Thụ thể bắt cặp với G protein

Một thụ thể giảm đau μ bắt cặp với G protein với chất kích thích của nó.

Một cấu trúc với bảy đoạn xoắn ốc α nằm trong lớp màng tế bào của một thụ thể bắt cặp với G protein.

Thụ thể bắt cặp với G protein (G protein-coupled receptor - GPCR), còn có tên là thụ thể bảy vực xuyên màng, thụ thể 7TMs, thụ thể bảy đoạn xoắn ốc (heptahelical receptor), thụ thể uốn khúc hình rắn (serpentine receptor), thụ thể liên kết với G protein (G protein-linked receptors - GPLR), là một họ protein lớn bao hàm những thụ thể màng sinh chất có khả năng cảm nhận được các phân tử bên ngoài tế bào và qua đó kích thích các quá trình truyền dẫn tín hiệu để dẫn đến kết quả cuối cùng là tạo ra phản ứng thích hợp cho tế bào. Thụ thể bắt cặp G protein chỉ được tìm thấy trong các sinh vật nhân chuẩn, bao gồm cả nấm men, trùng đuôi roi dạng phễu (choanoflagella),^[1] và động vật. Các phối thể bám vào và kích hoạt thụ thể G bao gồm các hợp chất nhạy cảm với ánh sáng, phân tử mùi hương, pheromone, kích hãm tố, và chất dẫn truyền thần kinh; các phối thể này rất đa dạng về kích thước từ những phân tử nhỏ cho đến các đoạn peptide hay các protein lớn. Thụ thể bắt cặp G protein có liên quan tới nhiều bệnh tật trong cơ thể và cũng là mục tiêu của khoảng 30 phần trăm số dược phẩm hiện nay.^[2][3]

Có hai quá trình dẫn truyền tín hiệu chủ yếu có sự góp mặt của thụ thể GCPR:

• quá trình AMP vòng và
• quá trình phosphatidylinositol.^[4]

Khi một phối thể bám vào GPCR, nó khiến cấu hình của GPCR thay đổi và điều này cho phép GPCR hoạt động như một nhân tố trao đổi guanine nucleotide (guanine nucleotide exchange factor - GEF). Tức là GPCR sẽ hoạt hóa một G protein đi kèm với nó bằng việc trao đổi GDP của nó cho một GTP. Tiểu đơn vị α của protein cùng với GTP đó lúc này có thể tách rời khỏi các tiểu đơn vị β và γ để tác động đến các protein dẫn truyền tín hiệu nội bào hay các protein chức năng đích; cái này tùy thuộc vào tiểu đơn vị α thuộc vào loại gì (G_αs, G_αi/o, G_αq/11, G_α12/13).^[5]

GPCRs là một trong những mục tiêu quan trọng cho các thuốc điều trị đích, có khoảng 34%^[6] thuốc điều trị đích nhắm tới 108 thành viên của họ thụ thể này được phê chuẩn từ Hội quản lý thực phẩm và thuốc (FDA). Lượng bán ra toàn cầu của những loại thuốc này ước lượng là 180 tỉ đô US trong năm 2018^[6].

Phân loại

Số lượng của liên họ GPCR chưa được xác định chính xác, nhưng có ít nhất 831 Gen Người khác nhau (hay nói cách khác chiếm khoảng 4% trong bộ gen mã hóa cho protein) được dự đoán là mã hóa cho họ protein này từ kết quả phân tích Giải trình tự DNA từ bộ gen^[7][8]. Mặc dù có rất nhiều cách để phân loại được đưa ra, liên họ này về cơ bản được chia làm 3 nhóm chính (A,B, và C) mà không có trình tự tương đồng được phát hiện giữa các nhóm.

Nhóm lớn nhất là nhóm A, chiếm tới 85% của bộ gen của GPCR. Hơn nửa GPCRs nhóm A được dự đoán là mã hóa cho thụ thể khứu giác (olfactory receptors), trong khi các thụ thể còn lại có phối tử (ligand) được biết là những hợp chất nội sinh (endogenous compounds) hoặc chưa được tìm ra và được xếp loại là các thụ thể mồ côi (orphan receptors). Bất chấp sự thiếu hụt về trình tự tương đồng giữa các nhóm, tất cả thụ thể GPCRs có cấu trúc và cơ chế dẫn truyền tín hiệu tương tự. Nhóm thụ thể rhodopsin A rộng lớn được chia nhỏ thêm nữa thành 19 nhóm nhỏ (A1-A19) ^[9]

Dựa vào hệ thống phân loại A-F, GPCRs có thể được chia thành 6 nhóm dựa trên trình tự tương đồng và chức năng tương tự:

