VL Signal 2

G-Protein gekoppelte
Rezeptoren
Prof. Dr. Albert Duschl
Rezeptoren
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Rezeptoren können intrazellulär vorliegen,
wie die Steroidrezeptoren
aber die meisten Rezeptoren sind
Transmembranproteine der
Plasmamembran und wirken durch
nachgeschaltete Signalübertragungskaskaden.
Manche Membranproteine sind gleichzeitig
Rezeptoren und Ionenkanäle.
Andere sind Typ 1 oder 2
Membranproteine (also nur ein
Membrandurchgang, N-Terminus aussen
bei Typ 1, C-Terminus aussen bei Typ 2).
Unser heutiger Rezeptor ist vom Typ 3,
also ein Membranprotein mit mehr als
einem Membrandurchgang.
© Nelson/Cox: Lehninger Principles of Biochemistry
Modell 1
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Die G-Protein gekoppelten
Rezeptoren (GPCR) gehören
zu den am längsten bekannten
und am besten erforschten
Rezeptoren.
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Synonyme:
7-a-Helix-Rezeptoren
Rezeptoren vom ß-adrenergen
Rezeptortyp
Serpentine
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© AAAS: Science stke
G-Protein gekoppelte Rezeptoren
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Transmembrane 7-a-Helix-Bündel, der
N-Terminus liegt aussen
Die Signalübertragung erfolgt in der
Regel über G-Proteine
Repräsentativ ist der ß-Rezeptor für
Adrenalin
© Stryer: Biochemistry
© Ranganathan, Science 318: 1253-4 (2007)
© Cherezov et al., Science 318: 1258-65 (2007)
Adrenalin
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Adrenalin und Noradrenalin sind
Katecholamine, d.h. sie können
chemisch von Katechol (1,2Dihydroxybenzol) abgeleitet werden.
Biologisch entstehen die
Katecholamine aus Tyrosin.
Adrenalin und seine
Synthesevorstufen Dopamin und
Noradrenalin sind auch als
Neurotransmitter aktiv.
Adrenalin wird bei körperlicher und
psychischer Belastung im
Nebennierenmark produziert.
Wirkungen: Schnellerer und stärkerer
Herzschlag, Vasokonstriktion, erhöhte
Lipolyse und Glycogenolyse,
Hemmung der Insulinsekretion.
© Löffler/Petrides: Biochemie und Pathobiochemie
Adrenalinrezeptoren
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Alle Adrenalinrezeptoren
gehören zum G-Protein
gekoppelten Typ.
Es gibt 4 oder 5 Formen:
a1, a2, ß1, ß2 und in anderen
Einteilungen noch ß3.
Von a1 und a2 gibt es jeweils
mindestens drei
gewebsspezifisch exprimierte
Isoformen.
ß1 und ß2 sind am
intensivsten untersucht
worden ("Betarezeptoren").
© Löffler/Petrides: Biochemie und Pathobiochemie
Agonisten und Antagonisten
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Es gibt wichtige klinische Anwendungen, z.B.
"Betablocker" hemmen ß1 bei Bluthochdruck
und ß2-Sympathomimetika werden bei Asthma
verwendet.
© both figures Gomperts/Kramer/Tatham: Signal Transduction
G-Proteine
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G-Proteine sind Trimere aus a, ß und g
Untereinheit.
Nach Bindung eines Liganden ändert sich die
Rezeptorkonformation.
Das bewirkt, daß am innen assoziierten GProtein GDP gegen GTP ausgetauscht und
dadurch das trimere G-Protein gespalten
wird.
Im aktiven Zustand sind Gß und Gg von Ga
abgespalten. Das freie Ga-Protein kann nun
Enzyme regulieren, etwa Adenylatcyklase
(erzeugt cAMP), oder Phospholipase C
(erzeugt Inositol 1,4,5-triphosphat, kurz IP3).
Diese Mediatoren regulieren nun weitere
Moleküle.
Das G-Protein wird durch Ga-katalysisierte
Dephosphoryliertung von GTP inaktiviert.
© Stryer: Biochemistry
G-Proteins: The documentary
© Buchen, Nature
475:273-4 (2011)
Blau: ßAR
Rot: a
Gelb: ß
Grün: g
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Der Komplex des ß-adrenergen Rezeptors mit
dem trimeren G-Protein ist inzwischen
strukturell aufgeklärt.
Wie vorhergesagt macht das G-Protein bei
Bindung an einen liganden-tragenden
Rezeptor eine erhebliche Strukturänderung
durch, die zur Abspaltung von GDP
erforderlich ist.
© Rasmussen et al, Nature 477:549–555, 2011
Amerikanische Hühnerfarmen und die
Krebsforschung
© Gary Larson: The chicken are restless
ras Proteine
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Nicht-klassische G-Proteine, wie
ras (p21ras), bestehen nur aus
einer Untereinheit. Diese
entspricht in Struktur und Funktion
Ga, wird aber anders reguliert.
Ras und ähnliche Proteine (Rho,
Ran, Rab, Rac etc.) haben eine
sehr geringe GTPase Aktivität, die
über ein regulatorisches Protein
(ras-GAP, "GTPase activating
protein") stimuliert wird.
GEF ("Guanine nucleotide
exchange factors") katalysieren
Austausch von GDP gegen GTP.
H-ras, K-ras und N-ras sind
Protoonkogene. V-ras ist ein
Onkogen. Die Abbildung zeigt Hras mit einer G12R Mutation
(Onkogen).
© Protein Data Bank, 121P
Wittinghofer et al, Environ. Health Perspect (1993)
ras Protein Inhibitoren
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Ein Drittel aller Tumore zeigen ras-Mutanten,
was die Entwicklung membranpermeabler
Hemmstoffe zu einem wichtigen Ziel macht.
