stringtranslate.com

G бета-гамма комплекс

Этот гетеротримерный G-белок проиллюстрирован с его теоретическими липидными якорями. GDP показан черным. Альфа-цепь показана желтым. Бета-гамма-комплекс показан синим. Мембрана показана серым.

G бета-гамма комплекс (G βγ ) представляет собой прочно связанный димерный белковый комплекс, состоящий из одной G β и одной G γ субъединицы, и является компонентом гетеротримерных G белков . Гетеротримерные G белки, также называемые гуаниннуклеотидсвязывающими белками, состоят из трех субъединиц, называемых альфа , бета и гамма субъединицами , или G α , G β и G γ . Когда G белок-связанный рецептор (GPCR) активируется, G α диссоциирует от G βγ , позволяя обеим субъединицам выполнять свои соответствующие нисходящие сигнальные эффекты. Одной из основных функций G βγ является ингибирование G α субъединицы. [1]

История

Отдельные субъединицы комплекса белка G были впервые идентифицированы в 1980 году, когда регуляторный компонент аденилатциклазы был успешно очищен, что дало три полипептида с разной молекулярной массой. [2] Первоначально считалось, что G α , самая большая субъединица, является основной эффекторной регуляторной субъединицей, и что G βγ в значительной степени отвечает за инактивацию субъединицы G α и усиление связывания с мембраной. [1] Однако позже были обнаружены нисходящие сигнальные эффекты G βγ , когда было обнаружено, что очищенный комплекс G βγ активирует сердечный мускариновый канал K+ . [3] Вскоре после этого было обнаружено, что комплекс G βγ , связанный с рецептором фактора спаривания, сопряженным с G-белком в дрожжах, инициирует реакцию феромона . [4] Хотя эти гипотезы изначально были спорными, с тех пор было показано, что G βγ напрямую регулирует столько же различных белковых мишеней, сколько и субъединица G α . [1]

Недавно были исследованы возможные роли комплекса G βγ в палочковых фоторецепторах сетчатки , и получены некоторые доказательства поддержания инактивации G α . Однако эти выводы были сделаны на основе экспериментов in vitro в нефизиологических условиях, и физиологическая роль комплекса G βγ в зрении до сих пор неясна. Тем не менее, недавние результаты исследований in vivo демонстрируют необходимость комплекса трансдуцина G βγ в функционировании палочковых фоторецепторов в условиях низкой освещенности. [5]

Структура

Субъединица G βγ представляет собой димер, состоящий из двух полипептидов, однако функционально она действует как мономер, поскольку отдельные субъединицы не разделяются и не были обнаружены для независимого функционирования. [6]

Субъединица G β является членом семейства белков β-пропеллеров , которые обычно имеют 4-8 антипараллельных β-слоев, расположенных в форме пропеллера. [7] G β содержит 7-лопастной β-пропеллер, каждая лопасть расположена вокруг центральной оси и состоит из 4 антипараллельных β-слоев . [7] Аминокислотная последовательность содержит 7 мотивов повторов WD из примерно 40 аминокислот, каждый из которых высококонсервативен и содержит дипептид Trp-Asp, который дал повтору его название.

Субъединица G γ значительно меньше, чем G β , и сама по себе нестабильна, требуя взаимодействия с G β для сворачивания, что объясняет тесную ассоциацию димера. В димере G βγ субъединица G γ оборачивается вокруг внешней части G β , взаимодействуя посредством гидрофобных ассоциаций, и не проявляет третичных взаимодействий сама с собой. Спиральные домены N-конца двух субъединиц образуют спиральную спираль друг с другом, которая обычно простирается от ядра димера. [7] На сегодняшний день у млекопитающих идентифицировано 5 генов β-субъединицы и 11 γ-субъединицы. [6] Гены G β имеют очень похожие последовательности, в то время как в генах G γ наблюдается значительно большее разнообразие , что указывает на то, что функциональная специфичность димера G βγ может зависеть от типа вовлеченной субъединицы G γ . [6] Дополнительный структурный интерес представляет открытие так называемой «горячей точки», присутствующей на поверхности димера G βγ ; особого участка белка, который связывается с разнообразными пептидами и, как полагают, является фактором, способствующим способности G βγ взаимодействовать с широким спектром эффекторов. [8] [9]

