Семейство адгезивных белков GPCR человека . Члены семейства определяются их необычной гибридной структурой, в которой большая внеклеточная область, часто содержащая известные белковые модули, связана с семипролетной трансмембранной областью через домен GPCR-Autoproteolsis INducing (GAIN) .
Рецепторы адгезии G-белка ( адгезионные GPCR ) представляют собой класс из 33 человеческих белковых рецепторов с широким распространением в эмбриональных и личиночных клетках, клетках репродуктивного тракта, нейронах, лейкоцитах и различных опухолях. [1] Адгезионные GPCR встречаются у всех метазоа , а также у одноклеточных колониеобразующих хоанофлагеллят, таких как Monosiga brevicollis , и одноклеточных организмов, таких как Filasterea . Определяющей особенностью адгезионных GPCR, которая отличает их от других GPCR, является их гибридная молекулярная структура. Внеклеточная область адгезионных GPCR может быть исключительно длинной и содержать различные структурные домены, которые известны своей способностью облегчать взаимодействия клеток и матрикса. Их внеклеточная область содержит домен проксимального мембранного GAIN (GPCR-Autoproteolsis INducing). Кристаллографические и экспериментальные данные показали, что этот структурно консервативный домен опосредует автокаталитическую обработку на протеолитическом участке GPCR (GPS), проксимальном к первой трансмембранной спирали. Автокаталитическая обработка приводит к образованию внеклеточной (α) и трансмембранной (β) субъединицы, которые связаны нековалентно, что приводит к экспрессии гетеродимерного рецептора на поверхности клетки. [2] [3]
Профили лигандов и исследования in vitro указали на роль адгезионных GPCR в адгезии и миграции клеток. [4] Работа с использованием генетических моделей ограничила эту концепцию, продемонстрировав, что основная функция адгезионных GPCR может быть связана с правильным позиционированием клеток в различных системах органов. Более того, все больше доказательств указывают на роль адгезионных GPCR в метастазах опухолевых клеток. [5] Формальная передача сигналов, связанная с G-белком, была продемонстрирована для ряда адгезионных GPCR, [6] [7] однако статус рецептора-сироты многих рецепторов по-прежнему затрудняет полную характеристику потенциальных путей передачи сигнала. В 2011 году был создан консорциум по адгезии GPCR для содействия исследованию физиологических и патологических функций адгезионных GPCR.
Классификация
Суперсемейство GPCR является крупнейшим семейством генов в геноме человека, содержащим около 800 генов. [8] Поскольку суперсемейство позвоночных можно филогенетически сгруппировать в пять основных семейств, была предложена система классификации GRAFS , которая включает семейства GPCR глутамата , родопсина , адгезии , Frizzled / Taste2 и секретина . [9]
Существует 33 человеческих адгезионных GPCR, которые можно разделить на восемь групп с двумя независимыми рецепторами. Группа I состоит из LPHN1 , LPHN2 , LPHN3 и ETL . Группа II состоит из CD97 , EMR1 , EMR2 , EMR3 и EMR4 . Группа III состоит из GPR123 , GPR124 и GPR125 . Группа IV состоит из CELSR1 , CELSR2 и CELSR3 . Группа V состоит из GPR133 и GPR144 . Группа VI состоит из GPR110 , GPR111 , GPR113 , GPR115 и GPR116 . Группа VII состоит из BAI1 , BAI2 и BAI3 . Группа VIII состоит из GPR56 , GPR97 , GPR112 , GPR114 , GPR126 и GPR64 . Два дополнительных адгезионных GPCR не вписываются в эти группы: VLGR1 и GPR128 . [10]
Нелюди и эволюция
Адгезионные GPCR обнаружены у грибов . Считается, что они произошли от семейства рецепторов цАМФ , возникшего примерно 1275 миллионов лет назад до отделения Unikonts от общего предка. У нескольких грибов есть новые адгезионные GPCR, которые имеют как короткие, 2–66 аминокислотных остатков, так и длинные, 312–4202 аминокислотных остатков. Анализ грибов показал, что не было GPCR семейства секретиновых рецепторов , что предполагает, что они произошли от адгезионных GPCR в более позднем организме. [11]
Анализ генома Teleost Takifugu rubripes показал, что у него есть только два адгезионных GPCR, которые показали гомологию с Ig-hepta/ GPR116 . [12] В то время как геном Fugu относительно компактен и ограничен количеством адгезионных GPCR, у Tetraodon nigroviridis , другого вида рыбы-собаки , их значительно больше, всего 29 адгезионных GPCR. [13]
Лиганды
Большинство адгезионных GPCR являются рецепторами-сиротами, и ведутся работы по десиротизации многих из этих рецепторов. [14] Адгезионные GPCR получили свое название от своих N-концевых доменов, которые имеют домены, подобные доменам адгезии, такие как EGF, и убеждения, что они взаимодействуют между клетками и клетками с внеклеточным матриксом. [15] Хотя лиганды для многих рецепторов до сих пор неизвестны, исследователи используют библиотеки лекарственных препаратов для изучения соединений, которые могут активировать GPCR, и используют эти данные для будущих исследований лигандов.
