket gør CaM utilgængelig for aktivering af andre enzymer. Kinasen phosphorylerer derefter målenzymer og regulerer deres aktiviteter. De to signalveje er forbundet med Ca2 + -CaM, som også er en regulatorisk underenhed af adenylylcyclase og phosphodiesterase i cAMP -signalvejen.

Receptor regulering

GPCR'er bliver desensibiliserede, når de udsættes for deres ligand i en lang periode. Der er to anerkendte former for desensibilisering: 1) homolog desensibilisering , hvor den aktiverede GPCR er nedreguleret; og 2) heterolog desensibilisering , hvor den aktiverede GPCR forårsager nedregulering af en anden GPCR. Nøglereaktionen ved denne nedregulering er phosphorylering af det intracellulære (eller cytoplasmiske ) receptordomæne af proteinkinaser .

Fosforylering ved cAMP-afhængige proteinkinaser

Cykliske AMP-afhængige proteinkinaser ( proteinkinase A ) aktiveres af signalkæden, der kommer fra G-proteinet (der blev aktiveret af receptoren) via adenylatcyklase og cyklisk AMP (cAMP). I en feedbackmekanisme phosphorylerer disse aktiverede kinaser receptoren. Jo længere receptoren forbliver aktiv, jo flere kinaser aktiveres, og jo flere receptorer phosphoryleres. I p 2 -adrenoceptorer , denne phosphoryleringssteder resulterer i omskiftningen af koblingen fra G s klasse af G-proteinet til G i klasse. cAMP-afhængig PKA-medieret phosphorylering kan forårsage heterolog desensibilisering i andre receptorer end dem, der aktiveres.

Fosforylering af GRK'er

De G-proteinkoblede receptorkinaser (GRK'er) er proteinkinaser, der kun phosphorylerer aktive GPCR'er. G-proteinkoblede receptorkinaser (GRK'er) er nøglemodulatorer for G-proteinkoblet receptor (GPCR) signalering. De udgør en familie på syv pattedyrserin-threoninproteinkinaser, der phosphorylerer agonistbundet receptor. GRKs-medieret receptorfosforylering initierer hurtigt en alvorlig forringelse af receptorsignalering og desensibilisering. Aktivitet af GRK'er og subcellulær målretning er tæt reguleret af interaktion med receptordomæner, G-protein-underenheder, lipider, forankringsproteiner og calciumfølsomme proteiner.

Fosforylering af receptoren kan have to konsekvenser:

  1. Translokation : Receptoren bringes sammen med den del af membranen, den er indlejret i, til cellens inderside, hvor den defosforyleres i det sure vesikulære miljø og derefter bringes tilbage. Denne mekanisme bruges til at regulere langvarig eksponering, for eksempel for et hormon, ved at lade resensibilisering følge desensibilisering. Alternativt kan receptoren undergå lysozomal nedbrydning eller forblive internaliseret, hvor det menes at deltage i initieringen af ​​signalhændelser, hvis art afhænger af den internaliserede vesikels subcellulære lokalisering.
  2. Arrestin forbinder : Det phosphorylerede receptor kan knyttes til arrestin -molekyler, der forhindrer det i at binde (og aktivering) G-proteiner i realiteten at slukke dem i en kort periode. Denne mekanisme bruges f.eks. Med rhodopsin i nethindeceller for at kompensere for udsættelse for stærkt lys. I mange tilfælde er arrestins binding til receptoren en forudsætning for translokation. For eksempelfungererbeta-arrestin bundet til β 2- adrenoreceptorer som en adapter til binding med clathrin og med beta-underenheden af ​​AP2 (clathrin-adaptermolekyler); således fungerer arrestinet her som et stillads, der samler de komponenter, der er nødvendige for clathrin -medieret endocytose af β 2 -adrenoreceptorer.