Синтез и модификация

Синтез субъединиц происходит в цитозоле . Считается, что сворачивание β-субъединицы происходит при помощи шаперона CCT (шаперонин, содержащий комплексный полипептид 1 без хвоста), который также предотвращает агрегацию сложенных субъединиц. [10] Второй шаперон, PhLP (фосдуцин-подобный белок), связывается с комплексом CCT/G β и фосфорилируется, позволяя CCT диссоциировать, а G γ связываться. Наконец, PhLP высвобождается, открывая сайт связывания для G α , что позволяет сформировать конечный тример в эндоплазматическом ретикулуме , где он направляется к плазматической мембране . [11] Известно, что субъединицы G γ пренилируются (ковалентно модифицируются путем добавления липидных фрагментов) перед добавлением к G β , который сам по себе не был модифицирован. Предполагается, что это пренилирование участвует в управлении взаимодействием субъединицы как с мембранными липидами, так и с другими белками. [12]

Функция

Комплекс G βγ является важным элементом в каскаде сигнализации GPCR. Он имеет два основных состояния, для которых он выполняет различные функции. Когда G βγ взаимодействует с G α, он функционирует как отрицательный регулятор. В форме гетеротримера димер G βγ увеличивает сродство G α к GDP , что приводит к тому, что белок G находится в неактивном состоянии. [13] Чтобы субъединица G α стала активной, нуклеотидный обмен должен быть индуцирован GPCR. Исследования показали, что именно димер G βγ демонстрирует специфичность к соответствующему рецептору и что субъединица G γ фактически усиливает взаимодействие субъединицы G α с GPCR. [14] [15] GPCR активируется внеклеточным лигандом и впоследствии активирует гетеротример белка G, вызывая конформационное изменение в субъединице G α . Это приводит к замене GDP на GTP, а также к физической диссоциации комплекса G α и G βγ . [16]

После разделения G α и G βγ могут свободно участвовать в своих собственных различных сигнальных путях. G βγ не претерпевает никаких конформационных изменений, когда он диссоциирует от G α , и действует как сигнальная молекула в виде димера. [17] Было обнаружено, что димер G βγ взаимодействует со многими различными эффекторными молекулами посредством белок-белковых взаимодействий . Различные комбинации подтипов G β и G γ могут влиять на различные эффекторы и работать исключительно или синергически с субъединицей G α . [1]

Сигнализация G βγ разнообразна, ингибируя или активируя множество нисходящих событий в зависимости от ее взаимодействия с различными эффекторами. Исследователи обнаружили, что G βγ регулирует ионные каналы , такие как каналы внутреннего выпрямления, управляемые G-белком , [3] , а также кальциевые каналы . [18] [9] Было показано, что в человеческих PBMC комплекс G βγ активирует фосфорилирование ERK1/2 . [19] Другим примером сигнализации G βγ является ее эффект активации или ингибирования аденилатциклазы, приводящий к внутриклеточному увеличению или уменьшению вторичного мессенджера циклического АМФ . [20] Дополнительные примеры сигнализации G βγ см. в таблице. Однако полная степень сигнализации G βγ еще не обнаружена.

Медицинские последствия

Разработка лекарств

Субъединица G βγ играет множество ролей в процессах клеточной сигнализации, и в связи с этим исследователи сейчас изучают ее потенциал в качестве терапевтической лекарственной мишени для лечения многих заболеваний. Однако, признается, что существует ряд соображений, которые следует учитывать при разработке препарата, нацеленного на субъединицу G βγ :

  1. Субъединица G βγ необходима для формирования гетеротримерного белка G посредством ее ассоциации с субъединицей G α , что позволяет белкам G связываться с GPCR. Поэтому любой агент, ингибирующий сигнальные эффекты субъединиц G βγ , не должен мешать формированию гетеротримерного белка G или сигнальной функции субъединицы G α .
  2. Экспрессия G βγ универсальна практически во всех клетках организма, поэтому любой агент, ингибирующий эту субъединицу, может вызывать многочисленные побочные эффекты.
  3. Маломолекулярные ингибиторы, которые нацелены на связывание G βγ со специфическими эффекторами и не мешают нормальному циклу G-белка/образованию гетеротримеров, имеют потенциал для работы в качестве терапевтических агентов при лечении некоторых конкретных заболеваний. [17]