Один адгезионный GPCR, GPR56 , имеет известный лиганд, коллаген III , который участвует в ингибировании миграции нейронов. [16] Было показано, что GPR56 является причиной полимикрогирии у людей и может играть роль в метастазах рака . Связывание коллагена III с GPR56 происходит на N-конце и было сужено до короткого участка аминокислот. N-конец GPR56 естественным образом гликозилирован , но это гликозилирование не является необходимым для связывания коллагена III. Коллаген III приводит к тому, что GPR56 передает сигнал через Gα12/13, активируя RhoA .
Сигнализация
Адгезионные GPCR, по-видимому, способны следовать стандартным режимам сигнализации GPCR [4] и передавать сигналы через Gαs , Gαq , Gαi и Gα12/13 . [14] На сегодняшний день многие адгезионные GPCR все еще являются сиротскими рецепторами, и их сигнальные пути не были идентифицированы. Исследовательские группы работают над выяснением нисходящих сигнальных молекул, используя несколько методов, включая химические скрининги и анализ уровней вторичных мессенджеров в сверхэкспрессированных клетках. Добавление лекарств in vitro , в то время как клетки сверхэкспрессируют адгезионный GPCR, позволило идентифицировать молекулы, активирующие GPCR, и используемые вторичные мессенджеры. [14]
GPR133 передает сигналы через Gαs для активации аденилатциклазы . [15] Было показано, что сверхэкспрессия GPCR in vitro может привести к активации рецептора в отсутствие лиганда или агониста. При сверхэкспрессии GPR133 in vitro наблюдалось повышение уровня репортерных генов и цАМФ. Сигнализация сверхэкспрессированного GPR133 не требовала расщепления N-конца или GPS. Миссенс-мутации в области 7TM приводили к потере сигнализации. [15]
Было показано, что гомолог латрофилина LPHN1 в C. elegans требует GPS для передачи сигнала, но расщепление на сайте GPS не было необходимым. [17] Кроме того, наличие укороченного 7 трансмембранного домена, но с неповрежденным доменом GPS, привело к потере сигнала. Это говорит о том, что наличие как GPS, так и 7 трансмембранного домена неповрежденными участвует в передаче сигнала и что сайт GPS может действовать как или быть необходимой частью эндогенного лиганда.
Было показано, что GPR56 расщепляется на участке GPS, а затем остается связанным с доменом 7TM . [18] В исследовании, где N-конец был удален до N342 (начало GPS), рецептор стал конститутивно активным, и была замечена положительная регуляция Gα12/13. Когда рецепторы активны, они убиквитинируются, а GPR56, у которого отсутствует N-конец, был сильно убиквитинирован.
