GPCR-B
Family-B G-protein-coupled receptors
Anthony J Harmar
Genome Biology 2001 2(12): reviews3013.1-3013.10
http://genomebiology.com/2001/2/12/reviews/3013

Все G-protein-coupled receptors (GPCRs) обладают общей молекулярной архитектурой(с 7 предполагаемыми трансмембранными сегментами) и общим сигнальным механизмом, с помощью которого они взаимодействуют с G белками (гетеротримерными GTPases), чтобы регулировать синтез внутриклеточных вторичных мессенджеров, таких как цАМФ, inositol phosphates, diacylglycerol и ионы кальция. GPCRs разделены на 6 семейств, 3 из которых обнаружены у позвоночных. Недавно иденифицировано еще несколько новых GCPR семейств. Семейство B (secretin-receptor семейство или 'семейство 2') небольшое, но включает структурно и функционально отличающиеся группы белков, включая рецепторы для полипептидных гормонов и группу Drosophila белков, которые регулируют стрессовые реакции и продолжительность жизни.
Все G-protein-coupled receptors (GPCRs) обладают общей молекулярной архитектурой (с 7 предполагаемыми трансмембранными сегментами) (7TM), тремя внеклеточными петлями (EC1, EC2, EC3), тремя внутриклеточными (IC1, IC2, и IC3), N-терминальным внеклетоным доменом и внутриклеточныс С-термирнальным доменом. GPCRs классифицированы Kolakowski в 6 семейств: rhodopsin семейство (A), secretin-рецепторов  семейство (B), metabotropic glutamate рецепторов семейство (C), fungal pheromone P- и α-factor рецепторов (D), fungal pheromone A- и M-factor рецепторов (E) и cyclic-AMP рецепторов  Dictyostelium (F). Семейства A-C названы по наиболее известным членам.  Недавно идентифицировано несколько новых семейств предположительно GPCRs и показано, что некоторые, если не все  м. иметь общее эволюционное происхождение. Предложено делить GPCRs на 3 сверхсемейства


(Рис.1.)  |  An overview of the relationships of GPCRs, based on the analysis reported by Graul и Sadee

Secretin receptor является характерным GPCRs и способен регулировать внутриклеточную концентрацию цАМФ путем coupling с adenylate cyclase. Однако, его аминокислотные последовательности имели очень отдаленную гомологию с др. известными GPCRs (семейство B ).

GENE ORGANIZATION И EVOLUTIONARY HISTORY

Около 33 генов человека кодируют членов семейства B


(Рис.2.)  |  A phylogenetic tree of семейство-B GPCRs

Семейство-B GPCRs выявляется во всем животном царстве, но не у растений, грибов или у прокариот. Имеется, по крайней мере 18 генов, кодирующих семейство-B GPCRs у Drosophila и 6 у Caenorhabditis elegans. В семействе B, три отдельных подсемейства GPCRs  - B1, B2 и B3.

Subfamily B1

Подсемейство B1 состоит из классических рецепторов гормонов, кодируются они 15 генами у человека, предположительно 5 членов у Drosophila и 3 у C. elegans. Лигандами для рецепторов в этом семействе

(Табл.1) Functions of hormone receptors in семейство B1

являются полипептидные гормоны из   27-141 аминокислотных остатков; 9 рецепторов млекопитающих отвечают на лиганды, которые структурно сходны один с др. (glucagon, glucagon-like peptides (GLP-1, GLP-2), glucose-dependent insulinotropic polypeptide (GIP), secretin, vasoactive intestinal peptide (VIP), pituitary adenylate cyclase-activating polypeptide (PACAP) и growth-hormone-releasing hormone (GHRH)). 3 из лигандов для  subfamily-B1 (glucagon, GLP-1 и GLP-2) синтезируются с помощью пост-трансляционного процессинга одного полипептидного предшественника, proglucagon. Все члены этого подсемейства способны регулировать внутриклеточную концентрацию цАМФ путем купирования  с adenylate cyclase через стимулирующий G протеин GS. Некоторые члены подсемейства способны передавать сигналы через дополнительный, купированный с  G-белком сигнальный путь, напр., посредством активации phospholipase C.

