Syv transmembrane receptorer

Transkript

1 Syv transmembrane receptorer Receptoren som kommunikationscentral Cellemembranen definerer grænsen mellem en celles indre og ydre miljø, der er meget forskelligt. Det er essentielt for cellens funktion med en skarp adskillelse fra det ydre miljø, men samtidigt er det absolut nødvendigt, at cellerne kan kommunikere med hinanden og respondere på påvirkninger både fra naboceller og fra væv helt andre steder i kroppen. Eksempelvis skal et neuron kunne videreformidle et signal fra et tilstødende neuron i hjernen, ligesom de insulinproducerende celler i bugspytkirtlen skal kunne frigive insulin, når blodsukkeret stiger efter indtagelse af et måltid. I cellemembranen sidder en række proteiner, der varetager kommunikationen med resten af kroppen. De proteiner, der binder et signalstof og videreformidler signalet i cellen, kaldes receptorer (fra det engelske ord receive dvs. at modtage ). Et stof, som binder til en sådan receptor og påvirker receptorens aktivitet, kaldes en ligand. En ligand, der aktiverer en receptor kaldes en agonist, mens en ligand, der inhiberer (inaktiverer) en receptor kaldes en antagonist. De naturligt forekommende ligander er agonister, mens en del lægemidler virker som antagonister. Klassen af syv transmembrane receptorer Den største klasse af receptorer er de syv transmembrane receptorer (7TM receptorer), også kaldet G-protein koblede receptorer (GPCR). 7TM receptorer er receptorer for en meget bred vifte af ligander gående fra ioner og aminosyrer til store peptidhormoner. De har funktioner alle steder i kroppen såsom sanseorganer (syn, lugt og smag), hjernen, hjertet og meget mere. De er således meget forskellige både mht. til typerne af ligander, de binder, og til den biologiske funktion de har. Samtidigt er de dog opbygget på samme måde ved, at de har syv membrankrydsende (transmembrane) domæner, dvs. proteinsegmenter (se figur 1). Desuden kan de alle aktivere et intracellulært protein, der kaldes et G-protein. Receptorers struktur En 7TM receptor har som ethvert andet protein en tredimensionel rumlig struktur. Man kan forestille sig, at den enkelte agonist passer som en brik i et puslespil ind i en specifik receptor eller gruppe af receptorer (i nogle tilfælde findes der en gruppe af forskellige receptorer, der responderer på samme agonist). Når en receptor binder en agonist, sker der en ændring i receptorens struktur, der fører til, at receptoren bliver aktiv. Man kan forestille sig, at når en agonist binder til receptorproteinet fra den ekstracellulære side, starter det en ændring i

2 strukturen, der forplanter sig gennem receptoren til den intracellulære side, hvor de proteiner, der videreformidler signalet bliver aktiveret. Sekundære messengers Aktiveringen af en 7TM receptor fører gennem flere led inde i cellen til op- eller nedregulering af såkaldte sekundære messengers (budbringere) såsom camp (cyklisk Adenosine Mono Phosphate), IP3 (Inositol tri-phosphate) eller calciumioner. I den sidste ende kan det afføde mange forskellige biologiske responser inde i cellen. Det kan være påvirkning af forskellige enzymers aktivitet, påvirkning af ionkanaler (så de har nemmere eller sværere ved at åbne), transkription af gener e.l. G-protein medieret signalering Det man ser som en klassisk signaleringsvej for en 7TM receptor går via et G-protein. Et G- protein består af tre subunits (proteiner der samlet danner en funktionel enhed) hhv. en alpha, beta og gamma subunit. G-proteinets alpha subunit binder GDP (Guanosine Di-Phosphate), men når G-proteinet aktiveres af en 7TM receptor, bindes GTP (Guanosine Tri-Phosphate) i stedet for GDP, hvorved G-proteinet bliver aktivt. Når G-proteinet er aktiveret, skilles G- alpha fra G-betagamma. Det GTP bundne G-alpha aktiverer en effektor (et enzym), mens betagamma påvirker andre proteiner såsom ionkanaler. I figur 2 er vist, hvordan en receptor via et G-protein kan opregulere den intracellulære messenger camp. I dette tilfælde er effektoren enzymet adenylyl cyclase, der danner camp, når den aktiveres af et GTP bundet (aktivt) G-protein. Dette kan eksempelvis påvirke en ionkanal. Der findes flere forskellige G- protein alpha og beta-gamma subunits, der har forskellige funktioner. Et G-alpha protein kan som vist aktivere adenylyl cyklase og dermed føre til camp opregulering, mens et andet kan inhibere adenylyl cyklase og dermed føre til camp nedregulering. En anden vigtig signaleringsvej varetages af et G-protein, der aktiverer Phosho-Lipase C, hvorved der dannes IP3 og til sidst frigives calciumioner i cellen. Nogle 7TM receptorer kan kun aktivere en type G-protein, mens andre kan aktivere flere. Regulering af signalet En biologisk funktion af at have mange trin i en signaleringsproces er, at signalet kan forstærkes. En receptor kan aktivere flere G-proteiner, der hver især aktiverer flere effektorproteiner, der katalyserer dannelsen af mange sekundær messenger molekyler. På denne måde kan der opstå et relativt kraftigt signal i cellen baseret på aktivering af få

