G PROTEIN-COUPLED RECEPTORS

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1 G PROTEIN-COUPLED RECEPTORS

2 G PROTEIN - COUPLED RECEPTORS (GPCRS) GPCRs costituiscono la più grande famiglia genica del nostro genoma (~950 geni). Sono target della maggioranza dei farmaci, tra quelli più venduti (40-50% del mercato!!!) Esempi: -Zyprexa (disturbo bipolare & schizofrenia, Eli Lilly) -Clarinex (anti-allergico, Schering-Plough) -Zantac (trattamento e prevenzione ulcere; GlaxoSmithKline) -Zelnorm (Sindrome del colon irritabile (IBS), Novartis)

3 Recettori accoppiati a Proteine-G (GPCR) e rispettivi Ligandi Neurotrasmettitori: Catecolaminergico Adrenergico b1 b2,3 a1 a2 Dopaminergico D1 D2 Colinergico Muscarinico M 1,3, 5 M 2, 4 Serotoninergici 5-HT 1, 2, 4 Ormoni Peptidici TRH CRF Somatostatina Vasopressina (V 1,2 ) Glucagone PTH Calcitonina Altri fattori di regolazione: Trombina Bradichinina Eicosanoidi: PGE 2 PGF 2a PGI 2 LTC 4, LTD 4 TXA 2 Fotoni: Rodopsina

4 Classi DI GPCRs Classe I: rhodopsin-like Classe II: glucagon-like Classe III: metabotropic glutamatelike

5 GPCR FUNZIONI Vista: le opsine usano la fotoisomerizzazione del retinale per tradurre l energia elettromagnetica in segnali cellulari. La rodopsina, ad esempio, usa la conversione dell 11-cis-retinale a all-trans-retinale. Olfatto: recettori dell epitelio olfattivo legano gli odori (recettori olfattori) e feromoni (recettori vomeronasali). Regolazione del comportamento e dell umore: recettori centrali per serotonina e dopamina. Regolazione del sistema immune e dell infiammazione: chemochine legano recettori che mediando la comunicazione tra cellule del sistema immune; recettori per l istamina attivano mediatori della flogosi. Trasmissione del sistema nervoso autonomo: simpatico e para- usano recettori

6 Recettori attivati da proteasi (Trombina) ClassE I: Rhodopsin-like Pigmento visivo (Rodopsina) Recettori per neurotrasmettitori (muscarinici, dopaminergici etc.) Recettori per peptidi (TSH, FSH etc.) Recettori per ormoni glicoproteici (Bradichinina, Vasopressina, Endotelina)

7 Pituitary adenylate cyclase-activating peptide (PACAP) ClassE II: Glucagon-like Calcitonina Secretina Corticotropin releasing factor (CRF) Glucagone Parathyroid hormone (PTH)

8 ClassE III: mglu-like Gamma-aminobutyric acid type B (GABA B ) Metabotropic gluamate (mglu)

9

10 Modifiche Post-traduzionali Glicosilazione -Contribuisce alla stabilità, affinità per il ligando, al signaling Fosforilazione -Modula l interazione con le G-protein, l internalizzazione del recettore, il cross-talk tra recettori

11 il gpcr nella membrana plasmatica

12 GPCR: STRUTTURA FUNZIONE

13 Possibili interazioni tra GPCR e rispettivi Ligandi G-protein Ligandi di piccole dimensioni G-protein Ligandi peptidici G-protein Glutammato e Trombina

14 Dimerizzazione Domini di assemblaggio Crosstalk di recettori chimerici SSTR5/D2R (D2R rescue del SSTR5 mutato) Dimeri di GABA B R1/R2 Dimeri di Rodopsina Dimeri di Recettori Olfattivi e del Gusto

15 Dimeri funzionali D2R/SSTR5 Somatostatin + SSTR5 R S Somatostatin + SSTR5 ΔC S X Somatostatin + SSTR5 ΔC + D2 receptor S Viene ripristinato il segnale della SS tramite il D2R