Subfamily B2

Подсемейство B2 самое большое в семействе-B GPCRs с длинными внеклеточными N-концами, содержащими различные структурные элементы, сцепленные со стержневым 7TM мотивом. Члены этого подсемейства получили разные имена: EGF-TM7 рецепторы, что отражает присутствие доменов epidermal growth factor (EGF) в N-концевой области этих белков; LN-TM7 рецепторы, что означает длинный N-конец; и LNB-TM7 рецепторы, что означает  'long amino terminus, семейство B'. Прототипом членов этого подсемейства был   EGF-module-содержащий, муцин-подобный гормональный рецептор (EMR1) , выделенный из из библиотеки кДНК нейроэктодермы человека и антиген клеточной поверхности лекоцита CD97. EMR1 и CD97 сходны по структуре с двумя др. белками человека (EMR2 и EMR3), и все члены этой группы экспрессируются на высоком уровне в иммунной системе.
Подсемtйство B2 содержит также и др. подгруппы. Во-первых, calcium-независимые рецепторы для α-latrotoxin, мощного пресинаптического нейротоксина из яда паука черная вдова, который стимулирует массивное высвобождение нейротарнсмиттера, ведущее к дегенерации нервных окончаний.  Идентифицированы три гена, кодирующие кальций-независимые рецепторы  latrotoxin (CL-1 CL-2 и CL-3, называемые также lectomedin-2, lectomedin-3 и lectomedin-1). Во-вторых,  brain-specific angiogenesis inhibitors 1, 2 и 3 (BAI1, BAI2, BAI3), группа белков, которая участвует в васкуляризации glioblastomas. В третьих, белок, кодируемый геном Drosophila  flamingo, известный также как starry night, и их ортологи у человека (cadherin EGF LAG seven-pass G-type receptors Celsr1, Celsr2 и Celsr3) и у C. elegans (F15B9.7). Наконец, подсемейство включает четвертую, отличающуюся, группу рецепторов, которые содержат некоторые мотивы, общие рецепторам подсемейства B2, но во всем остальном структурно им неродственные (human epididymis 6 (HE6), EGF-TM7-latrophilin-related protein (ETL), immunoglobulin-repeat-containing receptor Ig hepta, G-protein-coupled receptor 56 (GPR56) и very large G-protein-coupled receptor 1 (VLGR1)). Секвенирование генома человека показало, что имеется по крайней мере 18 генов у человека. которые кодируют членов подсемейства  B2, и 4 у Drosophila и 3 у C. elegans.

Subfamily B3

Прототипом третьего подсемейства (subfamily B3) семейства-B GPCRs является methuselah (mth), ген, выделенный при поиске мутаций, удлинняющих жизнь D. melanogaster. Ген кодирует полипептид, который обладает сходством последовательностей с др. семействами-B GPCRs только внутри TM7 области. По крайней мере 8 паралогов methuselah выявленов в геномных последовательностях Drosophila. Не выявлено очевидных гомологов methuselah в последовательностях генома человека или C. elegans.

Семейство-B GPCRs диспергировано по всей 13 хромосоме человека.  немногие гены кластрированы так. что м. подозревать на их происхождение в результате удвоений родоначального гена.  Так, гены, кодирующие CD97, EMR2, EMR3 и  latrotoxin рецептор CL-1 обнаружены внутри области в 700 kilobase (kb) на 19p13.13, а EMR1лежит примерно на 9 megabases (Mb) ближе к теломере. ETL и latrotoxin receptor CL-3 тесно сцеплены в 1p31.1, а гены, кодирующие CRF2 рецептор, GHRH рецептор и PAC1 рецептор кластрированы в области в  450 kb на хромосоме 7p14.3. GHRH и PAC1 рецепторы результат дупликации гена, т.к. они соседствуют в геноме и имеются доказательства существования единственного предшественика белка для лигандов GHRH и PACAP у низших позвоночных.

CHARACTERISTIC STRUCTURAL FEATURES

Характерным свойством всего семейства-B GPCRs является 7TM мотив


(Рис.3.)  |  Alignment of the 7TM region of selected семейство-B GPCRs

, который удаленно сходен со сравнимыми областями некоторых др. GPCR семейств, но сильнее всего законсервирован в семействе B. Законсервированные цистеиновые остатки внутри внеклеточных петель EC1 и EC2 вероятно формируют дисульфидные мостики, по аналогии с семейством-A GPCRs, в котором это свойство также законсервировано. В отличие от семейства-A GPCRs, где они, по-видимому, базируются на внутренних гидрофибных последовательностях для таргетинга  плазматических мембран, большая часть семейства-B GPCRs, по-видимому, имеет N-терминальный сигнальный пептид. Установлено, что N-терминальный внеклеточный домен существенен для связывания лиганда, но что трансмембранные домены и ассоциированные области внеклеточных петль рецепторов предоставляют критическую информацию, необходимую для специфического взаимодействия с лигандами. Все гормональные рецепторы в семействе B содержат законсервированную область внутри N-термирального внеклеточного домена вблизи к TM1, который м. играть роль в связывании лиганда


