Άνοιγμα κυρίου μενού
Η δομή των επτά διαμεμβρανικών α-ελίκων ενός υποδοχέα συζευγμένου με πρωτεΐνη G 

Οι υποδοχείς συζευγμένοι με πρωτεΐνη G (αγγλικά: G protein–coupled receptors: GPCRs), επίσης γνωστοί ως υποδοχείς µε 7 διαµεµβρανικές περιοχές (7TM υποδοχείς), αποτελούν μια μεγάλη πρωτεϊνική οικογένεια υποδοχέων που ανιχνεύουν μόρια εξωτερικά του κυττάρου, ενεργοποιούν ενδοκυτταρικά σηματοδοτικά μονοπάτια και, τελικά, κυτταρικές αποκρίσεις. Ονομάζονται και υποδοχείς µε 7 διαµεµβρανικές περιοχές (7TM), επειδή διαπερνούν την κυτταρική μεμβράνη επτά φορές.[1]

Οι υποδοχείς συζευγμένοι με πρωτεΐνη G βρίσκονται μόνο σε ευκαρυωτικά κύτταρα, συμπεριλαμβανομένης της μαγιάς, του μαστιγοφόρου πρώτιστου του είδους των choanoflagellates,[2] και των ζώων. Οι προσδέτες που δεσμεύονται και ενεργοποιούν αυτούς τους υποδοχείς περιλαμβάνουν φωτοευαίσθητες ενώσεις, οσμές, φερομόνες, ορμόνες και νευροδιαβιβαστές και ποικίλουν σε μέγεθος από μικρά μόρια έως πεπτίδια και μεγάλες πρωτεΐνες. Οι GPCRs εμπλέκονται σε πολλές ασθένειες, και είναι επίσης ο στόχος του 34% περίπου όλων των σύγχρονων φαρμάκων.[3][4][5]

Υπάρχουν δύο κύρια μονοπάτια μεταγωγής σήματος στα οποία εμπλέκονται οι υποδοχείς συζευγμένοι με πρωτεΐνες G:

Όταν ένας προσδέτης συνδέεται με τον GPCR προκαλεί μία αλλαγή στην διαμόρφωση αυτού, η οποία επιτρέπει στον υποδοχέα να ενεργήσει ως παράγοντας ανταλλαγής νουκλεοτιδίων γουανίνης (GEF). Ο GPCR μπορεί στη συνέχεια να ενεργοποιήσει μια ενωμένη με αυτόν πρωτεΐνη G, με την ανταλλαγή του GDP που είναι συνδεδεμένο στην G πρωτεΐνη για GTP. Η α-υπομονάδα της G πρωτεΐνης, μαζί με το δεσμευμένο GTP, μπορεί έπειτα να απομακρυνθεί από τις β- και γ- υπομονάδες και να επηρεάσει περαιτέρω ενδοκυτταρικές σηματοδοτικές πρωτεΐνες ή να στοχοποιήσει λειτουργικές πρωτεΐνες, γεγονός που εξαρτάται άμεσα από τον υπότυπο της α- υπομονάδας (Gαs, Gαi/o, Gαq/11, Gα12/13).[7]

Σχέσεις δομής-λειτουργίαςΕπεξεργασία

 
Δισδιάστατη απεικόνιση ενός GPCR σε μια λιπιδική σχεδία.

Όσον αφορά τη δομή, οι υποδοχείς συζευγμένοι με πρωτεΐνη G χαρακτηρίζονται από ένα εξωκυτταρικό αμινοτελικό άκρο που ακολουθείται από επτά διαμεμβρανικές (7-TM) α-έλικες (TM-1 έως TM-7) που συνδέονται με τρεις ενδοκυτταρικούς (IL-1 έως IL-3) και τρεις εξωκυτταρικούς βρόχους (EL-1 έως EL-3) και, τέλος, ένα ενδοκυτταρικό καρβοξυτελικό άκρο. Ο GPCR οργανώνεται σε μια τριτοταγή δομή που μοιάζει με βαρέλι, με τις επτά διαμεμβρανικές έλικες να σχηματίζουν μια κοιλότητα μέσα στην μεμβράνη που λειτουργεί ως περιοχή σύνδεσης του προσδέτη και συχνά καλύπτεται από τον EL-2 βρόχο. Οι προσδέτες μπορεί, ωστόσο, να δεσμεύονται αλλού, όπως συμβαίνει στην περίπτωση μεγαλύτερων προσδετών (π. χ., πρωτεΐνες ή μεγάλα πεπτίδια) οι οποίοι αλληλεπιδρούν με τους εξωκυτταρικούς βρόχους ή, όπως συμβαίνει με την κατηγορία Γ των μεταβοτροπικών υποδοχέων του γλουταμινικού (mGluRs), με την αμινοτελική ουρά. Η κατηγορία Γ των GPCRs χαρακτηρίζεται από τη μεγάλη αμινοτελική ουρά τους, η οποία περιέχει επίσης μια περιοχή σύνδεσης του προσδέτη. Με την σύνδεση του γλουταμινικού σε έναν mGluR, η αμινο-τελική ουρά υφίσταται μια αλλαγή στην διαμόρφωση που οδηγεί στην αλληλεπίδρασή της με τα κατάλοιπα των εξωκυτταρικών βρόχων και των διαμεμβρανικών περιοχών. Το τελικό αποτέλεσμα και των τριών τύπων της αγωνιστικά επαγόμενης ενεργοποίησης, είναι μια αλλαγή στο σχετικό προσανατολισμό των διαμεμβρανικών ελίκων (παρομοιάζει μια περιστροφική κίνηση), η οποία οδηγεί σε μία μεγαλύτερη ενδοκυτταρική επιφάνεια και σε αποκάλυψη καταλοίπων των ενδοκυτταρικών ελίκων και διαμεμβρανικών περιοχών που είναι κρίσιμα για τη λειτουργία μεταγωγής σήματος. Αντίστροφοι αγωνιστές και ανταγωνιστές μπορεί επίσης να συνδεθούν σε έναν αριθμό από διαφορετικές θέσεις, αλλά το τελικό αποτέλεσμα πρέπει να είναι η αναστολή αυτής της αλλαγής του προσανατολισμού των διαμεμβρανικών ελίκων.