• Nhóm A (hoặc 1) - thụ thể Rhodopsin và các thụ thể tương tự Rhodopsin
• Nhóm B (hoặc 2) - họ thụ thể Secretin
• Nhóm C (hoặc 3) - thụ thể Metabotropic glutamate mGluRs/pheromone
• Nhóm D (hoặc 4) - Fungal mating pheromone receptors
• Nhóm E (hoặc 5) - thụ thể AMP vòng
• Nhóm F (hoặc 6) - Frizzled/Smoothened

Gần đây, một hệ thống phân loại khác được gọi là GRAFS (Glutamate, Rhodopsin, Adhesion, Frizzled/Taste2, Secretin) đã được đề xuất cho GPCRs của động vật có xương sống.^[7] Chúng tương ứng với các nhóm cơ bản C, A, B2, F, and B.^[10]

Một nghiên cứu ban đầu dựa trên trình tự DNA gợi ý rằng bộ gen người mã hóa cho khoảng 750 GPCRs ^[11], trong đó khoảng 350 thụ thể có thể phát hiện nội tiết tố (hormones), các yếu tố tăng trưởng (growth factors), và các phối tử nội sinh khác. Có khoảng 150 GPCRs trong bộ gen người chưa được biết rõ về chức năng.

Một vài website dịch vụ^[12] và phương pháp dự đoán tin sinh học^[13][14] đã được áp dụng để phân loại GPCRs dựa trên trình tự amino acid của chúng, hay còn được coi là ứng dụng tổng hợp chuỗi amino acid giả (pseudo amino acid composition)

Vai trò sinh lý

GPCR có mặt trong nhiều quá trình sinh lý của cơ thể, tỉ như:

1. Vai trò trong thị giác: GPCR opsin sử dụng một phản ứng quang đồng phân hóa để chuyển các bức xạ điện từ thành các tín hiệu tế bào. Ví dụ như rhodopsin sử dụng sự chuyển đổi võng mạc 11-cis thành võng mạc tất cả trans nhằm phục vụ mục đích này.
2. Vai trò trong khứu giác: thụ thể của biểu mô khứu giác bám vào các chất thơm (thụ thể chất thơm) và các pheromone (thụ thể xương lá mía).
3. Điều chỉnh tính khí và hành vi: các thụ thể trong não động vật có vú bám vào một số chất dẫn truyền thần kinh, bao gồm serotonin, dopamine, axít Gamma-aminobutyric (GABA), và glutamate.
4. Điều hòa các hoạt động của hệ miễn dịch và phản ứng sưng viêm: thụ thể chemokine bám vào các phối thể có vai trò trung gian giữa sự liên lạc của tế bào với hệ thống miễn dịch; các thụ thể như histamine bám vào các chất môi giới sưng viêm và tác động vào các tế bào đích trong phản ứng sưng viêm.
5. Truyền tín hiệu trong hệ thần kinh tự chủ: cả hệ thần kinh giao cảm và hệ thần kinh phó giao cảm đều được điều tiết bởi các quá trình liên quan tới GPCR, chúng chịu trách nhiệm trong việc kiểm soát nhiều chức năng tự động của cơ thể tỉ như huyết áp, nhịp tim và quá trình tiêu hóa.
6. Cảm nhận số phận của tế bào: vai trò mới của GPCR trong việc điều tiết "số phận" của tế bào.

Cấu trúc

GPCR là một protein xuyên màng trong đó bảy vực của nó nằm xuyên qua lớp màng sinh chất, chúng là các chuỗi xoắn xuyên màng. Phần nằm bên ngoài tế bào của thụ thể có thể được glycosylat hóa. Các vòng nằm ở bên ngoài tế bào của GCPR cũng bao hàm các cysteine hình thành nên các liên kết disulfide để ổn định cấu trúc của thụ thể. Một vài protein xoắn xuyên màng (channelrhodopsin) giống như GPCR có thể bao hàm các kênh ion nằm trong protein đó.

Các mô hình cấu trúc ban đầu về các GPCR được xây dựng phỏng theo các nghiên cứu về bacteriorhodopsin, theo đó một cấu trúc đã được xác minh dựa trên sự nhiễu xạ điện tử (PDB: 2BRD​, 1AT9)^[15][16] và phương pháp tinh thể học tia X (1AP9).^[17] Vào năm 2000, cấu trúc tinh thể đầu tiên của GPCR của động vật có vú (rhodopsin của bò (1F88) đã được tìm ra.^[18] Trong khi cấu trúc đặc trưng - tức bảy chuỗi xoắn xuyên màng - được bảo tồn cao, hướng xoắn tương đối của các chuỗi xoắn này khác nhiều so với bacteriorhodopsin. Năm 2007, cấu trúc đầu tiên của GPCR người (2R4R, 2R4S) đã được tìm ra.^[19] Sự kiện này được nối tiếp bởi một cấu trúc độ phân giải cao hơn của cùng một thụ thể (2RH1).^[20][21] Cấu trúc của thụ thể GPCR β₂-adrenergic này rất giống với cấu trúc của rhodopsin bò xét về hướng xoắn của bảy chuỗi xoắn xuyên màng, tuy nhiên cấu hình của vòng nằm ngoài tế bào thứ hai thì khác nhau hoàn toàn. Vì vòng này cấu thành một cái nắp che phủ vị trí bám của phối thể, sự khác nhau ở vòng này cho thấy những khó khăn trong việc xây dựng mô hình tương đồng của toàn bộ hệ GPCR nếu chỉ dựa vào mỗi cấu trúc của rhodopsin.