(Рис.4.)  |  Alignment of a putative hormone-binding domain in the extracellular region of семейство-B GPCRs.

. Этот предполагаемый гормон-связывающий домен, который содержит три или четыре законсервированных остатка cysteine и два законсервировванных остатка tryptophan, а также содержит aspartate, который м.б. критическим для связывания лиганда гормональными рецепторами. Сплайс варианты этой области PAC1 рецептора обнаруживают лиганд-связывающую специфичность и сродство. Предполагаемый гормон-связывающий домен присутствует также у более чем  50% белков подсемейства-B2, но остаток aspartate , важный для связывания гормона не законсервирован в этих белках.
Как и в семействе-A GPCRs, внутриклеточная петля IC3 семейства-B GPCRs содержит основные детерминанты, необходимые для специфического связывания (coupling) G-protein: сплайс варианты этой области м. давать рецепторы, которые отличаются  по их способности купировать различные G белки. Альтернативный сплайсинг IC1 у CRF1 и calcitonin рецепторов влияют на связывание G-белка. Большинство GPCRs в семействе B обладает некоторой агонист-независимой (конституитивной ) активностью у форм дикого типа. Кроме того, естественно возникшеи точковые мутации гистидина в соединении между IC1 и TM2 и  threonine в TM6 PTH1рецептора человека были ассоциированы с коституитивной активацией PTH1 рецептора при Jansen-типе metaphyseal chondrodysplasia, редкой генетической формы карликовости с короткими конечностями, вызываемой  задержкой формирования эндохондральной кости , котрая ассоциирована с тяжелой гиперкальцемией и гиперкальцурией.  Мутагенез эквивалентного треонина в TM6 у GIP рецептора и эквивалентного гистидина в соединении IC1 и TM2 oу VPAC1 рецептора также ведет к конституитивной активности.
Почти все рецепторы подсемейства B2 содержат два структурных свойства в дополнение к 7TM области, общей для всех членов семейства B: во-первых, a mucin-подобная область, богатая сериновыми и треониновыми остатками и, во-вторых, законсервированный богатый цистеином протеолизный домен (Cys box), называемый также как GPCR proteolysis site (GPS), который, как известно, расщепляет в latrotoxin рецепторе CL-1, в CD97 и в ETL белке, чтобы рецептор с двумя субъединицами.  Возможно, что протолитическое расщепление м.б. важным для функционирования большинства рецепторов в подсемействе B2.
Рецепторы в подсемействе B2 содержат различные добавочные структурные мотивы в своих больших N-терминальных внеклеточных доменах, которые указывают на рол этих доменов  в межклеточной адгезии и передаче сигналов. Сюда входят  EGF домены (у Celsr1, Celsr2, Celsr3, EMR1, EMR2, EMR3, CD97 и Flamingo), laminin и cadherin повторы (у Flamingo и его ортологов Celsr1, Celsr2 и Celsr3 у человека), olfactomedin-подобные домены  (в latrotoxin рецепторах), thrombospondin type 1 повторы (in BAI1, BAI2 и BAI3) и, в Ig hepta, an immunoglobulin C-2-типа домен, обнаруживаемый также в  fibroblast growth factor (FGF) рецепторе 2 и адгезивных молекулах нейральных клеток L1. VLGR1 имеет две копии мотива  (Calx-beta), присутствующего в Na+-Ca2+exchangers и integrin субъединице β4.