Нацеливание на Gβγсубъединица в лечении

Было проведено исследование того, как изменение действия субъединиц G βγ может быть полезным для лечения определенных медицинских состояний. Сигнализация G βγ была исследована на предмет ее роли в различных состояниях, включая сердечную недостаточность , воспаление и лейкемию . [17] [21]

Сердечная недостаточность

Сердечная недостаточность может характеризоваться потерей сигнала β-адренергического рецептора (βAR) в клетках сердца. [22] Когда βAR стимулируется катехоламинами, такими как адреналин и норадреналин , обычно наблюдается увеличение сократимости сердца. Однако при сердечной недостаточности наблюдаются устойчивые и повышенные уровни катехоламинов, что приводит к хронической десенсибилизации βAR-рецептора. Это приводит к снижению силы сердечных сокращений. Некоторые исследования предполагают, что эта хроническая десенсибилизация вызвана чрезмерной активацией киназы, киназы 2 рецептора, сопряженного с G-белком (GRK2), которая фосфорилирует и дезактивирует определенные рецепторы, сопряженные с G-белком. [23] Когда рецептор, сопряженный с G-белком, активируется, субъединица G βγ привлекает GRK2, которая затем фосфорилирует и десенсибилизирует GPCR, такие как βAR. [24] Поэтому предотвращение взаимодействия субъединицы βγ с GRK2 изучалось как потенциальная цель для повышения сократительной функции сердца. Разработанная молекула GRK2ct является ингибитором белка, который ингибирует сигнальные свойства субъединицы G βγ , но не мешает передаче сигналов субъединицы альфа. [25] Было показано, что повышенная экспрессия GRK2ct значительно спасает сердечную функцию в мышиных моделях сердечной недостаточности путем блокирования передачи сигналов субъединицы G βγ . [26] В другом исследовании биопсии были взяты у пациентов с сердечной недостаточностью и вызванной вирусом повышенной экспрессией GRK2ct в миоцитах сердца . Другие тесты показали улучшение сократительной функции сердечных клеток путем ингибирования G βγ . [27]

Воспаление

Когда определенные GPCR активируются их специфическими хемокинами, G βγ напрямую активирует PI3K γ, который участвует в привлечении нейтрофилов , способствующих воспалению. [28] [29] [30] [31] Было обнаружено, что ингибирование PI3Kγ значительно уменьшает воспаление. [28] [29] PI3Kγ является предполагаемой целевой молекулой для предотвращения воспаления, поскольку это общий сигнальный эффектор многих различных типов хемокинов и рецепторов, участвующих в продвижении воспаления. [30] [31] Хотя предполагаемой целью является PI3Kγ, существуют и другие изоформы PI3 , которые выполняют функции, отличные от PI3Kγ. Поскольку PI3Kγ специфически регулируется G βγ , в то время как другие изоформы PI3 в значительной степени регулируются другими молекулами, ингибирование сигнализации Gβγ обеспечит желаемую специфичность терапевтического агента, предназначенного для лечения воспаления. [17]

Лейкемия

Было показано, что субъединица G βγ активирует ген фактора обмена нуклеотидов гуанина Rho (RhoGef) PLEKHG2 , который активируется в ряде линий клеток лейкемии и мышиных моделях лейкемии. [32] Считается, что хемотаксис лимфоцитов в результате активации Rac и CDC42 , а также полимеризация актина регулируются активированным RhoGef G βγ . Поэтому препарат, ингибирующий G βγ, может играть роль в лечении лейкемии. [21]

