Selectividad funcional de  agonistas de receptores acoplados a proteína G

Los receptores acoplados a proteína G (GPCR) procesan una variedad  de señales extracelulares relacionadas con la cognición, los sentidos, el control hormonal y metabólico, la regulación cardiovascular y el sistema inmune, y transmiten  esta información a rutas de señalización intracelular. Este sistema de  señalización está formado principalmente por GPCR, proteínas G y efectores. Los GPCR son codificados por 1000 genes aproximadamente y representan una de las familias  más grandes en el genoma humano. La proteína G consiste  de las subunidades Gα, Gβ y Gγ codificadas por genes separados a partir de un “pool” de  genes de al menos 16 Gα, 6 Gβ y 12 Gγ. Este pool  potencialmente permite aproximadamente 1000 variaciones  del complejo proteína G (Gα/Gβ/Gγ). Las proteínas G regulan aproximadamente 100 efectores diferentes. En contraste con esta diversidad, el mecanismo molecular que subyace a la activación dependiente  de GPCR de las proteínas G ha evolucionado  de  una manera conservadora entre las diferentes especies. En los últimos 20 años, se han reportado muchas mutaciones activadoras o inactivadoras de GPCR o proteínas G como causas subyacentes  de diferentes enfermedades. Los análisis de las mutaciones han revelado no sólo las rutas moleculares de muchas enfermedades sino también  los mecanismos fisiológicos de los GPCR.

Las redes de señalización  GPCR comprenden los GPCR, las proteínas G y los efectores. En algunos casos, cada eje GPCR-proteína G-efector trabaja independientemente. En otros casos,  múltiples GPCR se acoplan a una proteína G produciéndose una señal convergente. Asimismo, se han reportado muchos ejemplos con un GPCR acoplado  a múltiples proteínas G, produciéndose una señal divergente. En el modelo clásico, un agonista interactúa con un GPCR que se acopla con múltiples proteínas G y se activan múltiples rutas de señalización  relacionadas con estas proteínas G. En este modelo, para que se active solamente una ruta de señalización, un agonista necesita aparearse con un GPCR que se acople específicamente  con una sola proteína G. Recientemente, ha ganado aceptación un nuevo concepto, en el cual un agonista  puede activar una ruta de señalización especifica a través de  un GPCR involucrado en múltiples rutas de señalización. Este concepto es conocido  como selectividad funcional. Un modulador alostérico  que media los efectos del agonista,  y actúa en un sitio del GPCR diferente al sitio de interacción del agonista, puede aumentar o atenuar las señales o en algunos casos puede activar rutas de  señalización específicas. 

Dos conceptos han recibido mucha atención en la última década. El primero de ellos, conocido como “eficacia pluridimensional”, reconoce que los GPCR interactúan tanto con  proteínas G como con proteínas no G. Esto representa el reconocimiento de redes de señalización independientes de proteína G y revela la verdadera eficacia  de los GPCR.   Los efectores no proteína G mejor caracterizados son las arrestinas, una familia de cuatro proteínas citoplasmáticas conocidas inicialmente por su rol en la desensibilización  de los GPCR  y en la modulación de la fototransducción.   Las arrestinas se unen a receptores ocupados por agonistas que han sido fosforilados por  las kinasas de GPCR y producen desensibilización homóloga del receptor. En el caso de las arrestinas no visuales, arrestina 2 y 3 (β-arrestina 1 y 2), el extremo C terminal de la arrestina se une a elementos de la maquinaria endocítica, provocando el secuestro de los receptores desensibilizados. Las arrestinas también reclutan proteínas  e inician una “segunda onda”  de señalización que transita los compartimentos intracelulares. Los efectores regulados por arrestinas  incluyen a la familia de kinasas Src, a componentes de la cascada MAPK,  la ligasa de ubiquitina, las fosfodiesterasas de AMPc, la diacilglicerol kinasa y la proteína fosfatasa 2A, entre otros. Aunque la importancia fisiológica de la señal arrestina no está aún aclarada completamente, la evidencia acumulada  indica que la señal GPCR dependiente de arrestinas interviene en funciones como degradación de segundos mensajeros, regulación de la dinámica del citoesqueleto, control de tráfico de vesículas,  exocitosis y  migración celular, y promoción de supervivencia, crecimiento e hiperplasia celular.

El segundo concepto crítico es la formulación de un modelo alostérico general de la señal GPCR. Ligandos estructuralmente distintos pueden activar al mismo GPCR de maneras diferentes, algunas de las cuales sólo pueden ocurrir si hay más de un estado activo del receptor. Los estudios bioquímicos y biofísicos proporcionaron la evidencia de que los GPCR adoptan múltiples estados activos que acoplan al receptor  a diferentes efectores con diferente eficiencia. El modelo alostérico  visualiza a los GPCR como “ensambles” de conformaciones terciarias. En cualquier momento, la actividad biológica del sistema refleja la distribución de la población de receptores a través de cada uno de los micro estados  que forman el ensamble conformacional. Cualquier interacción molecular que cambia la energía del sistema tiene el potencial para para afectar el ensamble conformacional  de manera tal que afecta también  la señalización. Consideradas como proteínas alostéricas, los GPCR son susceptibles a numerosos impulsos que modifican sus propiedades de señalización. Además de los efectos ortostáticos ejercidos a través del sitio de unión del ligando, los efectos alostéricos laterales que provienen de las interacciones proteína-proteína en la membrana plasmática o el citoplasma y las modulación alostérica que proviene de la interacción  de moléculas pequeñas con sitios externos a la unión del ligando, también afectan la señalización. Los conceptos de “selectividad funcional” y “agonismo sesgado” emergen de los principios  de eficacia pluridimensional y modelos alostéricos  de la eficacia de los GPCR para producir una descripción comprensible  de la conducta ortostática del ligando.  