Расщепление
Многие адгезионные GPCR подвергаются протеолитическим событиям посттрансляционно в высококонсервативных мотивах, богатых Cys, известных как сайты протеолиза GPCR (GPS), расположенных рядом с первой трансмембранной областью. Этот сайт называется сайтом HL-S(T). После расщепления этого белка его части экспрессируются на поверхности клетки в виде гетеродимера. Считается, что это расщепление происходит изнутри самого белка через консервативный домен GAIN . Этот процесс, по-видимому, похож на те, которые обнаруживаются в других автопротеолитических белках, таких как гидролазы Ntn и белки hedgehog .
Одной из характеристик адгезионных GPCR является их расширенная внеклеточная область. Эта область является модульной по своей природе, часто обладающей множеством структурно определенных белковых доменов и мембранно-проксимальным доменом GAIN . В метко названном Very Large G-белок-связанном рецепторе 1 VLGR1 внеклеточная область простирается почти до 6000 аминокислот. Человеческие адгезионные GPCR обладают доменами, включая EGF-подобный ( Pfam PF00053), кадгерин ( Pfam PF00028), тромбоспондин ( Pfam PF00090), иммуноглобулин ( Pfam PF00047), пентраксин ( Pfam PF00354), калкс-бета ( Pfam PF03160) и лейцин-богатые повторы ( Pfam PF00560). У беспозвоночных видов множество других структурных мотивов, включая Kringle , Somatomedin B ( Pfam PF01033), SRCR ( Pfam PF00530), могут содержаться во внеклеточной области. [19] Поскольку было показано, что многие из этих доменов опосредуют белок-белковые взаимодействия в других белках, считается, что они играют ту же роль в адгезионных GPCR. Действительно, для адгезионных GPCR было обнаружено много лигандов (см. раздел лигандов). Многие из адгезионных GPCR обладают длинными участками аминокислот с небольшой гомологией с известными доменами белков, что предполагает возможность обнаружения новых структурных доменов в их внеклеточных областях. [2]
Роли
Иммунная система
Ряд адгезионных GPCR могут играть важную роль в иммунной системе. В частности, члены подсемейства EGF-TM7, которые обладают N-концевыми EGF-подобными доменами, преимущественно ограничены лейкоцитами, что предполагает предполагаемую роль в иммунной функции. Семейство человеческого EGF-TM7 [20] состоит из CD97, EMR1 (ортолог рецептора F4/80) [21] EMR2, [22] EMR3 [23] и EMR4 [24] (вероятный псевдоген у людей). Было показано, что ограниченный человеком рецептор EMR2 экспрессируется миелоидными клетками, включая моноциты , дендритные клетки и нейтрофилы, участвует в активации и миграции человеческих нейтрофилов и повышается у пациентов с синдромом системного воспалительного ответа (SIRS) . [22] [25] Необходимы подробности о EMR1, CD97. Ингибитор ангиогенеза мозга адгезии GPCR 1 (BAI1) действует как рецептор фосфатидилсерина, играющий потенциальную роль в связывании и клиренсе апоптотических клеток, а также фагоцитозе грамотрицательных бактерий. [26] [27] Было показано, что GPR56 является маркером для воспалительных подгрупп NK -клеток и экспрессируется цитотоксическими лимфоцитами. [28] [29]
Развитие нейронов
GPR126 необходим для миелинизации шванновских клеток . Нокауты этого адгезионного GPCR как у Danio rerio, так и у Mus musculus приводят к остановке на стадии промиелинизирования. [30] [31] Шванновские клетки возникают из нервного гребня, который мигрирует в периферические нервы, образуя либо миелинизирующие, либо немиелинизирующие клетки. При нокаутах GPR126 эти клетки-предшественники развиваются до стадии промиелинизирования, где они оборачиваются примерно в 1,5 раза. Миелинизация останавливается на стадии промиелинизирования, и у рыб основной белок миелина не обнаруживается. У рыб это можно исправить, добавив форсколин во время развития, что спасает экспрессию основного белка миелина . [31]
Костный мозг и гемопоэтические стволовые клетки
GPR56 может играть роль во взаимодействии между костным мозгом и гемопоэтическими стволовыми клетками. [32]
Болезнь
Мутации потери функции были показаны в ряде адгезионных GPCR, включая GPR56, GPR126 и VLRG1. Многие мутации влияют на функцию через снижение экспрессии клеточной поверхности или ингибирование аутопротеолиза в домене GAIN. Мутации в GPR56 приводят к двусторонней лобно-теменной полимикрогирии у людей, характеризующейся аномальной миграцией нейронов и поверхностными эктопиями., [33] Варианты GPR126 были связаны с подростковым идиопатическим сколиозом , [34] а также ответственны за тяжелый врожденный множественный артрогрипоз . [35] Было показано, что мутации приобретения функции в домене GAIN EMR2 приводят к чрезмерной дегрануляции тучными клетками, что приводит к вибрационной крапивнице . [36]
^ ab Araç, D; Boucard, AA; Bolliger, MF; Nguyen, J; Soltis, SM; Südhof, TC; Brunger, AT (14 февраля 2012 г.). «Новый эволюционно консервативный домен клеточно-адгезивных GPCR опосредует аутопротеолиз». The EMBO Journal . 31 (6): 1364–78. doi :10.1038/emboj.2012.26. PMC 3321182 . PMID 22333914.
