Las proteínas G, receptores acoplados y el Nobel de Química

Gracias al gran trabajo de investigación realizado por multitud de biólogos, químicos… y a las muchas horas invertidas en ello, sabemos que las proteínas son las reinas de nuestro organismo, pues prácticamente realizan todas las funciones que uno podría imaginar: poseen función estructural, catalizan reacciones y procesos vitales para nuestra supervivencia, regulan la homeostasis, e incluso nos pueden defender contra aquél patógeno que osa invadir nuestro preciado cuerpo. Actualmente, este conocimiento es el pan nuestro de cada día pero todavía quedan muchas preguntas por responder. Hay una que, desde comienzos del siglo XX, ha estado revoloteando en la cabeza de los investigadores: ¿Cómo se comunican las células entre sí? Que a su vez va enlazada con: ¿Cómo es regulado nuestro organismo?

Ya hace décadas que se sabe de la existencia de un par de proteínas muy especiales, las cuales son capaces de desencadenar cientos de procesos: son las culpables de que tengamos sueño, apetito, de que poseamos nuestras capacidades organosensoriales, de que se nos acelere el pulso… Uno perfectamente podría pensar: ¿Qué clase de brujería es ésta? Pues no, ni brujería ni leches, ¡todo esto tiene explicación!

Estamos hablando de la pareja que forman la proteína G y su receptor asociado. Éstas son las causantes, en general, de todas las cascadas de señalización producidas en el interior de la célula debido a la interacción de ésta con una molécula externa o ligando. Es decir, logran que una célula produzca una respuesta frente a un estímulo concreto proveniente del exterior.

Receptor acoplado a proteína G (GPCR)

Gracias a Robert Lefkowitz, con la colaboración de Brian Kobilka, conocemos casi al detalle el funcionamiento conjunto de estos dos elementos y su importancia para el desarrollo de fármacos. Este año les ha sido otorgado el Premio Nobel de Química por el estudio de los receptores acoplados a la proteína G. Su trabajo pionero durante los últimos 40 años ha proporcionado una perspectiva molecularmente más detallada, dentro de la estructura y función de esta gran e importante familia de receptores.

Aproximación al receptor acoplado a proteína G.

Este receptor consiste en una única proteína, la cual posee 7 α-hélices que atraviesan la membrana plasmática; por contra, sus extremos carboxilo y amino se localizan en el interior y exterior celular, respectivamente. Debido a la peculiaridad de su conformación, a estos receptores se les denomina receptores transmembrana de siete dominios, receptores 7TM, receptores heptahelicoidales, o incluso receptores serpentina. Pero aquí nos referiremos como GPCR para abreviar (proviene de G-Protein Coupled Receptors).

En la figura siguiente se señala en color rojo las zonas de las hélices donde se podrá unir el ligando, y en colores azul y verde aquellas regiones del receptor donde interaccionará con la proteína G. Si se observa la leyenda que acompaña al esquema, se puede ver que hay regiones de unión a Gα y a Gβγ. Esto es porque, como se verá más adelante, la proteína G no es una unidad sólida.

Esquema de la estructura de un GPCR

Los GPCR van a reconocer una enorme variedad de moléculas y señales sensoriales. Por citar algunas: hormonas como la dopamina, adrenalina e histamina; factores de crecimiento, mediadores de la inflamación… Así que se puede suponer que la respuesta celular final vendrá en función del ligando que interaccione con el GPCR.

La Proteína G y su función.

En cuanto a la proteína G, es llamada así debido a que va a unir moléculas de GTP (un análogo del ATP en cuanto a moneda energética). Los efectores que son regulados por esta proteína comprenden enzimas como la adenililciclasa, fosfolipasa C, fosfodiesterasas y canales de iones de la membrana plasmática selectivos para Ca²⁺ y K⁺. Ésta puede ser o trimérica o monomérica, siendo la primera estructura más frecuente.