LOCALIZATION и FUNCTION

Как упоминалось выше 9 из 15 ( Табл. 1) лигандов структурно родственны, а 3 рецептора отвечают избирательно на разные лиганды, которые все синтезируются в результате пост-трансляционного процессинга одного полипептидного предшественника (proglucagon). VPAC1 и VPAC2 рецепторы отвечают на физиологические конц. двух разных лигандов (PACAP и VIP), в то время как PAC1 рецептор отвечает избирательно на PACAP. Предполагалось, что существуют два рецептора для corticotropin-releasing factor (CRF). Однако, установлено, что хотя CRF и является физиологическим лигандом для CRF1 рецептора, однако более мощными лигандами для CRF2 рецептора являются urocortins,  семейство пептидов, структурно родственных CRF , но кодируемых другими генами с другим паттерном экспрессии. Возможно, что первоначально описанные два рецептора для parathyroid hormone (PTH1 и PTH2 рецепторы), очевидно, имели разные физиологические лиганды: PTH1 рецепторы отвечали на паратироидный гормон и parathyroid hormone-related protein (PTHrP), а PTH2 рецепторы отвечали на 'tubero-infundibular peptide of 39 residues' (TIP39), новый пептид, изолированный из гипоталямуса теленка.
A семейство из трех малых акцессорных белков, называемых receptor activity-modifying proteins (RAMPs) играют роль в детерминации лиганд-связывающей специфичности двух гормональных рецепторов в подсемействе B1 способом, который описан для любых др. GPCRs. Ко-экспрессия calcitonin-receptor-like (CALCRL) гена человека с RAMP1 вызывает рецепторную избирательность для calcitonin-gene-related peptide (CGRP), тогда как RAMP2 и RAMP3 способствуют экспрессии рецепторной избирательности для гормонального пептида в 52 аимнокислоты, adrenomedullin. Скорее всего, экспрессия гена calcitonin receptor (CALCR) с RAMP2 ведет к тому, что рецептор отвечает более мощно на calcitonin, тогда как экспрессия CALCR с RAMP3 ведет к тому, что рецептор отвечает как на calcitonin так и панкреатический гормон amylin; а экспрессия CALCR с RAMP1 способствует образованию рецептора, отвечающего более мощно на amylinи CGRP. Т.обр., взаимодействие продуктов двух рецепторных генов с тремя RAMPs потенциально способно генерировать 6 фармакологически отличных рецепторов. Если этот феномен окажется более распространенным, то это изменит мнение молекулярных фармакологов на функциии GPCRs и разрушит догму 'one gene, one type of receptor pharmacology'.
Функции 5 предполагаемых гормональных рецепторов, идентифицированных в геноме Drosophila и природа их лигандов неизвестны. Два из них (CG4395 и CG17415) наиболее близки рецепторам млекопитающих для calcitonin и CRF, два др. рецептора, кодируемые, CG8422 и CG12370, родственны diuretic гормональным рецепторам (пептидным гормонам, участвующим в регуляции жидкости и секреции ионов), которые идентифицированы у др насекомых, но их гомологи у млекопитающих неизвестны.
Функции большинства рецепторов подсемейства  B2 неизвестны, хотя их тканевое распрделение указывает на то, что многие из них мю выполнять важные функции в нервной системе или иммунной системе. CD97, гликопротеин, который присутсвуетна поверхности большинства активрованных лейкоцитов, взаимодействует с CD55 (decay-accelerating factor),  glycosyl-phosphatidylinositol-сцепленной молекулой клеточной поверхности, которая играет рольв регуляции активации комлемента. CD97 является единственным рецепторомв подсемействе B2 для которого идентияицирован лиганд, однако нет доказательств существования лиганда для EMR3, др. члена подсемейства B2, экспрессирующегося в иммунной системе на макрофагах человека и активированных нейтрофилах. Ген Drosophila  flamingo/starry night , по-видимому, функционирует ниже frizzled, который кодирует рецептор для Wnt сигнальных белков, и dishevelled, который кодирует внутриклеточный трансдуктор сигнала Wnt, при детерминации тканевой полярности кутикулярных структур и, независимо от frizzled, при детерминации формы дендритных полей развивающихся нейронов Drosophila. ортологи у человека (Celsr1, Celsr2 и Celsr3) и у C. elegans (F15B9.7) вероятно выполняют сходную рольв тдетерминации тканевой полярности и с винаптогенезе. Рецепторы для latrotoxin м. участовать в контроле синаптического экзоцитоза , а BAI1, BAI2 и BAI3 , как полагают, играют роль в контроле ангиогенеза в головном мозге, но природа их лигандов неизвестна. 