^ Lin, HH; Chang, GW; Davies, JQ; Stacey, M; Harris, J; Gordon, S (23 июля 2004 г.). «Автокаталитическое расщепление рецептора EMR2 происходит в консервативном мотиве протеолитического сайта рецептора, связанного с G-белком». Журнал биологической химии . 279 (30): 31823–32. doi : 10.1074/jbc.M402974200 . PMID 15150276.
^ ab Langenhan, T; Aust, G; Hamann, J (21 мая 2013 г.). «Липкая сигнализация — рецепторы адгезии класса G, связанные с белками, выходят на сцену». Science Signaling . 6 (276): r3. doi :10.1126/scisignal.2003825. PMID 23695165. S2CID 6958640.
^ Yang, L; Xu, L (апрель 2012 г.). «GPR56 в прогрессировании рака: текущий статус и будущие перспективы». Future Oncology (Лондон, Англия) . 8 (4): 431–40. doi :10.2217/fon.12.27. PMID 22515446.
^ Steinert, M; Wobus, M; Boltze, C; Schütz, A; Wahlbuhl, M; Hamann, J; Aust, G (ноябрь 2002 г.). «Экспрессия и регуляция CD97 в клеточных линиях колоректальной карциномы и опухолевых тканях». The American Journal of Pathology . 161 (5): 1657–67. doi :10.1016/S0002-9440(10)64443-4. PMC 1850798 . PMID 12414513.
^ Aust G (2010). «Адгезия-GPCR в опухолеобразовании». В Yona S, Stacey M (ред.). Адгезия-GPCR: структура к функции . Достижения в экспериментальной медицине и биологии. Том 706. Landes Bioscience и Springer Science+Business Media, LLC. стр. 109–20. doi :10.1007/978-1-4419-7913-1_9. ISBN978-1-4419-7912-4. PMC 5389670 . PMID 21618830.
^ Ландер, ES; Линтон, LM; Биррен; и др. (15 февраля 2001 г.). «Первоначальное секвенирование и анализ генома человека» (PDF) . Nature . 409 (6822). Международный консорциум по секвенированию генома человека: 860–921. Bibcode : 2001Natur.409..860L. doi : 10.1038/35057062 . PMID 11237011.
^ Fredriksson, R; Lagerström, MC; Lundin, LG; Schiöth, HB (июнь 2003 г.). «Рецепторы, сопряженные с G-белком, в геноме человека образуют пять основных семейств. Филогенетический анализ, группы паралогонов и отпечатки пальцев». Молекулярная фармакология . 63 (6): 1256–72. doi :10.1124/mol.63.6.1256. PMID 12761335. S2CID 11203506.
^ Schiöth HB, Nordström KJ, Fredriksson R (2010). « Адгезия GPCR; репертуар генов, филогения и эволюция». В Yona S, Stacey M (ред.). Адгезия-GPCR: структура к функции . Достижения в экспериментальной медицине и биологии. Том 706. Landes Bioscience и Springer Science+Business Media, LLC. стр. 1–13. ISBN978-1-4419-7912-4.