ΜηχανισμόςΕπεξεργασία

 
Κρυσταλλική δομή ενός ενεργού β2 αδρενεργικού υποδοχέα σε σύμπλεγμα με την Gs. Ο υποδοχέας είναι χρωματισμένος κόκκινος, η Gα πράσινη, η Gβ κυανή και η Gγ κίτρινη. Το καρβοξυ-τελικό άκρο της Gα βρίσκεται σε μια κοιλότητα που δημιουργείται από την κίνηση προς τα έξω των κυτταροπλασματικών τμημάτων των διαμεμβρανικών ελίκων ΤΜ5 και 6.
 
Σχηματική απεικόνιση του κύκλου ενεργοποίησης - απενεργοποίησης της ετεροτριμερούς G-πρωτεΐνης στο πλαίσιο της σηματοδότησης των GPCRs

Ο υποδοχέας συζευγμένος με πρωτεΐνη G ενεργοποιείται από ένα εξωτερικό σήμα με τη μορφή ενός προσδέτη ή άλλου σηματοδοτικού διαμεσολαβητή. Αυτό οδηγεί σε μία μεταβολή στην διαμόρφωση του υποδοχέα, προκαλώντας την ενεργοποίηση της πρωτεΐνης G. Η περαιτέρω δράση εξαρτάται από τον τύπο της G πρωτεΐνης. Οι G πρωτεΐνες στη συνέχεια απενεργοποιούνται από πρωτεΐνες ενεργοποίησης της δράσης GTPάσης, γνωστές ως ρυθμιστές της σηματοδότησης των G πρωτεϊνών: RGS.

Αλλαγή της διαμόρφωσηςΕπεξεργασία

Η μεταγωγή του σήματος μέσα από τη μεμβράνη από το υποδοχέα δεν είναι πλήρως κατανοητή. Είναι, ωστόσο, γνωστό ότι στην ανενεργή κατάσταση ο GPCR είναι συνδεδεμένος σε μια ετεροτριμερή G πρωτεΐνη. Η σύνδεση ενός αγωνιστή στον GPCR έχει ως αποτέλεσμα μία μεταβολή στην διαμόρφωση του υποδοχέα που μεταδίδεται στην συνδεδεμένη Gα υπομονάδα της ετεροτριμερούς G πρωτεΐνης. Η ενεργοποιημένη Gα υπομονάδα ανταλλάσσει GTP στη θέση του GDP, το οποίο με τη σειρά του προκαλεί την αποσύνδεση της Gα υπομονάδας από το Gβγ διμερές και από τον υποδοχέα. Οι χωρισμένες Gα και Gβγ υπομονάδες αλληλεπιδρούν με άλλες ενδοκυτταρικές πρωτεΐνες ώστε να συνεχιστεί ο καταρράκτης της μεταγωγής του σήματος, ενώ ο ελεύθερος GPCR είναι σε θέση να συνδεθεί ξανά με μια άλλη ετεροτριμερή G πρωτεΐνη και να σχηματίσει ένα νέο σύμπλεγμα που είναι έτοιμο να ξεκινήσει ένα νέο γύρο μεταγωγής σήματος.[8]