Xem thêm

• Thụ thể mồ côi
• Pepducin một lớp thụ thể bắt cặp protein được đánh giá là "đích nhắm" của một số loại dược phẩm
• G protein-coupled receptors database

Chú thích

1. King, Nicole; Hittinger, Christopher T.; Carroll, Sean B. (18 tháng 7 năm 2003). “Evolution of key cell signaling and adhesion protein families predates animal origins”. Science (New York, N.Y.). 301 (5631): 361–363. doi:10.1126/science.1083853. ISSN 1095-9203. PMID 12869759.
2. Filmore, David (2004). “It's a GPCR world”. Modern Drug Discovery. American Chemical Society. 2004 (November): 24–28.
3. Overington, John P.; Al-Lazikani, Bissan; Hopkins, Andrew L. (tháng 12 năm 2006). “How many drug targets are there?”. Nature Reviews. Drug Discovery. 5 (12): 993–996. doi:10.1038/nrd2199. ISSN 1474-1776. PMID 17139284.
4. Gilman A.G. (1987). “G Proteins: Transducers of Receptor-Generated Signals”. Annual Review of Biochemistry. 56: 615–649. doi:10.1146/annurev.bi.56.070187.003151. PMID 3113327.
5. Wettschureck N, Offermanns S (2005). “Mammalian G proteins and their cell type specific functions”. Physiol. Rev. 85 (4): 1159–204. doi:10.1152/physrev.00003.2005. PMID 16183910.
6. ^ Hauser AS, Chavali S, Masuho I, Jahn LJ, Martemyanov KA, Gloriam DE, Babu MM (January 2018). "Pharmacogenomics of GPCR Drug Targets". Cell. 172 (1–2): 41–54.e19. PMID 29249361 doi:10.1016/j.cell.2017.11.033
7. ^ Bjarnadóttir TK, Gloriam DE, Hellstrand SH, Kristiansson H, Fredriksson R, Schiöth HB (September 2006). "Comprehensive repertoire and phylogenetic analysis of the G protein-coupled receptors in human and mouse". Genomics. 88 (3): 263–73.. doi:10.1016/j.ygeno.2006.04.001
8. "keyword:"G-protein coupled receptor [KW-0297]" AND organism:"Homo sapiens (Human) [9606]" in UniProtKB" [1] www.uniprot.org. Truy cập ngày 24 tháng 6 năm 2019.
9. Joost P, Methner A (October 2002). "Phylogenetic analysis of 277 human G-protein-coupled receptors as a tool for the prediction of orphan receptor ligands" [2] Genome Biology. 3 (11): RESEARCH0063 doi:10.1186/gb-ngày 11 tháng 3 năm 2002-research0063 PMID 12429062.
10. Krishnan A, Almén MS, Fredriksson R, Schiöth HB (2012). Xue C (ed.). "The origin of GPCRs: identification of mammalian like Rhodopsin, Adhesion, Glutamate and Frizzled GPCRs in fungi [3] PLOS ONE. 7 (1): e29817. doi:10.1371/journal.pone.0029817 PMID 22238661
11. Vassilatis DK, Hohmann JG, Zeng H, Li F, Ranchalis JE, Mortrud MT, Brown A, Rodriguez SS, Weller JR, Wright AC, Bergmann JE, Gaitanaris GA (April 2003). "The G protein-coupled receptor repertoires of human and mouse" [4] Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 100 (8): 4903–8. doi:10.1073/pnas.0230374100. PMID 12679517
12. Xiao X, Wang P, Chou KC (July 2009). "GPCR-CA: A cellular automaton image approach for predicting G-protein-coupled receptor functional classes". Journal of Computational Chemistry. 30 (9): 1414–23. doi:10.1002/jcc.21163 PMID 19037861
13. Qiu JD, Huang JH, Liang RP, Lu XQ (July 2009). "Prediction of G-protein-coupled receptor classes based on the concept of Chou's pseudo amino acid composition: an approach from discrete wavelet transform". Analytical Biochemistry. 390 (1): 68–73. doi:10.1016/j.ab.2009.04.009 PMID 19364489
14. Gu Q, Ding YS, Zhang TL (May 2010). "Prediction of G-protein-coupled receptor classes in low homology using Chou's pseudo amino acid composition with approximate entropy and hydrophobicity patterns". Protein and Peptide Letters. 17 (5): 559–67. doi:10.2174/092986610791112693 PMID 19594431
15. Grigorieff N, Ceska TA, Downing KH, Baldwin JM, Henderson R (1996). “Electron-crystallographic refinement of the structure of bacteriorhodopsin”. J. Mol. Biol. 259 (3): 393–421. doi:10.1006/jmbi.1996.0328. PMID 8676377.
16. Kimura Y, Vassylyev DG, Miyazawa A, Kidera A, Matsushima M, Mitsuoka K, Murata K, Hirai T, Fujiyoshi Y (1997). “Surface of bacteriorhodopsin revealed by high-resolution electron crystallography”. Nature. 389 (6647): 206–11. doi:10.1038/38323. PMID 9296502.
17. Pebay-Peyroula E, Rummel G, Rosenbusch JP, Landau EM (1997). “X-ray structure of bacteriorhodopsin at 2.5 angstroms from microcrystals grown in lipidic cubic phases”. Science. 277 (5332): 1676–81. doi:10.1126/science.277.5332.1676. PMID 9287223.
18. Palczewski K, Kumasaka T, Hori T, Behnke CA, Motoshima H, Fox BA, Trong IL, Teller DC, Okada T, Stenkamp RE, Yamamoto M, Miyano M (2000). “Crystal structure of rhodopsin: A G protein-coupled receptor”. Science. 289 (5480): 739–45. doi:10.1126/science.289.5480.739. PMID 10926528.
19. Rasmussen SG, Choi HJ, Rosenbaum DM, Kobilka TS, Thian FS, Edwards PC, Burghammer M, Ratnala VR, Sanishvili R, Fischetti RF, Schertler GF, Weis WI, Kobilka BK (2007). “Crystal structure of the human β₂-adrenergic G-protein-coupled receptor”. Nature. 450 (7168): 383–7. doi:10.1038/nature06325. PMID 17952055.
20. Cherezov V, Rosenbaum DM, Hanson MA, Rasmussen SG, Thian FS, Kobilka TS, Choi HJ, Kuhn P, Weis WI, Kobilka BK, Stevens RC (2007). “High-resolution crystal structure of an engineered human β₂-adrenergic G protein-coupled receptor”. Science. 318 (5854): 1258–65. doi:10.1126/science.1150577. PMC 2583103. PMID 17962520.
21. Rosenbaum DM, Cherezov V, Hanson MA, Rasmussen SG, Thian FS, Kobilka TS, Choi HJ, Yao XJ, Weis WI, Stevens RC, Kobilka BK (2007). “GPCR engineering yields high-resolution structural insights into β₂-adrenergic receptor function”. Science. 318 (5854): 1266–73. doi:10.1126/science.1150609. PMID 17962519.