Ссылки

  1. ^ abcde Clapham DE, Neer EJ (1997). "G-белок бета-гамма субъединицы". Annual Review of Pharmacology and Toxicology . 37 : 167–203. doi :10.1146/annurev.pharmtox.37.1.167. PMID  9131251.
  2. ^ Northup JK, Sternweis PC, Smigel MD, Schleifer LS, Ross EM, Gilman AG (ноябрь 1980 г.). «Очистка регуляторного компонента аденилатциклазы». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 77 (11): 6516–20. Bibcode : 1980PNAS...77.6516N. doi : 10.1073 /pnas.77.11.6516 . JSTOR  9587. PMC 350316. PMID  6935665. 
  3. ^ ab Logothetis DE, Kurachi Y, Galper J, Neer EJ, Clapham DE (1987). «Бета-гамма-субъединицы GTP-связывающих белков активируют мускариновый канал K+ в сердце». Nature . 325 (6102): 321–6. Bibcode :1987Natur.325..321L. doi :10.1038/325321a0. PMID  2433589. S2CID  4338529.
  4. ^ Whiteway M, Hougan L, Dignard D, Thomas DY, Bell L, Saari GC, Grant FJ, O'Hara P, MacKay VL (февраль 1989). "Гены STE4 и STE18 дрожжей кодируют потенциальные бета- и гамма-субъединицы G-белка, связанного с рецептором фактора спаривания". Cell . 56 (3): 467–77. doi :10.1016/0092-8674(89)90249-3. PMID  2536595. S2CID  53298578.
  5. ^ Колесников АВ, Рикимару Л, Хенниг АК, Лукасевич ПД, Флислер СДж, Говардовский ВИ, Кефалов ВДж, Киселев ОГ (июнь 2011 г.). «G-белок бетагамма-комплекс имеет решающее значение для эффективного усиления сигнала в зрении». Журнал нейронауки . 31 (22): 8067–77. doi :10.1523/JNEUROSCI.0174-11.2011. PMC 3118088. PMID  21632928 . 
  6. ^ abc Hurowitz EH, Melnyk JM, Chen YJ, Kouros-Mehr H, Simon MI, Shizuya H (апрель 2000 г.). «Геномная характеристика генов альфа, бета и гамма субъединиц гетеротримерного G-белка человека». DNA Research . 7 (2): 111–20. doi : 10.1093/dnares/7.2.111 . PMID  10819326.
  7. ^ abc Sondek J, Bohm A, Lambright DG, Hamm HE, Sigler PB (январь 1996). "Кристаллическая структура димера бета-гамма G-белка с разрешением 2,1 А". Nature . 379 (6563): 369–74. Bibcode :1996Natur.379..369S. doi :10.1038/379369a0. PMID  8552196. S2CID  4321948.
  8. ^ Scott JK, Huang SF, Gangadhar BP, Samoriski GM, Clapp P, Gross RA, Taussig R, Smrcka AV (февраль 2001 г.). «Доказательства того, что белок-белковое взаимодействие „горячая точка“ на гетеротримерных субъединицах бетагаммы G-белка используется для распознавания подкласса эффекторов». The EMBO Journal . 20 (4): 767–76. doi :10.1093/emboj/20.4.767. PMC 145424. PMID  11179221 . 
  9. ^ ab Gulati S, Jin H, Masuho I, Orban T, Cai Y, Pardon E, Martemyanov KA, Kiser PD, Stewart PL, Ford CP, Steyaert J, Palczewski K (2018). "Нацеливание сигнализации рецептора, связанного с G-белком, на уровень G-белка с помощью селективного ингибитора нанотела". Nature Communications . 9 (1): 1996. Bibcode :2018NatCo...9.1996G. doi :10.1038/s41467-018-04432-0. PMC 5959942 . PMID  29777099. 
  10. ^ Wells CA, Dingus J, Hildebrandt JD (июль 2006 г.). «Роль комплекса шаперонина CCT/TRiC в сборке бетагамма-димера G-белка». Журнал биологической химии . 281 (29): 20221–32. doi : 10.1074/jbc.M602409200 . PMID  16702223.
