• Основной модуль состоит из рецептора, G-белка и эффекторного белка
• В клетках экспрессируется несколько вариантов каждого класса белков
• Эффекторы гетерогенны и инициируют различные клеточные функции
Активация рецепторов, сопряженных с G-белком (GPCR) и связанных с ними гетеротримерных G-белков, служит одним из распространенных механизмов передачи внешних сигналов внутрь клетки. Сигнальные модули, включающие G-белки, обнаружены у всех эукариот. У млекопитающих, в зависимости от вида, экспрессируется 500-1000 GPCR, чувствительных к гормонам, нейромедиаторам, феромонам, метаболитам, локальным сигнальным и другим регуляторным молекулам.
Лиганды GPCR представлены практически всеми классами химических соединений. Наряду с этим, у животных в обонятельных нейронах экспрессируется примерно такое же количество обонятельных GPCR. Эти рецепторы по запаху отбирают соединения из окружающей среды. Поскольку GPCR участвуют во многих типах физиологических ответных реакций, они также являются одними из наиболее распространенных мишеней действия лекарственных средств.
Минимальный сигнальный модуль, включающий G-белок, состоит из трех белков: рецептора, сопряженного с G-белком, гетеродимерного G-белка и эффекторного белка. В ответ на связывание внеклеточного лиганда, рецептор активирует G-белок, расположенный на внутренней поверхности плазматической мембраны. Затем G-белок активирует (или иногда ингибирует) эффекторный белок, посредством которого в клетке распространяется сигнал. Таким образом, проведение сигнала с участием простейшего модуля, включающего G-белок, носит линейный характер.
Однако, как показано на рисунке ниже, в типичной клетке млекопитающего могут экспрессироваться десятки GPCR, более шести G-белков и десятки эффекторов. Каждый GPCR регулирует один или несколько G-белков, и каждый G-белок регулирует несколько эффекторов. Однако каждое взаимодействие происходит с различной эффективностью и с разной скоростью. Таким образом, сеть процессов, протекающих с участием G-белка, фактически представляет собой компьютер, интегрирующий сигналы и дающий на выходе весь их спектр, сложный по амплитуде и кинетике.
Благодаря своим неизменным составным частям, G-белковые модули хорошо приспособлены к инициации большого разнообразия внутриклеточных сигналов в ответ на разные молекулярные стимулы, причем реагируют в широком диапазоне шкалы времени (от миллисекунды до минут).
Система передачи сигнала с участием G-белка проходит следующие этапы: агонист => рецептор => гетеротр и мерный G-белок => эффектор => выходной сигнал от эффектора.
Субъединицы Gα и Gβγ регулируют различные эффекторы.
В представленном примере Gq регулирует фосфолипазу С-β и образует два вторичных мессенджера, диацилглицерин (DAG) и инозитол-трифосфат (IP3).
Последний запускает процесс выхода Са2+ из эндоплазматического ретикулума.
Как показано на рисунке ниже, GPCR представляют собой белки, интегрированные в плазматическую мембрану и состоящие из связки семи гидрофобных спиралей, проходящих через нее. При этом N-концевые участки спиралей находятся вне клетки, а С-концевые — со стороны цитозоля. На основании трехмерной структуры родопсина и большого количества биохимических и генетических данных, не исключено, что у всех GPCR в ответ на воздействие активирующих лигандов реализуется один и тот же основной механизм конформационной активации и инактивации.
Связывание агониста с внеклеточной стороны рецептора вызывает перегруппировку спиралей, в результате которой меняется структура сайта связывания для гетеротримера G-белка со стороны цитоплазмы, и эта измененная конформация связывающей поверхности G-белка способствует его активации.
Гетеротримерные G-белки, с которыми сопряжены GPCR, состоят из нуклеотид-связывающей субъединицы, G и димера субъединиц, Gβγ. Структура тримера и каждой субъединицы выяснена для нескольких состояний активации и комплекса с некоторыми белками. Гетеротример Gαβγ называется по своей а-субъединице, которая в основном определяет селективность G-белка среди рецепторов. Каждая субъединица также регулирует определенную группу эффекторных белков.
Субъединицы Ga представляют собой глобулярные двухдоменные белки, размером 38-44 кДа. ГТФ-связывающий домен относится к семейству белков, связывающих ГТФ. Они включают небольшие мономерные G-белки (такие как Ras, Rho, Arf, Rab;), а также ГТФ-связывающие факторы инициации и элонгации трансляции. Второй домен модулирует связывание и гидролиз ГТФ. Субъединицы Ga проявляют слабую гидрофобность, однако они обычно находятся в связанном с мембранами состоянии из-за конститутивного ацилирования N-koh-цевых жирных кислот и из-за того, что они присоединены к Gβγ субъединицам, закрепленным в мембране.