^ Кришнан А., Альмен М.С., Фредрикссон Р., Шиот Х.Б. (2012). «Происхождение GPCR: идентификация родопсина млекопитающих, адгезии, глутамата и Frizzled GPCR у грибов». PLOS ONE . 7 (1): e29817. Bibcode : 2012PLoSO...729817K. doi : 10.1371 /journal.pone.0029817 . PMC 3251606. PMID 22238661.
^ Sarkar A, Kumar S, Sundar D (2011). "Рецепторы, сопряженные с G-белком, у рыбы-собаки Takifugu rubripes". BMC Bioinformatics . 12 (Suppl 1): S3. doi : 10.1186 /1471-2105-12-S1-S3 . PMC 3044285. PMID 21342560. Арт. № S3.
^ Metpally RP, Sowdhamini R (2005). "Обзор генома рецепторов, сопряженных с G-белком, у Tetraodon nigroviridis". BMC Evolutionary Biology . 5 (1): 41. Bibcode : 2005BMCEE...5...41M. doi : 10.1186/1471-2148-5-41 . PMC 1187884. PMID 16022726. Статья № 41.
^ Nordström, KJ; Fredriksson, R; Schiöth, HB (16 января 2008 г.). «Геном амфиоксуса (Branchiostoma floridae) содержит высокодиверсифицированный набор рецепторов, сопряженных с G-белком». BMC Evolutionary Biology . 8 (1): 9. Bibcode :2008BMCEE...8....9N. doi : 10.1186/1471-2148-8-9 . PMC 2246102 . PMID 18199322.
^ Гордон, С.; Хаманн, Дж.; Лин, Х.Х.; Стейси, М. (сентябрь 2011 г.). «F4/80 и связанные с ним адгезионные GPCR». Европейский журнал иммунологии . 41 (9): 2472–6. doi : 10.1002/eji.201141715 . PMID 21952799.
^ Хаманн, Дж; Конинг, Н.; Пауэлс, В; Ульфман, Л.Х.; ван Эйк, М; Стейси, М; Лин, Х.Х.; Гордон, С; Кваккенбос, MJ (октябрь 2007 г.). «EMR1, человеческий гомолог F4/80, представляет собой специфичный для эозинофилов рецептор». Европейский журнал иммунологии . 37 (10): 2797–802. дои : 10.1002/eji.200737553 . ПМИД 17823986.
^ Матмати, М.; Пауэлс, В.; Ван Брюгген, Р.; Янсен, М.; Хук, Р.М.; Верховен, Эй Джей; Хаманн, Дж. (февраль 2007 г.). «Человеческий рецептор EGF-TM7 EMR3 является маркером зрелых гранулоцитов». Дж. Леукок. Биол . 81 (2): 440–8. дои : 10.1189/jlb.0406276 . ПМИД 17108056.
^ Хаманн, Дж; Кваккенбос, MJ; де Йонг, ЕС; Хойс, Х; Олсен, А.С.; ван Лиер, РА (май 2003 г.). «Инактивация рецептора EGF-TM7 EMR4 после дивергенции Pan-Homo». Европейский журнал иммунологии . 33 (5): 1365–71. дои : 10.1002/eji.200323881 . ПМИД 12731063.
^ Lin, HH; Stacey, M; Hamann, J; Gordon, S; McKnight, AJ (15 июля 2000 г.). «Человеческий EMR2, новая молекула EGF-TM7 на хромосоме 19p13.1, тесно связан с CD97». Genomics . 67 (2): 188–200. doi :10.1006/geno.2000.6238. PMID 10903844.
^ Park, D; Tosello-Trampont, Annie-Carole; Elliott, Michael R.; Lu, Mingjian; Haney, Lisa B.; Ma, Zhong; Klibanov, Alexander L.; Mandell, JW; Ravichandran, KS (15 ноября 2007 г.). "BAI1 — это рецептор поглощения для апоптотических клеток выше модуля ELMO/Dock180/Rac". Nature . 450 (7168): 430–4. Bibcode :2007Natur.450..430P. doi : 10.1038/nature06329 . PMID 17960134.