  11. ^ Lukov GL, Baker CM, Ludtke PJ, Hu T, Carter MD, Hackett RA, Thulin CD, Willardson BM (август 2006 г.). «Механизм сборки субъединиц бетагаммы G-белка фосфорилированным протеинкиназой CK2 фосдуцин-подобным белком и цитозольным шаперониновым комплексом». Журнал биологической химии . 281 (31): 22261–74. doi : 10.1074/jbc.M601590200 . PMID  16717095.
  12. ^ Wedegaertner PB, Wilson PT, Bourne HR (январь 1995). «Липидные модификации тримерных G-белков». Журнал биологической химии . 270 (2): 503–6. doi : 10.1074/jbc.270.2.503 . PMID  7822269.
  13. ^ Брандт DR, Росс EM (январь 1985). "Активность ГТФазы стимулирующего ГТФ-связывающего регуляторного белка аденилатциклазы, Gs. Накопление и оборот фермент-нуклеотидных интермедиатов". Журнал биологической химии . 260 (1): 266–72. doi : 10.1016/S0021-9258(18)89726-5 . PMID  2981206.
  14. ^ Im MJ, Holzhöfer A, Böttinger H, Pfeuffer T, Helmreich EJ (январь 1988). «Взаимодействие чистых бета-гамма-субъединиц G-белков с очищенным бета-1-адренорецептором». FEBS Letters . 227 (2): 225–9. doi : 10.1016/0014-5793(88)80903-7 . PMID  2828119. S2CID  84523709.
  15. ^ Киселев О., Гаутам Н. (ноябрь 1993 г.). «Специфическое взаимодействие с родопсином зависит от типа гамма-субъединицы в G-белке». Журнал биологической химии . 268 (33): 24519–22. doi : 10.1016/S0021-9258(19)74493-7 . PMID  8227005.
  16. ^ Digby GJ, Lober RM, Sethi PR, Lambert NA (ноябрь 2006 г.). «Некоторые гетеротримеры G-белка физически диссоциируют в живых клетках». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 103 (47): 17789–94. Bibcode : 2006PNAS..10317789D. doi : 10.1073/pnas.0607116103 . PMC 1693825. PMID  17095603 . 
  17. ^ abcd Lin Y, Smrcka AV (октябрь 2011 г.). «Понимание молекулярного распознавания субъединицами G-белка βγ на пути к фармакологическому нацеливанию». Молекулярная фармакология . 80 (4): 551–7. doi :10.1124/mol.111.073072. PMC 3187535. PMID  21737569 . 
  18. ^ Ikeda SR (март 1996). "Потенциал-зависимая модуляция кальциевых каналов N-типа субъединицами бета-гамма G-белка". Nature . 380 (6571): 255–8. Bibcode :1996Natur.380..255I. doi :10.1038/380255a0. PMID  8637575. S2CID  4325047.
  19. ^ Сароз, Юрий; Хо, Дэн Т.; Гласс, Мишель; Грэм, Юан Скотт; Гримси, Наташа Лиллиа (19 октября 2019 г.). «Cannabinoid Receptor 2 (CB 2 ) Signals via G-alpha-s and Induces IL-6 and IL-10 Cytokine Secretion in Human Primary Leukocytes». ACS Pharmacology & Translational Science . 2 (6): 414–428. doi : 10.1021/acsptsci.9b00049 . ISSN  2575-9108. PMC 7088898 . PMID  32259074. 
  20. ^ Tang WJ, Gilman AG (декабрь 1991 г.). «Тип-специфическая регуляция аденилатциклазы субъединицами бета-гамма G-белка». Science . 254 (5037): 1500–3. Bibcode :1991Sci...254.1500T. doi :10.1126/science.1962211. PMID  1962211.
  21. ^ ab Runne C, Chen S (ноябрь 2013 г.). «PLEKHG2 способствует гетеротримерной G-белку βγ-стимулированной миграции лимфоцитов посредством активации Rac и Cdc42 и полимеризации актина». Молекулярная и клеточная биология . 33 (21): 4294–307. doi : 10.1128 /MCB.00879-13. PMC 3811901. PMID  24001768. 
  22. ^ Brodde OE, Michel MC (декабрь 1999). «Адренергические и мускариновые рецепторы в человеческом сердце». Pharmacological Reviews . 51 (4): 651–90. PMID  10581327.