16 Caratteristiche proprie dei GPCR Signaling ritardato rispetto a Recettori Canale Amplificazione del segnale Produzione di Secondi messaggeri

17 amplificazione del segnale 1 Recettore n Proteine-G Recettore Proteine-G Proteine-G Proteine-G (n Effettori) n Effettore Effettore Effettore Effettore ((n Messaggeri) n ) n ((n Effettori) n ) n ) n!!! Secondo Secondo meessagg Secondo meessagg Secondo meessagg Secondo meessagg messagger ero ero ero ero o

18 GPCR: STRUTTURA FUNZIONE

19 GPCR: INTERAZIONE CON LE PROTEINE-G

20 CICLO DI ATTIVAZIONE DELLE PROTEINE-G

21 RECLUTAMENTO DELLE PROTEINE-G E TRASDUZIONE DEL SEGNALE

22 Recettori accoppiati a Proteine-G (GPCR) e TRASDUTTORI DEL SEGNALE Neurotrasmettitori: Catecolaminergico Adrenergico b1 b2,3 a1 a2 Dopaminergico D1 D2 Colinergico Muscarinico M 1,3, 5 M 2, 4 Serotoninergici 5-HT 1, 2, 4 G s G s G q G i /G 0 G s G i /G 0 G q G i +AMPcyclase +Canali Ca ++ +AMPcyclase +Fosfolipase C -AMPcyclase +Canali K + -Canali Ca ++ +AMPcyclase -AMPcyclase +Canali K + -Canali Ca ++ +Fosfolipasi C -AMPcyclase +Canali K +

23 Subunità alfa delle Proteine-G etero-trimeriche nel SNC Famiglia Gas Gas1 Gas2 Gas3 Gas4 Gaolf MW 52,000 52,000 45,000 45,000 45,000 ADP-ribosilazione mediata da Tossine Cholera Effettori Adenilato ciclasi (attivazione) Gi Gai1 Gai2 Gai3 41,000 40,000 41,000 Pertussis Adenilato ciclasi (inibizione) canali del K + (attivazione) canali del Ca ++ (inibizione) PL-PC (attivazione) PLA2 (attivazione)

24 Subunità alfa delle Proteine-G etero-trimeriche nel SNC Famiglia MW ADP-ribosilazione mediata da Tossine Effettori Gao1 Gao2 Gat1 39,000 39,000 39,000 Pertosse Colera e Pertosse canali del K + (attivazione) canali del Ca ++ (inibizione) Fosfodiesterasi (retina) Gat2 Gagust Gaz 40,000 41,000 41,000 Sconosciuta Fosfodiesterasi (epitelio gustativo) adenilato ciclasi (inibizione) Gq Gaq Ga11 Ga14 Ga15 Ga16 41,000 43,000 Sconosciuta PLC-PI (attivazione) Ga12 Ga13 44,000 44,000 Sconosciuta RhoGEF (attivazione Rho)

25 La Trasduzione del Segnale: Subunità α Adenilato Ciclase Fosfolipasi C(β1) Fosfolipasi D Fosfolipsi A2 Guanilato Ciclase Canali ionici (K, Ca) Fosfodiesterase Sfingomielinasi NOS Complesso βγ ERK Canali ionici GRK PKC Adenilato Ciclase Fosfolipasi C(β2)

26 Le subunita Gαs Stimolano l azione dell Adenilato Ciclasi di membrana Le subunita Gαi inibiscono l azione dell Adenilato Ciclasi di membrana

27 ADENILATO CICLASI

28 Ciclo del camp

29 ADENILATO CICLASI: REGOLAZIONE

30 TRASDUZIONE DELLE VIE DIPENDENTI DAL camp

31 AB-Toxins A = Sub-unità enzimatica B = Sub-unità recettoriale AB-Toxins legano le cellule target tramite la sub-unità B La sub-unità B catalizza l entrata nelle cellule target La sub-unità A agisce nel citosol della cellula ospite tramite ADP-ribosylation