У млекопитающих насчитывается 16 генов Gα, которые сгруппированы в соответствии со степенью гомологии структуры и функций (например, s, i, q, и 12). Эти группы перечислены на рисунке ниже.
Субъединицы Gb и Gγ вскоре после окончания трансляции необратимо ассоциируют, образуя стабильные димеры Gβγ. Затем эти димеры обратимо связываются с Gα. Субъединицы Gβ являются 35-кДа белками, состоящими из семи повторов b-цепи, образующих цилиндрическую структуру, известную под названием b-пропеллер. У млекопитающих существует пять генов Gβ. Четыре из них кодируют очень близкие по структуре белки, которые димеризуются с двенадцатью субъединицами Gγ. Пятый ген, Gp5, в наименьшей степени напоминает остальные и в основном взаимодействует не с субъединицами Gγ, а с доменом других белков, напоминающим Gγ.
Субъединицы Gγ по размеру меньше (около 7 кДа) и обладают гораздо более разнообразной первичной структурой, чем Gβ. При протеолизе субъединиц Gy удаляются три последних аминокислотных остатка. При этом на С-конце молекулы остается остаток цистеина. Этот остаток образует S-пренильное производное и карбоксиметили-руется. Модификации носят необратимый характер и способствуют заякориванию Gβγ на мембране. Субъединицы Gβ и Gγ образуют ассоциаты в любых сочетаниях. Поскольку почти все клетки экспрессируют множество субъединиц Gβ и Gγ, трудно приписать индивидуальным комбинациям Gβγ определенную роль.
Наиболее хорошо исследованы взаимодействия субъединиц Gβ и Gγ на сайтах Gβ, хотя сайты Gγ также выполняют определенные функции.
Участок сети передачи сигнала с участием G-белка у макрофага, который подчеркивает всю сложность взаимодействий, происходящих в такой системе.
Некоторые рецепторы и G-белок не показаны. Когда показан определенный G-белок, его выходной сигнал, вероятно, опосредуется его субъединицей Ga.
При активации любого G-белка также активируется его Gβγ-субъединица, хотя передача сигнала с участием этой субъединицы обычно наиболее выражена для Gi-тримеров.
Наряду с этим, некоторые G-белки модулируют активность других, пока еще недостаточно исследованных сигнальных путей.
Показано лишь немного эффекторов и единственный адаптивный механизм, представляющий собой фосфорилирование рецепторов, катализируемое GRK.
Данные предоставлены Полом Стернвайсом, Группа изучения передачи сигналов.
На рисунке представлена кристаллическая структура GPCR родопсина.
Каждая спираль, проходящая через мембрану, помечена разным цветом; большинство структур со стороны цитоплазмы не показаны.
В связке спиралей находится хромофорная группа ретиналя. По степени гомологии аминокислотных последовательностей GPCR млекопитающих можно подразделить,
по крайней мере, на четыре структурных семейства, которые, однако, различаются настолько, что обнаруживают между собой лишь незначительную общность первичной структуры.
В пределах семейства максимальная гомология отмечается среди спиралей, проходящих через мембрану, меньшая — для межспиральных петельных структур,
и минимальная — для N- и С-концевых участков и для петли со стороны цитоплазмы, соединяющей 5-й и 6-й участки молекулы.
Несмотря на это, предположения относительно функционирования доменов в различных семействах рецепторов, вероятно, являются справедливыми.
GPCR часто образует димеры, иногда гетеродимеры, и димеризация играет критическую роль в их функционировании.
Структура построена по данным из Protein Data Bank file 1F88.
Структура неактивированного Gi-гетеротримера.
Каждая субъединица G-белка, ответственного за ингибирование аденилатциклазы и за передачу сигналов с участием Gβγ, выделена соответствующим цветом.
Показана связь GDP с субъединицей Gai. Структура построена по данным protein Data Bank file 1GP2.
Эффекторы, находящиеся под контролем G-белка, не обнаруживают сходства структуры.
Они могут представлять собой ионные каналы или интегрированные в плазматическую мембрану ферменты,
белки, расположенные на внутренней стороне мембраны, или растворимые белки, способные связываться с субъединицами Ga.
В таблице представлены G-белки, подразделяющиеся на группы в соответствии со степенью гомологии их первичной структуры,
а также некоторые эффекторы, которые они контролируют.