La proteína G trimérica posee tres subunidades denominadas α, β y γ. En condiciones de reposo, estas subunidades estarán unidas y localizadas en la membrana plasmática, de cara al citosol, mediante la interacción hidrofóbica con moléculas de tipo ácido graso o isoprenoide. La subunidad α llevará unido GDP, que intercambiará por GTP en un proceso que se verá más adelante y que conllevará, finalmente, a la creación de una respuesta por parte de la célula.

En el exterior de la célula, un ligando (por ejemplo, la hormona adrenalina) reconocerá y se unirá a ciertas regiones de las α-hélices del receptor. Esta unión conducirá a un cambio conformacional del GPCR, que hará que la proteína G se active.

Mecanismo de acción de la proteína G

Esta proteína (en el caso de ser trimérica) puede presentar dos estados conformacionales: puede estar en reposo o activa. Cuando se encuentra en reposo (es decir, sin interaccionar con el receptor), las 3 subunidades de la proteína permanecen unidas, y la subunidad α (también denominada Gα) tiene unida una molécula de GDP. Al producirse el cambio de conformación por parte del GPCR, la subunidad α cambiará el GDP por un GTP, conduciendo a la separación o disociación de esta subunidad del complejo trimérico; Gα seguirá uniendo GTP, mientras que el dímero Gβγ quedará  a un lado.

Por tanto, la Gα-GTP será la molécula desencadenante de lo que denominamos una cascada intracelular de señales, en tanto que esta subunidad activará a otras proteínas, las cuales liberarán segundos mensajeros de diverso tipo que actuarán mediando la respuesta celular (activando o reprimiendo a factores de transcripción de genes, liberando moléculas al exterior de la célula…).

Por último, para detener la respuesta que desencadena Gα-GTP, la propia actividad enzimática de tipo GTP-asa que posee el complejo Gα-GTP va a poder “eliminar” esa molécula de GTP mediante su hidrólisis, obteniendo GDP + P_i (fosfato inorgánico). Al quedar unida a GDP, la subunidad Gα recuperará su conformación de reposo y se volverá a asociar a las subunidades β y γ.

Las proteínas G monoméricas, que constan solamente de la subunidad α, se localizan en el citosol en forma soluble o en el nucleoplasma, poseen actividad GTP-asa, y actúan como moduladoras de procesos clave tales como la proliferación y diferenciación celulares o la estructura del citoesqueleto. A pesar de presentarse solubilizadas en el citoplasma, pueden anclarse a la membrana celular a través de una cadena hidrofóbica, de forma que permanecen ocultas hasta que un ligando active a un GPCR y éste a su vez induzca el cambio conformacional de la proteína G. Este tipo de proteínas ha sido un objeto de estudio de gran importancia ya que una sub-clase de proteína G monomérica, denominada Ras y responsable de la regulación de la proliferación celular, ha sido asociada a la formación de tumores ocasionada por mutaciones en el gen que codifica la proteína o por sobreexpresión de ésta.

Historia de los GPCR y perspectivas de futuro.

El concepto de los GPCR tomó forma a principios del siglo XX, y fue J.N. Langley el primero que introdujo la idea de una “sustancia receptiva” dentro de las células para explicar la habilidad de las drogas o fármacos para regular la transmisión neuromuscular.

Sin embargo, en los años 70, varios farmacólogos como Ahlquist y Sutherland se mostraron escépticos sobre si esos receptores, de hecho, existían como distintas entidades. Durante este periodo de incertidumbre, Robert Lefkowitz se empezó a interesar en la Biología de los Receptores, y ese interés tomaría las riendas de su carrera científica.

Los ganadores del Nobel de Química 2012, Robert Lefkowitz y Brian Kobilka (izquierda y derecha, respectivamente)

El Dr. Lefkowitz comenzó su investigación en los años 60 y principios de los 70. Dada su formación como cardiólogo, estuvo interesado en el estudio de los receptores adrenérgicos (aquellos que tienen como ligando a la hormona adrenalina) ya que tienen gran importancia en el sistema cardiovascular. Su equipo de investigación pasó 15 años desarrollando técnicas para estudiar estos receptores, como por ejemplo el marcaje de mensajeros químicos con isótopos radioactivos, que luego interaccionarían con las membranas celulares para así localizarlas y, tras una purificación, conocer a qué se unían esos mensajeros.