Κύκλος ενεργοποίησης/απενεργοποίησης της G πρωτεΐνηςΕπεξεργασία

Όταν ο υποδοχέας είναι ανενεργός, η περιοχή του παράγοντα ανταλλαγής νουκλεοτιδίων γουανίνης (GEF) μπορεί επίσης να δεσμεύεται σε μία ανενεργή α-υπομονάδα μιας ετεροτριμερούς G-πρωτεΐνης. Αυτές οι "G-πρωτεΐνες" είναι ένα τριμερές α, β και γ υπομονάδων (γνωστές ως Gα, Gβ και Gγ αντίστοιχα). Κατόπιν ενεργοποίησης του υποδοχέα, η περιοχή GEF ενεργοποιεί αλλοστερικά την G-πρωτεΐνη, διευκολύνοντας την ανταλλαγή ενός μορίου GDP με ένα μόριο GTP στην α-υπομονάδα της G-πρωτεΐνης. Το κύτταρο διατηρεί μια αναλογία 10:1 κυτταροπλασματικών GTP:GDP, οπότε η ανταλλαγή με GTP είναι εξασφαλισμένη. Σε αυτό το σημείο, οι υπομονάδες των G-πρωτεϊνών διαχωρίζονται από τον υποδοχέα, καθώς και μεταξύ τους, προς ένα Gα-GTP μονομερές και ένα στενά συνδεδεμένο Gβγ διμερές, τα οποία είναι πλέον ελεύθερα να ρυθμίσουν τη δραστηριότητα άλλων ενδοκυτταρικών πρωτεϊνών. Ο βαθμός στον οποίο μπορούν να διαχυθούν, ωστόσο, περιορίζεται λόγω παλμιτουλίωσης της Gα και παρουσίας ενός ισοπρενοειδούς τμήματος που έχει ομοιοπολικά συνδεθεί στο καρβοξυ-τελικό άκρο της Gγ.

Επειδή η Gα εμφανίζει, επιπλέον, αργή ικανότητα υδρόλυσης του GTP προς GDP, η ανενεργή μορφή της α-υπομονάδας (Gα-GDP) τελικά αναγεννάται επιτρέποντας έτσι την επανασύνδεση με το Gβγ διμερές ώστε να σχηματιστεί η ανενεργή G-πρωτεΐνη, η οποία μπορεί και πάλι να ενωθεί σε έναν GPCR και να "περιμένει" την ενεργοποίησή της. Ο ρυθμός υδρόλυσης του GTP συχνά επιταχύνεται λόγω της δράσης μιας άλλης οικογένειας πρωτεϊνών, των RGS, που είναι τύπος πρωτεΐνης ενεργοποίησης της δράσης GTPάσης (GAP). Στην πραγματικότητα, πολλές από τις κύριες πρωτεΐνες τελεστές (π. χ. αδενυλικές κυκλάσες) που ενεργοποιούνται/απενεργοποιούνται κατά την αλληλεπίδραση με την Gα-GTP, έχουν επίσης δραστηριότητα GAP. Έτσι, ακόμη και σε αυτό το πρώιμο στάδιο της διαδικασίας, η σηματοδότηση με GPCR έχει την ικανότητα αυτο-τερματισμού.

ΠαραπομπέςΕπεξεργασία

  1. «Action of molecular switches in GPCRs—theoretical and experimental studies». Current Medicinal Chemistry 19 (8): 1090–109. 2012. doi:10.2174/092986712799320556. PMID 22300046. 
  2. «Evolution of key cell signaling and adhesion protein families predates animal origins». Science 301 (5631): 361–3. July 2003. doi:10.1126/science.1083853. PMID 12869759. 
  3. «It's a GPCR world». Modern Drug Discovery (American Chemical Society) 2004 (November): 24–28. 2004. http://pubs.acs.org/subscribe/journals/mdd/v07/i11/html/1104feature_filmore.html. 
  4. «How many drug targets are there?». Nature Reviews. Drug Discovery 5 (12): 993–6. December 2006. doi:10.1038/nrd2199. PMID 17139284. 
  5. Hauser, Alexander S.; Attwood, Misty M.; Rask-Andersen, Mathias; Schiöth, Helgi B.; Gloriam, David E. (October 2017). «Trends in GPCR drug discovery: new agents, targets and indications». Nature Reviews Drug Discovery. doi:10.1038/nrd.2017.178. PMID 29075003. https://www.nature.com/nrd/journal/vaop/ncurrent/full/nrd.2017.178.html. Ανακτήθηκε στις 7 November 2017. 
  6. «G proteins: transducers of receptor-generated signals». Annual Review of Biochemistry 56 (1): 615–49. 1987. doi:10.1146/annurev.bi.56.070187.003151. PMID 3113327. 
  7. «Mammalian G proteins and their cell type specific functions». Physiological Reviews 85 (4): 1159–204. October 2005. doi:10.1152/physrev.00003.2005. PMID 16183910. 
  8. «Some G protein heterotrimers physically dissociate in living cells». Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 103 (47): 17789–94. November 2006. doi:10.1073/pnas.0607116103. PMID 17095603.