Mekanismer til GPCR -signalafslutning

Som nævnt ovenfor kan G-proteiner afslutte deres egen aktivering på grund af deres iboende GTP → BNP-hydrolysekapacitet . Men denne reaktion forløber ved en langsom hastighed (≈.02 gange / sek) og dermed det ville tage omkring 50 sekunder, før et enkelt G-protein for at deaktivere hvis andre faktorer ikke spiller ind. Faktisk er der omkring 30 isoformer af RGS -proteiner, der, når de er bundet til Gα gennem deres GAP -domæne , accelererer hydrolysehastigheden til ~ 30 gange/sek. Denne 1500-faldige stigning i hastighed gør det muligt for cellen at reagere på eksterne signaler med høj hastighed samt rumlig opløsning på grund af begrænset mængde anden messenger, der kan genereres og begrænset afstand, et G-protein kan diffundere på 0,03 sekunder. For det meste er RGS-proteinerne promiskuøse i deres evne til at aktivere G-proteiner, mens hvilken RGS er involveret i en given signalvej synes mere bestemt af vævet og GPCR involveret end noget andet. Derudover har RGS-proteiner den ekstra funktion at øge hastigheden af ​​GTP-BNP-udveksling ved GPCR'er (dvs. som en slags co-GEF), der yderligere bidrager til tidsopløsningen af ​​GPCR-signalering.

Derudover kan GPCR selv blive desensibiliseret . Dette kan forekomme som:

  1. et direkte resultat af ligand besættelse , hvor ændringen i konformation tillader rekruttering af GPCR-Regulering kinaser (GRK'er), som går på at phosphorylere forskellige serin / threonin- rester af IL-3 og C-terminale hale. Ved GRK-phosphorylering øges GPCRs affinitet for β-arrestin (β-arrestin-1/2 i de fleste væv), på hvilket tidspunkt β-arrestin kan binde og virke til både sterisk at hindre G-proteinkobling samt starte processen af receptor internalisering gennem clathrin-medieret endocytose . Fordi kun den liganderede receptor er desensibiliseret af denne mekanisme, kaldes den homolog desensibilisering
  2. affiniteten for β-arrestin kan øges på en ligand-besættelse og GRK-uafhængig måde gennem phosphorylering af forskellige ser/thr-steder (men også af IL-3 og den C-terminale hale) ved hjælp af PKC og PKA. Disse phosphoryleringer er ofte tilstrækkelige til også at forringe G-proteinkobling alene.
  3. PKC/PKA kan i stedet phosphorylere GRK'er, hvilket også kan føre til GPCR-phosphorylering og β-arrestinbinding på en erhvervsuafhængig måde. Disse to sidstnævnte mekanismer tillader desensibilisering af en GPCR på grund af andres aktiviteter eller heterolog desensibilisering . GRK'er kan også have GAP-domæner og kan derfor også bidrage til inaktivering gennem ikke - kinasemekanismer . En kombination af disse mekanismer kan også forekomme.

Når β-arrestin er bundet til en GPCR, undergår det en konformationsændring, der tillader det at fungere som et stilladsprotein for et adapterkompleks betegnet AP-2 , som igen rekrutterer et andet protein kaldet clathrin . Hvis nok receptorer i lokalområdet rekrutterer clathrin på denne måde, aggregerer de og membranknopperne indad som et resultat af interaktioner mellem clathrinmolekylerne i en proces kaldet opsonisering . Når graven er blevet klemt af plasmamembranen på grund af handlingerne fra to andre proteiner kaldet amfifysin og dynamin , er den nu en endocytisk vesikel . På dette tidspunkt har de adaptor-molekyler og clathrin dissocieret , og receptoren er enten trafikerede tilbage til plasmamembranen eller målrettes til lysosomer for nedbrydning .

