GPCR

GPCR (ang. G protein coupled receptors) - receptory sprzężone z białkami G

Receptory sprzężone z białkami G (GPCR’s – ang. G protein coupled receptors) stanowią najliczniejszą i bardzo zróżnicowaną grupę białek błonowych odpowiedzialnych za przekazywanie sygnałów przez dwuwarstwę lipidową do miejsc efektorowych znajdujących się we wnętrzu komórki [1]. Sekwencjonowanie ludzkiego genomu ujawniło występowanie ok. 800 różnych typów receptorów należących do rodziny GPCR (geny kodujące receptory GPCR stanowią powyżej 3% ludzkiego genomu), a ponad połowa z nich wykazuje potencjalne znaczenie dla przemysłu farmaceutycznego [2, 3].

Analiza porównawcza sekwencji receptorów GPCR oraz badania funkcji poszczególnych typów receptorów doprowadziły do podziału tej rodziny białek na klasy, które oznaczono literami od A do F [4, 5]. Pierwsza, najliczniejsza klasa A (nazywana również klasą podobnych do rodopsyny – ang. rhodopsin like), obejmująca ponad 80% wszystkich GPCR, to klasa receptorów rodopsyno-podobnych. Receptory wchodzące w skład tej grupy są jednymi z najlepiej zbadanych. Zaliczamy do nich, obok rodopsyny, między innymi: receptory adrenergiczne, opioidowe, adenozynowe, kanabinoidowe, receptory chemokin, dopaminowe i histaminowe. Klasę B stanowią receptory sekretyno-podobne. Do klasy C zaliczamy receptory glutaminergiczne i feromonowe. Kolejne klasy D i E tworzą odpowiednio receptory feromonów grzybów oraz receptory cAMP. Ostatnia klasa F to receptory frizzled/smoothened. Klasyfikacja ta pokrywa się w większości z nową klasyfikacją GRAFS [6], opartą na badaniach filogenetycznych. Nazwa GRAFS pochodzi od pierwszych liter wyodrębnionych rodzin receptorów, do których należą odpowiednio: receptory Glutaminergiczne, Rodopsyno-podobne, Adhezyjne, Frizzled i smakowe oraz Sekretyno-podobne.

Receptory sprzężone z białkami G uczestniczą w kaskadach sygnalizacyjnych pośrednicząc w przekazywaniu informacji przez liczne zewnątrzkomórkowe cząsteczki sygnałowe: hormony, przekaźniki neuronalne, małe białka, krótkie łańcuchy peptydowe, aminy, lipidy, nukleotydy czy pochodne aminokwasów i kwasów tłuszczowych [3, 7]. Dla każdej z wymienionych substancji istnieje receptor, bądź też grupa receptorów mogąca wiązać daną cząsteczkę, inicjującą jednocześnie przekazanie sygnału przez błonę komórkową. Receptory GPCR odgrywają kluczową rolę w wielu procesach fizjologicznych regulujących prace komórki, jej metabolizm, wzrost i obronę immunologiczną. Receptory sprzężone z białkami G pełnią ponadto bardzo różnorodne funkcje w organizmie człowieka. Zaliczamy do nich między innymi: rodopsynę [8, 9], białko fotoreceptorowe aktywowane przez światło, uczestniczące w procesie widzenia, receptory adrenergiczne [10-12] wywierające wpływ na ciśnienie tętnicze, receptory opioidowe [13, 14] modulujące poziom odczuwanego bólu, receptory muskarynowe kontrolujące pracę mięsni gładkich, a także receptory smakowe oraz węchowe.

Niezależnie od pełnionych funkcji oraz różnic w długości łańcucha białkowego receptory GPCR posiadają wspólne cechy strukturalne. Wszystkie zbudowane są z pojedynczego łańcucha polipeptydowego siedmiokrotnie przechodzącego przez dwuwarstwę lipidową (Rys. 1). Domenę transbłonową wszystkich receptorów GPCR tworzy siedem hydrofobowych a�helis (TMH:I do TMH:VII) połączonych pętlami, trzy pętle na zewnątrz komórki (EL:I do EL:III) oraz trzy wewnątrz komórki (IL:I do IL:III)). Koniec karboksylowy (C-koniec) znajduje się zawsze po stronie cytozolowej błony i zawiera miejsca fosforylacji przez odpowiednie kinazy GRK (G protein coupled Receptor Kinase). Mający wolną grupę aminową koniec łańcucha białkowego (N-koniec) położony jest zawsze na zewnątrz komórki i zwykle zawiera miejsca glikozylacji. Na znajdującej się po obu stronach błony komórkowej powierzchni receptora, występują liczne aminokwasy o charakterze hydrofilowym, natomiast w obszarze błony przeważają aminokwasy o właściwościach hydrofobowych co powoduje silne zakotwiczenie białka w błonie lipidowej. Obecne pomiędzy helisami liczne wiązania wodorowe dodatkowo stabilizują strukturę receptorów GPCR.

Receptory sprzężone z białkami G wykazują duże podobieństwo sekwencyjne i strukturalne w rejonie transbłonowym [11, 16-20], natomiast długość łańcucha białkowego w obszarze N- jak i C-końca oraz pętli łączących helisy podlega dużemu zróżnicowaniu [21]. Znikome podobieństwo sekwencyjne tych fragmentów pozwala również przypuszczać, iż posiadają one odmienną strukturę przestrzenną, szczególnie w części zewnątrzkomórkowej (która wiąże odmienne ligandy), podczas gdy są one zadziwiająco podobne pod względem długości pętli w części cytoplazmatycznej (która służy do wiązania trimeru białka G).

Miejsce wiązania ligandów receptorów rodziny A zlokalizowane jest przeważnie we wnęce tworzonej przez siedem a-helis, jak ma to miejsce w przypadku receptora b2 adrenergicznego [10] czy rodopsyny [8]. Bezpośrednie otocznie miejsca aktywnego stanowią aminokwasy pochodzące z helis transmembranowych TMH:I, TMH:III, ,TMH:V, TMH:VI, oraz TMH:VII. W niektórych typach receptorów GPCR ligandy wiążą się również do dużej domeny tworzonej przez długi N-koniec receptora (receptory feromonów, receptory GABAB), [22, 23] jak i do aminokwasów zlokalizowanych w pętlach i w obszarze transmembranowym białka receptorowego (receptory neuropeptydowe) [1, 7, 24, 25].

Poznane dotychczas struktury krystaliczne receptorów GPCR (struktury rodopsyny nieaktywnej [8], struktura rodopsyny częściowo aktywnej [26], struktury opsyny [16], struktura receptora A2A adenozynowego [18], struktury receptora b1 adrenergicznego [11] oraz receptora b2 adrenergicznego [10]) stanowią receptory należące do klasy A, rodopsyno-podobnych. Pomimo faktu, iż podobieństwo sekwencyjne nie jest duże dla różnych typów receptorów klasy A (20-30% dla całej długości łańcucha białkowego), prezentowane struktury wykazują wysoką zbieżność w obszarze transbłonowym (po wzajemnym nałożeniu części łańcucha białkowego, wspólnego dla obszaru transmembranowego receptora b2 adrenergicznego oraz rodopsyny, średnie odchylenie kwadratowe położenia współrzędnych atomów białka (RMSD) nie przekracza 3.2 Å). Wysokie podobieństwo strukturalne tego obszaru sugeruje, że proces przeniesienia sygnału przez błonę komórkową inicjowany aktywacją receptora może posiadać wspólny mechanizm dla większości przedstawicieli tej rodziny