32 TOSSINE DEL COLERA E DELLA PERTOSSE 1.Internalizzazione (AB-toxins) 2.ADP-ribosilazione della G α : -Chl Tox > G αs ADP-ribosilazione No GTPase activity A-Ciclase costitutivamente attiva Canali al Cl - aperti (Enterici) -Pert Tox> G αi ADP-rybosilazione No scambio GDP/GTP No inibizione della A-Ciclase No inibizione del riflesso tosse

33 SUBUNITA Gq: ATTIVAZIONE DELLA PLC-PI

34 Fosfolipasi C: sottotipi

35 Via dei Fosfoinositidi

36 TRASDUZIONE MEDIATA DAI FOSFO-INOSITIDI DI MEMBRANA

37 Caratteristiche proprie dei GPCR Signaling ritardato rispetto a Recettori accoppiati a Canale Amplificazione del segnale Produzione di Secondi messaggeri

38 LA PRODUZIONE DI SECONDI MESSAGGERI AMPLIFICA E DIVERSIFICA IL SEGNALE BIOLOGICO

39 secondi messaggeri ed effettori I secondi messaggeri contribuiscono all amplificazione del segnale: camp: canali ionici, fattori di trascrizione, protein cinasi Ca 2+ : canali ionici, trasportatori, pompe, fattori di trascrizione, protein cinasi, fosfatasi, proteasi etc. cgmp: canali ionici (retina, epitelio olfattivo) IP3: canali ionici, protein cinasi

40 - La cinasi del GPCR (GRK) responsabile della desensitizzazione IL RUOLO DEL COMPLESSO Gβγ Rimane ancorato alla membrana a molecole di Glicosil-fosfatidilinositolo tramite la subunità γ. Tra i possibile effettori primari del complesso Gβγ abbiamo: - I canali del K+(Inwardly Rectifying, o GIRKs) cardiaci e neuronali (iperpolarizzanti) - I canali voltaggio-dipendenti del Ca 2+ di tipo P/Q Type (cerebellari) - I canali voltaggio-dipendenti del Ca 2+ di tipo N-Type (neuronali) - Alcune isoforme di Adenilato Ciclasi - Alcune isoforme di PLC-PI (beta) - Alcune isoforme di Phosphoinositide 3-Kinase(PI3K)

41 Desensitizzazione: - Il complesso βγ attiva la GRK (cinasi del recettore) - La GRK fosforila il recettore nei suoi loop intracellulari (secondo o terzo) - La β-arrestina riconosce il recettore fosforilato legandosi ad esso - Proteine del citoscheletro tirano il complesso arrestina/recettore per internalizzarlo

42 Dinamica dell interazione Recettore/Complesso Trimerico: La Desensitizzazione

43 DESENSITIZZAZIONE Omologa: GRK > desensitizzazione Eterologa: PKA > desensitizzazione NE PKA Recettore X GRK arrestin Desensitizzazione omologa Recettore Y Desensitizzazione eterologa

44 Promiscuità di accoppiamento Diverse GPCRs possono accoppiarsi a più di un sottotipo di G protein attivando più vie di trasduzione del segnale!!!

45 CROSS-TALK RECETTORIALE

46 CROSS-TALK RECETTORIALE

47 GPCR e patologia Diabete insipido nefrogenico V2 vasopressin receptor (no G-protein Interaction, no AC activation) Pubertà Precoce LH receptor (G-protein costitutivamente attiva nelle cellule del Leydig) McCunne-Albright Syndrome (Iperaldo-cortsonismo prim., pseudo-pubertà precoce) CRF, GHRH, LH, FSH, PTH receptor (G-protein costitutivamente attive) Kaposi's sarcoma Il virus codifica per una GPCR virale responsabile della trasformazione cellulare

48 GPCR e patologia Virus entry: HIV/CCR7-R, JCV/5HT 2 -R Ipertiroidismo Gestazionale Familiare Recettore del TSH mutato sensible alla hgnrh Retinite pigmentosa (cecità notturna congenita) Alterazione della rodopsina (no cgmp-ase, canali del Na + aperti)

49 GPCR E TRASDUZIONE DEL SEGNALE Activation or

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