På ethvert tidspunkt i denne proces kan β-arrestinerne også rekruttere andre proteiner-såsom non-receptor tyrosinkinase (nRTK), c-SRC- som kan aktivere ERK1/2 eller anden mitogenaktiveret proteinkinase (MAPK) signalering gennem f.eks. fosforylering af den lille GTPase , Ras , eller rekruttere proteiner fra ERK-kaskaden direkte (dvs. Raf-1 , MEK , ERK-1/2), hvor signalering initieres på grund af deres nærhed til hinanden. Et andet mål for c-SRC er dynaminmolekylerne involveret i endocytose. Dynaminer polymeriserer omkring halsen på en indkommende vesikel, og deres fosforylering ved c-SRC giver den nødvendige energi til konformationsændringen, så den endelige "klemning af" fra membranen.

GPCR cellulær regulering

Receptor desensibilisering medieres gennem en kombination af phosphorylering, β-arr-binding og endocytose som beskrevet ovenfor. Nedregulering opstår, når endocytoseret receptor er indlejret i et endosom, der er handlet for at fusionere med en organel kaldet et lysosom. Fordi lysosommembraner er rige på protonpumper, har deres indre et lavt pH (≈4.8 vs. pH≈7.2 -cytosol), hvilket virker til at denaturere GPCR'erne. Derudover indeholder lysosomer mange nedbrydende enzymer , herunder proteaser, som kun kan fungere ved så lavt pH, og derfor kan peptidbindinger, der forbinder resterne af GPCR sammen, spaltes. Hvorvidt en given receptor er handlet til et lysosom, tilbageholdt i endosomer eller transporteret tilbage til plasmamembranen, afhænger af en række faktorer, herunder receptortype og signalets størrelse. GPCR -regulering medieres yderligere af gentranskriptionsfaktorer. Disse faktorer kan øge eller reducere gentranskription og dermed øge eller formindske dannelsen af ​​nye receptorer (op- eller nedregulering), der rejser til cellemembranen.

Receptor oligomerisering

G-proteinkoblet receptoroligomerisering er et udbredt fænomen. Et af de bedst studerede eksempler er den metabotropiske GABA B- receptor . Denne såkaldte konstitutive receptor dannes ved heterodimerisering af GABA B R1 og GABA B R2 underenheder. Ekspression af GABA B R1 uden GABA B R2 i heterologe systemer fører til fastholdelse af underenheden i det endoplasmatiske retikulum . Ekspression af GABA B R2 -underenheden alene fører i mellemtiden til overfladeekspression af underenheden, skønt uden funktionel aktivitet (dvs. receptoren binder ikke agonist og kan ikke starte et respons efter eksponering for agonist). Ekspression af de to underenheder tilsammen fører til plasmamembranekspression af funktionel receptor. Det er blevet vist, at GABA B R2 -binding til GABA B R1 forårsager maskering af et retentionssignal fra funktionelle receptorer.

Superfamiliens oprindelse og diversificering

Signaltransduktion medieret af superfamilien til GPCR’er går tilbage til multicellularitetens oprindelse. Pattedyrlignende GPCR findes i svampe og er blevet klassificeret i henhold til GRAFS klassifikationssystemet baseret på GPCR fingeraftryk. Identifikation af superfamiliens medlemmer på tværs af det eukaryote domæne og sammenligning af de familiespecifikke motiver har vist, at superfamilien til GPCR'er har en fælles oprindelse. Karakteristiske motiver indikerer, at tre af de fem GRAFS -familier, Rhodopsin , Adhesion og Frizzled , udviklede sig fra Dictyostelium discoideum cAMP -receptorer før opdelingen af ​​Opisthokonts. Senere udviklede Secretin -familien sig fra Adhesion GPCR -receptorfamilien før spaltningen af nematoder . Insekt -GPCR'er ser ud til at være i deres egen gruppe, og Taste2 identificeres som nedstigende fra Rhodopsin . Bemærk, at secretin / Vedhæftning split er baseret på et formodet funktion i stedet signatur, som den klassiske klasse B (7tm_2, Pfam PF00002 ) anvendes til at identificere både i undersøgelserne.

Se også

Referencer

Yderligere læsning

eksterne links