3 receptorer. Samtidigt giver hvert trin i processen mulighed for hurtig regulering af signalets styrke. I de tilfælde, hvor signalet skal formindskes, kan dette ske ved påvirkninger såsom fosforylering af de enkelte proteiner i signaleringsprocessen. Specific signalering Selv om en celle fx indeholder to forskellige receptorer, der begge medierer opregulering af camp, når de aktiveres af hver sin ligand, kan sådanne receptorer give vidt forskellige biologiske responser i cellen. Man kender ikke altid den præcise grund til dette, men dimensionerne tid og rum spiller ofte en stor rolle. Tidsdimensionen består i, at man kan forestille sig at flere ting skal ske på samme tid for at opnå en bestemt biologisk effekt. Fx er der et hormon ved navn Glucagon-Like Peptide-1, der frigives, når vi indtager føde. Dette hormon binder til en 7TM receptor på overfladen af de insulinproducerende celler i bugspytkirtlen og stimulerer frigivelsen af insulin fra beta-cellerne. Dette sker ved opregulering af camp, men effekten kommer udelukkende, når der samtidigt er et højt glukoseniveau i blodet. Det kan nævnes, at denne receptor anses for det måske bedste target ( mål ) for udvikling af medicin mod type 2 diabetes. Der er på verdensplan blevet brugt mange hundrede mio. kroner på at finde stoffer, der aktiverer denne receptor, og faktisk er der nu flere projekter i klinisk udvikling (forsøg i mennesker). Det er således sandsynligt, at der inden for få år vil komme medicin på markedet, der virker på denne receptor. Rumdimensionen består i, at cellen rumligt organiserer receptorerne og de proteiner, der påvirkes af receptorerne i små mikrodomæner (små domæner i cellen med en nøje fysisk organisering af proteiner). Hvis en receptor ved aktivering fx opregulerer camp, og den sidder meget tæt sammen med bestemte proteiner, der påvirkes af camp, vil disse proteiner reagere på selv små mængder camp. Andre proteiner, der også reagerer på camp kan sidde et helt andet sted i cellen, hvor camp koncentrationen ikke bliver høj nok til, at det har en effekt (figur 3). Hvis man sammenligner det med radiobølger, kan det ses som, at hver receptor har sin egen frekvens den videreformidler signalet igennem. Neuroner er eksempler på celler med en ekstrem rumlig opbygning. I synapser, der er neuroners kontaktpunkter til hinanden, sidder receptorerne meget tæt for at kunne opfange de transmitterstoffer, der frigives fra præsynapserne. Hvis en receptor sad et andet sted på neuronet, ville den aldrig kunne reagere på de transmittere, der bliver frigivet i synapsen. Samtidig sidder de proteiner, der videreformidler receptorens signal meget nøje organiseret sammen med den enkelte receptor, hvilket sikrer en effektiv videreformidling af signalet.

4 Forskellige receptorer kan give meget forskellige responser, når de hver især er meget tæt fysisk sammenbundet med de proteiner, der modtager signalet. Endda selvom de sidder i samme synapse. Et neuron kan have op til tusinde af synaptiske kontaktpunkter til andre neuroner, og der sidder forskellige typer receptorer i mange af synapserne. På denne måde kan man fra en lidt bredere vinkel se et eksempel på, hvordan en nervecelle fysisk adskiller de forskellige signaler. Ligand: Et stof som binder til en receptor og påvirker receptorens aktivitet. Agonist: En ligand, der aktiverer en receptor. Antagonist: En ligand, der inhiberer (hæmmer) en receptor. Subunit: Underenhed. Her om brugt om et protein, der er del af en funktionel enhed indeholdende mere end et protein. Effektor: Enzym der reguleres af et G-proteins alpha subunit. Mikrodomæne: Domæne i cellen, hvor specifikke proteiner er nøje fysisk organiseret. Figur 1: En 7TM receptor i cellemembranen. Receptoren har den N-terminale (-NH 2 ) aminosyre placeret ekstracellulært, syv membrankrydsende domæner og den C-terminale (-COOH) aminosyre intracellulært. De transmembrane domæner er forbundet af tre ekstracellulære og tre intracellulære loops. 7TM Pharma A/S

5 agonist Ion channel Adenylyl cyclase A -PPP -PPP -PP G-protein P A -P camp (intracellular messenger) Figur 2: G-protein medieret 7TM receptor signalering. Ved agonistbinding aktiverer en 7TM receptor et G-protein ved at stimulere udskiftning af GDP med GTP i G-proteinets alpha subunit. G-proteinets betagamma subunits adskilles nu fra alpha subunit, der aktiverer enzymet adenylyl cyklase. Dette enzym katalyserer omdannelsen af ATP til den sekundære messenger camp, der påvirker andre proteiner i cellen såsom ionkanaler. 7TM Pharma A/S

6 1. 1. Ionkanal γ β I II III IV V VI VII Gαs Adenylyl cyklase I II III IV V VI VII Gs signaling pathway Kinase Broprotein Signal Signal Figur 3: En effektiv signaleringsenhed skabes ved organisering af proteinerne involveret i en signaleringsproces. Her ses en agonistbundet 7TM receptor, der medierer et meget effektivt signal, fordi den via et broprotein er sammenkoblet med andre proteiner i signaleringsprocessen (her adenylyl cyklase, en ionkanal og en kinase). En anden aktiveret receptor, der ikke på samme måde er organiseret med signaleringsproteiner, vil ikke kunne starte et kraftigt signal. 7TM Pharma A/S