Tham khảo

Liên kết ngoài

• MeSH G-protein-coupled+receptors
• Wikipedia:MeSH D12.776#MeSH D12.776.543.750.100 --- receptors.2C g-protein-coupled
• “A phylogenetic tree of all human GPCRs”. Bản gốc (PDF) lưu trữ ngày 15 tháng 9 năm 2019. Truy cập ngày 11 tháng 8 năm 2008.
• Dk, Vassilatis; Jg, Hohmann; H, Zeng; F, Li; Je, Ranchalis; Mt, Mortrud; A, Brown; Ss, Rodriguez; Jr, Weller (15 tháng 4 năm 2003). “The G protein-coupled receptor repertoires of human and mouse”. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (bằng tiếng Anh). 100 (8). doi:10.1073/pnas.0230374100. ISSN 0027-8424. PMC 153653. PMID 12679517.
• “GPCR Database”. IUPHAR Database. International Union of Basic and Clinical Pharmacology. Bản gốc lưu trữ ngày 15 tháng 9 năm 2008. Truy cập ngày 11 tháng 8 năm 2008.
• Vriend G, Horn F (ngày 29 tháng 6 năm 2006). “GPCRDB: Information system for G protein-coupled receptors (GPCRs)”. Molecular Class-Specific Information System (MCSIS) project. Bản gốc lưu trữ ngày 25 tháng 4 năm 2019. Truy cập ngày 11 tháng 8 năm 2008.
• UMich Orientation of Proteins in Membranes families/superfamily-6
• “GPCR Reference Library”. Truy cập ngày 11 tháng 8 năm 2008. Reference for molecular and mathematical models for the initial receptor response
• “G Protein-Coupled Receptors on the NET”. Bản gốc lưu trữ ngày 23 tháng 7 năm 2011. Truy cập ngày 10 tháng 11 năm 2010. a classification of GPCRs

Bản mẫu:Transmembrane receptors Bản mẫu:G protein-coupled receptors