HC21. GPRC’s en 2nd messengers

Algemene informatie

• Welke onderwerpen worden behandeld in het hoorcollege?
  • In dit college wordt uitgebreid de functie en werking van GPRC's en 2nd messengers toegelicht
• Welke onderwerpen worden besproken die niet worden behandeld in de literatuur?
  • Alle onderwerpen in dit college worden ook behandeld in de literatuur
• Welke recente ontwikkelingen in het vakgebied worden besproken?
  • Er zijn geen recente ontwikkelingen besproken
• Welke opmerkingen worden er tijdens het college gedaan door de docent met betrekking tot het tentamen?
  • Er zijn geen opmerkingen over het tentamen gemaakt
• Welke vragen worden behandeld die gesteld kunnen worden op het tentamen?
  • Er zijn geen mogelijke vragen behandeld

GPCR’s:

G-protein-Coupled Receptors activeren trimere G-eiwitten → interessant voor toekomstige artsen:

• Er zijn meer dan 800 verschillende GPCR’s gecodeerd in ons genoom
• Deze zijn betrokken bij veel biologische processen en aandoeningen
• Het zijn succesvolle “drug targets”

Er zijn twee hoofdtypen receptoren:

• Cell-surface receptors/membraangebonden receptoren: extracellulaire signalen gaan via meerdere tussenstappen naar de “effectoren”
  • Ion-kanaal gekoppelde receptoren: een chemisch signaal wordt omgezet in een elektrisch signaal
    • Post-synaptische acetylcholine receptoren
  • Enzym-gekoppelde receptoren: receptor tyrosine kinases
    • Bv. insuline receptoren op spier- en vetcellen en FGF-receptoren
    • Een ligand in de vorm van een dimeer bindt aan twee receptoren → deze receptoren binden en worden geactiveerd → kunnen een verbonden enzym activeren → 2nd messengers
  • G-eiwit gekoppelde receptoren (GPCRs): een receptor die met een signaalmolecuul een binding aan kan gaan met een G-proteïne → activeert het G-eiwit
    • Dit G-eiwit laat dan los van de receptor en bindt aan een enzym
    • Dit gebeurt allemaal op het membraan
• Intracellulaire receptoren: communicatie via twee belangrijke moleculaire schakelmechanismes
  • Fosforylering van eiwitten: tyrosine, serine of threonine kinases
  • Defosforylering van eiwitten: tyrosine, serine of threonine fosfatases

G-eiwitten

G-eiwitten zijn celoppervlakte receptoren die in een membraan zitten:

• Hebben een specifieke structuur die 7x heen en weer door het membraan gaat
• Het eiwit blijft altijd aan het membraan zitten
• Als het signaalmolecuul (bv. adrenaline) bindt aan de receptor, ontstaat er een confirmatieverandering van de receptor → het eiwit kan aan de receptor binden → wordt geactiveerd → activeert andere eiwitten

Fosforylering kan zowel inactivatie als activatie zijn. G-eiwitten kunnen d.m.v. de celoppervlakte receptoren GPCR’s GTP binden en hydrolyseren:

• Een G-eiwit is actief als er een GTP gebonden is
• Een G-eiwit wordt door hydrolyse inactief
  • GTP wordt via een eigen, intrinsieke enzymatische activiteit van het G-proteïne GTPase gehydrolyseerd tot GDP

Hoofdklassen G-eiwitten:

Er zijn twee hoofdklassen G-eiwitten:

• Hetero-trimere G-eiwitten: een membraangebonden eiwitcomplex dat gebonden en geactiveerd wordt door gestimuleerde G-Protein Coupled Receptors (GPRC’s)
  • Een trimeer G-eiwit bestaat uit 3 subunits:
    • α-subunit
    • β-subunit
    • γ-subunit
  • De α-subunit bevat GDP in inactieve staat en kan door de receptor geactiveerd worden →confirmatieverandering van de Gα-subunit → GDP wordt losgelaten → GTP kan binden →het geactiveerde βγ-complex laat los → het G-eiwit kan nu een target proteïne of een enzym activeren
  • Geactiveerd Gα-eiwit kan target eiwitten stimuleren in activiteit: de α-subunit zelf bezit ook GTPase activiteit en kan GTP hydrolyseren tot GDP → inactivatie van het G-eiwit
    • Deze intrinsieke GTPase activiteit kan gestimuleerd worden door RGS (regulator of G-protein signalering)
• Monomere G-eiwitten
  • Een belangrijk monomeer G-eiwit is het Ras-eiwit (een GTPase)
    • De hoeveelheid GTP-gebonden (actieve) Ras wordt beïnvloed door twee regulator eiwitten:
      • GEF (guanine exchanger factors): stimuleert Ras
      • GAP (GTPase activating proteins): inactiveert Ras

Targetenzymen van hetero-trimere eiwitten:

Hetero-trimere eiwitten worden dus geactiveerd door GPRC’s. Twee belangrijke target-enzymen die gestimuleerd worden door GPCR-geactiveerde G-eiwitten zijn:

• Adenylyl cyclase: zet ATP om in cyclisch AMP (cAMP)
  • Dit is een amplificatiestap voor een 2nd messenger: cAMP is (net als cGMP) een 2nd messenger → activeert proteïne kinase A (PKA), een serine-threonine kinase
    • PKA activeert o.a. enzymen en transcriptiefactoren door fosfaatgroepen eraf te koppelen
    • Normaal is PKA inactief
    • Cellen reageren zeer verschillend op cAMP/PKA-activatie doordat verschillende celtypes hun “eigen” set van eiwitten tot expressie brengen die door PKA gefosforyleerd kunnen worden
    • In een neuronale cel activeert PKA via verschillende processen de transcriptie van een doelgen in de kern
      • PKA gaat vanuit het cytosol naar de kern
    • Bij een spiercel kan een verhoogde adrenalinewaarde zorgen voor glycogeenafbraak:
      1. Adrenaline activeert GPCR
      2. GPCR activeert het G-eiwit → meer cAMP aanmaak
      3. cAMP activeert PKA → fosforyleert phosphorylase kinase
      4. Phosphorylase kinase activeert glycogeen phosphorylase → glycogeenafbraak
• Fosfolipase C: zet PIP2 om in IP3 en DAG:
  1. Een signaalmolecuul activeert GPCR
  2. GPCR activeert een G-eiwit
  3. De α-subunit van het G-eiwit activeert fosfolipase C
  4. Fosfolipase C splitst PIP2 (dat vastzit in het membraan) in IP3 en DAG
  5. IP3 en DAG zijn 2nd messengers en openen calciumkanalen in het ER
  6. Calcium komt het cytosol in →gaat naar doeleiwitten in de cel enamplificeert het signaal
  • Calcium activeert als 2nd messenger bv. PKC (protein kinase C) in het membraan
  • Een subset van GPRC’s komt vaak hoog tot expressie in tumoren
    • Er zijn activerende mutaties in Gα-subunits waargenomen in verschillende typen tumoren → stimuleert de celdeling
    • Spelen in veel gevallen een rol in de metastasering
    • Er wordt constant PKC geactiveerd → tumorgroei en proliferatie