En 1982, el Dr. Lefkowitz trastocó todo lo que se sabía sobre los GPCR cuando él y sus compañeros (entre ellos, Brian Kobilka) clonaron el gen y el cDNA del receptor β₂ adrenérgico y se vio que tenía homología de secuencia y estructural con la rodopsina, una proteína que contienen los bastones de la retina que nos permite ver en condiciones de baja luminosidad. Debido a este gran hallazgo, Lefkowitz y su equipo establecieron a estos receptores como los primeros miembros de una familia de proteínas, los receptores de siete hélices transmembrana (7TMRs).

Esta superfamilia es ahora conocida como la más grande, más diversa y la más accesible terapéuticamente. Desde entonces, el Dr. Lefkowitz ha continuado revolucionando el campo de los GPCR a través del aislamiento y clonación de 8 de los 9 subtipos de receptores adrenérgicos, el primer receptor de la hormona de la felicidad o serotonina (5HT1A), y el descubrimiento y clonación de otras proteínas que regulan estos receptores, como las quinasas de GPCR (GRK) y β-arrestinas.

Según palabras del galardonado Dr. Lefkowitz, comprender el funcionamiento de estas dos enzimas mencionadas anteriormente puede, con el tiempo, llevar al desarrollo de nuevos tratamientos y terapias para tratar enfermedades humanas, como por ejemplo la insuficiencia cardiaca, la hipertensión, el asma… Recientemente, su grupo de investigación ha descubierto que el sistema β-arrestina/GRK es bifuncional: además de servir como reguladores negativos, esta pareja actúa como un sistema de transducción de señales que sirve de apoyo a otros sistemas con la misma función (quinasas de tipo MAPKs), incluso cuando el sistema de Proteína G y receptor acoplado está fuera de combate.

Con este hallazgo, Lefkowitz ha visto que la posibilidad de diseñar fármacos que sirvan como estimulantes de la señalización mediada por el sistema β-arrestina/GRK está a nuestro alcance, pero aún quedan varios cabos sueltos. Todavía queda mucho por investigar; sin embargo, estamos más cerca de comprender al detalle el funcionamiento de nuestro cuerpo.

Bibliografía consultada:

• Jeffrey L. Benovic. G-Protein-Coupled Receptors Signal Victory. Cell. 151: 1148-1150
• Robert Leftkowitz. 2007. Seven transmembrane receptors—A brief personal retrospective. Biochimica et Biophysica Acta. Biomembranes. 1768: 748–755
• Robert J. Lefkowitz. 2012. An interview with Robert J. Lefkowitz. Trends in Pharmacological Sciences. 33: 51
• David L. Nelson, Michael M. Cox. Lehninger. Principios de Bioquímica. 4ª Ed
• Sudarshan Rajagopal, Seungkirl Ahn, David H. Rominger, William Gowen-MacDonald, Christopher M. Lam, Scott M. DeWire, Jonathan D. Violin & Robert J. Lefkowitz. 2011. Quantifying Ligand Bias at Seven-Transmembrane Receptors. The American Society for Pharmacology and Experimental Therapeutics. Mol Pharmacol 80: 367–377
• Ralph Snyderman. 2011. Introduction of Robert J. Lefkowitz. The Journal of Clinical Investigation. 121: 10
• El investigador del HHMI Robert Lefkowitz fue galardonado con el premio Nobel de Química de 2012. HHMI News. 10 de octubre de 2012.

PD: Este artículo forma parte de la Edición nº 8 del Journal of Feelsynapsis, revista online y gratuita que podéis leer pinchando en este enlace. Por cierto, hace poco ha visto la luz la nueva entrega, que pinta muy interesante, como nos tienen acostumbrados. :-)