Important mutants

Мутации гормональных рецепторов подсемейства B1 и некоторых их лигандов представлены в Табл. 1. Напр.,  PAC1 рецептор широко распространен в ЦНС и ПНС? наиболее многочиленен в dentate gyrus гиппокампа и спинном мозге, но экспрессируется также и в панкреатических beta (инсулин-секретирующих) клетках. PAC1-receptor-нулевые мыши обладают несколькими независимыми аномалиями, включая дефицит hippocampus-зависимого ассоциативного обучения, сопровождаемый  повреждениями в мшистых волокнах долговременной потенциации; высокой локомоторной активностью и более беззаботным поведением, чем сибсы дикого типа; аномальными сдвинутыми по фазе циркадными часами в ответ на свет; замедленной реакцией на болевые стимулы; и пониженной секрецией инсулина в ответ на глюкозу. Мутации др. гормональных рецепторов в семействе B м. иметь сходный многостороннй фенотип.

Мыши little мутантные карлики, дефицитные по секреции ростового гормона имеют признаки, указывающие на сигнальные механизмы семейства B GPCRs. Фенотип little мышей обусловлен нуклеотидной заменой критического asparagine остатка в предполагаемом гормон-связывающем домене рецептора GHRH на glycine остаток. Мутация устраняет способность рецептора связывать GHRH. У человека, редкие мутации, ведущие к инактивации, укорочению или неправильному сплайсингу продукта гена GHRHR, имеют эквивалентный фенотип. Мутагенез эквивалентного остатка в  VPAC1 рецепторе человека также устраняет связывание гормона.
Изучение нокаутных по рецептору PTH1 мышей выявило важную роль этого рецептора для роста костей и развития зубов и молочных желез: они имеют дефект в развитии эндохордальной кости, который ведет к деформации черепа и диспропорционально коротким конечностям.  Выявляется ключевая роль негативной петли обратной связи. в которой задейстовован морфоген Indian hedgehog, синтезируемый в хондроцитах, которые в процессе дифференцировки в гипертрофические (непролиферирующие) клетки, стимулируют продукцию parathyroid-hormone-related protein (PTHrP) в перихондрии, а PTHrP, в свою очередь, ингибирует хондроциты от движения по пути дифференцировки. Мутации рецептора PTH1 ведут к конституитивной активности рецептора и тем самым вызывают  Jansen type of metaphyseal chondrodysplasia. Инактивация мутаций в гене рецептора PTH1 дает Blomstrand chondrodysplasia, состояние, характеризующееся преждевременным созреванием эндохондральной кости, аномальным развитием зубов и отсутствием грудных тканей.

FRONTIERS

Широкий спектр аномалий, выявляемый при нокауте рецепторов семейства-B (таких как PAC1 рецептор), и эмбриональная летальность при др (таких как PTH1 рецептор) указывает на  то, что тканеспецифичность и/или стадиоспецифичность контролируют генный таргетинг. Получены 'floxed' mice, у которых экспрессия PAC1 рецепторного гена или для PTH1 рецептора лиганда PTHrP м. устраняться избирательно в тканях, экспрессирующих Cre recombinase.
Механизмы, с помощью которых в подсемействе B2 осуществляется их деятельность, остаются неизвестными. Определенно, что связывание G-белка и активация синтеза вторичных внутриклеточных мессенджеров необходимы для их функции. Необходимо идентифицировать лиганды для таких рецепторов, которые, подобно лиганду-прототипу CD55, являются скорее всего интегральными мембранными белками, экспрессирующимися на клеточной поверхности. Важно установить, действительно ли  протеолитическое расщепление N-терминального внеклеточного домена белков подсемейства B2 генерирует рецепторы из двух субъединиц с помощью процесса, известного для CL-1, в CD97 и в ETL. Возможно, что протеолиз демаскирует сайт связывания для экзогенного лиганда или, альтернативно, растворимый фрагмент внеклеточного домена, освобождаемый с помощью протеолиза, м. сам быть физиологическим лигандом по аналогии с тромбиновым рецептором и др протеазами активируемымирецепторами в семействе А.
Следует учитывать, что локусы, отвечающие за чувствительность кожи к нарушениям, воспалительные заболеваниям кишечника, мозжечковую атаксию и деформации конечностей, нарушения урогенитальной системы и неба, картируются близко к области хромосомы 19p13, которая содержит кластер генов, кодирующих CD97, EMR2, EMR3 и CL-1.


Сайт создан в системе uCoz