  23. ^ Hata JA, Koch WJ (август 2003 г.). «Фосфорилирование рецепторов, связанных с G-белком: киназы GPCR при сердечных заболеваниях». Molecular Interventions . 3 (5): 264–72. doi :10.1124/mi.3.5.264. PMID  14993440.
  24. ^ Pitcher JA, Inglese J, Higgins JB, Arriza JL, Casey PJ, Kim C, Benovic JL, Kwatra MM, Caron MG, Lefkowitz RJ (август 1992 г.). «Роль субъединиц бета-гамма G-белков в нацеливании киназы бета-адренергического рецептора на мембраносвязанные рецепторы». Science . 257 (5074): 1264–7. Bibcode :1992Sci...257.1264P. doi :10.1126/science.1325672. PMID  1325672.
  25. ^ Koch WJ, Hawes BE, Inglese J, Luttrell LM, Lefkowitz RJ (февраль 1994). «Клеточная экспрессия карбоксильного конца рецепторной киназы, связанной с G-белком, ослабляет сигнализацию, опосредованную G бета-гамма». Журнал биологической химии . 269 (8): 6193–7. doi : 10.1016/S0021-9258(17)37587-7 . PMID  8119963.
  26. ^ Rockman HA, Chien KR, Choi DJ, Iaccarino G, Hunter JJ, Ross J, Lefkowitz RJ, Koch WJ (июнь 1998 г.). «Экспрессия ингибитора киназы бета-адренергического рецептора 1 предотвращает развитие миокардиальной недостаточности у мышей с генной направленностью». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 95 (12): 7000–5. Bibcode : 1998PNAS...95.7000R. doi : 10.1073/pnas.95.12.7000 . PMC 22717. PMID  9618528. 
  27. ^ Williams ML, Hata JA, Schroder J, Rampersaud E, Petrofski J, Jakoi A, Milano CA, Koch WJ (апрель 2004 г.). «Ингибирование киназы целевого бета-адренергического рецептора (betaARK1) путем переноса гена при сердечной недостаточности человека». Circulation . 109 (13): 1590–3. doi : 10.1161/01.CIR.0000125521.40985.28 . PMID  15051637.
  28. ^ ab Li Z, Jiang H, Xie W, Zhang Z, Smrcka AV, Wu D (февраль 2000 г.). «Роли PLC-beta2 и -beta3 и PI3Kgamma в хемоаттрактант-опосредованной передаче сигнала». Science . 287 (5455): 1046–9. Bibcode :2000Sci...287.1046L. doi :10.1126/science.287.5455.1046. PMID  10669417.
  29. ^ ab Хирш Э, Катанаев ВЛ, Гарланда С, Аццолино О, Пирола Л, Силенго Л, Соццани С, Мантовани А, Альтруда Ф, Вайманн М.П. (февраль 2000 г.). «Центральная роль связанной с G-белком фосфоинозитид-3-киназы гамма в воспалении». Наука . 287 (5455): 1049–53. Бибкод : 2000Sci...287.1049H. дои : 10.1126/science.287.5455.1049. ПМИД  10669418.
  30. ^ ab Stephens LR, Eguinoa A, Erdjument-Bromage H, Lui M, Cooke F, Coadwell J, Smrcka AS, Thelen M, Cadwallader K, Tempst P, Hawkins PT (апрель 1997 г.). "G бета гамма чувствительность PI3K зависит от тесно связанного адаптера, p101". Cell . 89 (1): 105–14. doi : 10.1016/S0092-8674(00)80187-7 . PMID  9094719. S2CID  16852661.
  31. ^ ab Stephens L, Smrcka A, Cooke FT, Jackson TR, Sternweis PC, Hawkins PT (апрель 1994 г.). «Новая активность фосфоинозитид-3-киназы в миелоидных клетках активируется субъединицами бета-гамма G-белка». Cell . 77 (1): 83–93. doi :10.1016/0092-8674(94)90237-2. PMID  8156600. S2CID  53255676.
  32. ^ Ueda H, Nagae R, Kozawa M, Morishita R, Kimura S, Nagase T, Ohara O, Yoshida S, Asano T (январь 2008 г.). «Гетеротримерные субъединицы бетагамма белка G стимулируют FLJ00018, фактор обмена гуаниновых нуклеотидов для Rac1 и Cdc42». Журнал биологической химии . 283 (4): 1946–53. doi : 10.1074/jbc.M707037200 . PMID  18045877.