In der Klinik sind bisher keine. Die Idee ist
dabei Bindung an regulierende Moleküle zu
verhindern, die wir in VO 4 kennenlernen
werden.
Ein neuer Ansatz führt zu Inhibitoren die an
einer neuen Stelle des Proteins binden und
dort irreversibel an Cys12 binden. Sie
hemmen also nur die G12C Mutation und z.B.
nicht G12R. Günstig ist dass sie bevorzugt
die GDP-bindende (also inaktive) Form von
ras angreifen und damit stabilisieren.
Diese Entwicklungen sind noch weit von der
Klinik entfernt. Biochemisch ist Vorsicht
angebracht: Irreversible Cys-bindende
Agenzien dürften nicht harmlos sein.
© Nature 503:475 (2013)
The real thing
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Die Struktur des G-Protein gekoppelten
Rezeptors Gs im Komplex mit dem ßadrenergen Rezeptor ist inzwischen
aufgeklärt.
Man sieht wie der Rezeptor (blau)
hauptsächlich die a-Untereinheit (rot)
kontaktiert, so dass die
Wechselwirkung gut eine erhebliche
Strukturveränderung in a auslösen
kann.
ß und g (gelb bzw. grün) dissoziieren
dann ab, sind selber als Signalgeber
aktiv und erlauben a in der aktiven
Konformation zu bleiben.
© Nature 29. September 2011
ras Domäne
© Rasmussen et al., Nature
477:549-555 (2011)
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Agonistenbindung führt zu Strukturänderungen am intrazellulär gelegenen C-Terminus.
Dadurch kann das G-Protein binden, die Assoziation von bg an a wird gelöst und die
Struktur von a klappt auf. Dadurch wird der GDT-GTP Austausch ermöglicht.
Die a Untereinheit besteht aus zwei Domänen, der ras-Domäne und der alphahelikalen Domäne. a ist also größer als ras.
bg regulieren Ca++ Kanäle, sind also selber Signalmoleküle.
Sowohl a als auch g sind durch Lipidanker an der Membran fixiert.
Die Kristallstruktur wurde mit Hilfe von Micellen sowie von zwei Hilfsproteinen erreicht,
die zur Stabilisierung der Struktur nötig waren. Letztere sind hier nicht gezeigt.
Adenylatcyklase
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Epinephrine = Adrenalin in USA
Es gibt viele klassische G-Proteine. Das
G-Protein des ß-adrenergen Rezeptors
ist Gs (stimulierendes G).
Gs aktiviert das Enzym Adenylatcyklase,
das in die Zellmembran eingelagert ist.
Adenylatcyklase setzt ATP zu cAMP um.
Phosphodiesterasen spalten cAMP (oder
cGMP) und inaktivieren es damit.
Hemmstoffe z. B. Coffein, Teein,
Sildenafil.
© both figures: Nelson/Cox:
Lehninger Principles of Biochemistry
Proteinkinase A - CREB
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Proteinkinase A (PKA) ist eine cAMPabhängige Serin/Threonin-Kinase.
cAMP bindet an regulatorische
Untereinheiten, dadurch werden katalytische
Untereinheiten frei und aktiv.
Katalytisch aktive PKA kann in den Kern
wandern und dort den Transkriptionsfaktor
CREB (CRE binding protein)
phosphorylieren.
Phosphoryliertes (= aktiviertes) CREB kann
an Bindungsmotive in Promotorsequenzen
binden. Die Bindungsstellen heissen CRE
(cAMP responsive element).
Wenn Sie mit den Akronymen nicht mehr
zurechtkommen versuchen Sie den
Acronymsucher unter http://www.allacronyms.com/links/domains/www.cs.brande
is.edu
© Nelson/Cox: Lehninger Principles of Biochemistry
Verstärkungskaskade
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PKA hat weitere Substrate ausser
CREB.
PKA kann über die Aktivierung der
Phosphorylase Kinase B direkt die
Glycolyse regulieren.
Es ist nicht immer erforderlich dass
eine Signalübertragungskette auf
veränderte Genexpression hinzielt;
auch direkte Enzymregulation ist
möglich.
Signalkaskaden enthalten Schritte die
für eine Verstärkung des Signals
sorgen. Hormone wirken ja
normalerweise bereits in sehr geringen
Dosen, ihre Wirkung wird also in der
Zelle verstärkt.
© Nelson/Cox: Lehninger Principles of Biochemistry
Modell 2
Die Forschung konzentrierte sich oft auf
Elemente für die es gute Inhibitoren gibt.
Für den ß-adrenergen Rezeptor waren das
u.a. Choleratoxin und Pertussistoxin:
Selektiv für Gs und Gi.
© Voet/Voet/Pratt: Lehrbuch der Biochemie
Modell 3
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Der selbe Rezeptor kann
unterschiedliche G-Proteine
verwenden. Der ß2-adrenerge
Rezeptor verwendet in
Herzmyozyten Gs und Gi.
Sowohl die aktiverende (Gs)
als auch die inaktivierende
(Gi) Aktivität des Signalwegs
können wiederum moduliert
werden. Arrestin fördert
spezifisch ERK Aktivierung.
Inverse Agonisten sind
endogene oder exogene
Liganden welche die (teils
erhebliche) Basalaktivität der
Rezeptoren vermindern.
Das Sytem hat mehr Modi als
nur on / off.
© Rosenbaum et al., Nature 459:356 (2009)
(PKC: Proteinkinase C; GRK: G-Protein gekoppelte Rezeptorkinase)

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