^ Das, S; Owen, KA; Ly, KT; Park, D; Black, SG; Wilson, JM; Sifri, CD; Ravichandran, KS; Ernst, PB; Casanova, JE (1 февраля 2011 г.). «Ингибитор ангиогенеза мозга 1 (BAI1) — это рецептор распознавания образов, который опосредует связывание макрофагов и поглощение грамотрицательных бактерий». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 108 (5): 2136–41. Bibcode : 2011PNAS..108.2136D. doi : 10.1073/pnas.1014775108 . PMC 3033312. PMID 21245295 .
^ Делла Кьеза, М; Фалько, М; Паролини, С; Беллора, Ф; Петретто, А; Ромео, Э; Бальзамо, М; Гамбаротти, М; Скордамалья, Ф; Табеллини, Дж; Факкетти, Ф; Верми, Вт; Боттино, К; Моретта, А; Витале, М. (февраль 2010 г.). «GPR56 как новый маркер, идентифицирующий подмножество CD56dull CD16+ NK-клеток как в кровотоке, так и в воспаленных периферических тканях». Международная иммунология . 22 (2): 91–100. дои : 10.1093/intimm/dxp116 . ПМИД 20008459.
^ Пэн, Ю.М.; ван де Гард, доктор медицины; Ченг, К.Ф.; Баарс, Пенсильвания; Реммерсваль, Е.Б.; ван Лиер, РА; Маккей, ЧР; Лин, Х.Х.; Хаманн, Дж (октябрь 2011 г.). «Специфическая экспрессия GPR56 цитотоксическими лимфоцитами человека». Журнал биологии лейкоцитов . 90 (4): 735–40. CiteSeerX 10.1.1.1027.7072 . дои : 10.1189/jlb.0211092. PMID 21724806. S2CID 2885203.
^ Монк, KR; Ошима, K; Йорс, S; Хеллер, S; Талбот, WS. (Июль 2011 г.). «Gpr126 необходим для развития периферических нервов и миелинизации у млекопитающих». Развитие . 138 (13): 2673–80. doi : 10.1242/dev.062224. PMC 3109596. PMID 21613327.
^ Сайто, Ю; Канеда, К; Суекане, А; Итихара, Э; Накахата, С; Ямакава, Н.; Нагай, К; Мизуно, Н; Когава, К; Миура, я; Ито, Х; Моришита, К. (август 2013 г.). «Поддержание пула гемопоэтических стволовых клеток в нишах костного мозга с помощью GPR56, регулируемого EVI1». Лейкемия . 27 (8): 1637–1649. дои : 10.1038/leu.2013.75. ПМИД 23478665.
^ Сингер К., Ло Р., Чон С., Пьяо Х. (2012) GPR56 и развивающаяся кора головного мозга: клетки, матрица и миграция нейронов. Springer Science+Business Media, LLC 2012 10.1007/s12035-012-8343-0
^ Коу И, Такахаси Ю, Джонсон Т.А., Такахаши А, Го Л, Дай Дж, Цю X, Шарма С, Такимото А, Огура Ю, Цзян Х, Ян Х, Коно К, Каваками Н, Уно К, Ито М, Минами С, Янагида Х, Танеити Х, Хосоно Н, Цудзи Т, Сузуки Т, Судо Х, Котани Т, Ёнезава И, Лондоно Д., Гордон Д., Херринг Дж.А., Ватанабе К., Чиба К., Каматани Н., Цзян К., Хираки Ю., Кубо М., Тояма Ю., Цунода Т., Уайз К.А., Цю Ю., Шукунами С., Мацумото М., Икегава С. ( июнь 2013 г.). «Генетические варианты GPR126 связаны с идиопатическим сколиозом подростков». Природная генетика . 45 (6): 676–9. дои : 10.1038/ng.2639. PMID 23666238. S2CID 205347099.