En el modelo clásico de activación  de los GPCR  se asume que los estos receptores existen en equilibrio entre un estado activo y un estado inactivo. Este modelo de dos estados a menudo es usado para explicar muchos de los fenómenos relacionaos con la activación y la inactivación de los GPCR. En este modelo, por ejemplo, los GPCR son activados en varias frecuencias sin la estimulación por parte del agonista. Esto explica porque, cuando son expresados, estos receptores muestran actividad basal. En este modelo clásico, se postula que los agonistas desvían el equilibrio del GPCR hacia la forma activa mientras que los agonistas inversos hacen lo contrario, y que los antagonistas inhiben competitivamente a los agonistas sin afectar el equilibrio.  Sin embargo, varias líneas de evidencia apoyan un modelo alternativo multi-estado de los GPCR, en el cual estos receptores  pueden adoptar espontáneamente múltiples estados conformacionales, activos e inactivos. En este nuevo modelo,  cada ligando reconoce y estabiliza una conformación específica del GPCR, produciéndose un conjunto de efectos biológicos únicos y específicos.  Un agonista funcionalmente selectivo (agonista sesgado) es definido en este caso como una droga única que reconoce y estabiliza una conformación quimérica que es “on” con respecto a una ruta de señalización y “off” para otra. Esto provoca la activación  de una ruta de señalización  específica a través de  un GPCR que activa múltiples señales.

Algunos  ejemplos que apoyan el modelo multi-estado de los GPCR son los siguientes: el receptor de PACAP, PACAPI-27  muestra eficacia relativamente alta  para la acumulación  de AMPc y relativamente baja  para el inositol 1,4,5-trifosfato (IP3) en comparación con  el receptor PACAPI-38 en las células que expresan receptores PACAP transitoriamente. Esto sugiere que la activación de múltiples mecanismos de señalización por  un agonista no es uniforme sino que a menudo se inclina  hacia alguna -pero no todas-  ruta de  señalización y que los estados agonista-selectivos pueden producir un agonismo sesgado. Los hallazgos de investigaciones recientes apoyan este concepto, incluyendo los cambios conformacionales  específicos de ligando  del receptor adrenérgico β2. Por otra parte, en el caso del receptor de hormona paratiroidea (PTHR), es conocido que activa las rutas Gs/adenil ciclasa y Gq/fosfolipasa C,  pero la PTH no puede activar la adenil ciclasa aun cuando  retiene la capacidad para activar la ruta ERK1/2, posiblemente vía Gq, en osteoblastos de rata. Asimismo, en el caso de los receptores de taquikinina (NK2R), el péptido NKA incrementa el calcio intracelular y la acumulación de AMPc en algunas células  mientras que solo incrementa el calcio intracelular sin respuesta AMPc en otras, lo que sugiere  dos estados conformacionales distintos.  En este contexto es muy importante determinar si el agonista normal y el agonista sesgado actúan sobre el mismo GPCR.  

El receptor sensor de calcio (CaSR) pertenece a la familia C de GPCR  y contiene un dominio heptahélice  que juega un papel clave en el acoplamiento con la proteína G y un dominio que atrapa al agonista. El CaSR es constitutivamente dimerizado  a través de puentes disulfuro entre los residuos cisteína120 y 131, un evento que subyace a la propia funcionalidad del CaSR. La regulación alostérica es una de las características importantes del CaSR. Los moduladores alostéricos positivos del CaSR son conocidos como calciomiméticos  y los moduladores alostéricos negativos  como calciolíticos. Los calciomiméticos no activan al CaSR en ausencia  de iones Ca²⁺, pero aumentan la sensibilidad  a estos iones. El CaSR muestra al menos dos conformaciones activas diferentes, una forma unida al calcio que se acopla con Gq/11 y Gi/o y una forma unida a calcio que se acopla específicamente a Gq/11. Un calciomimético opera como un modulador alostérico positivo de Gq/11 y de la fosforilación de ERK 1/2 dependiente de Gi/o.

En la investigación sobre el agonismo sesgado  de las rutas GPCR  se ha demostrado que los ligandos del receptor adrenérgico β2 funcionan como agonistas inversos en la ruta Gs-AMPc y como agonistas parciales en la fosforilación de ERK ½. Este hallazgo sugiere que un ligando sesgado único  para un GPCR específico puede trabajar como agonista y agonista inverso dependiendo de cual ruta de señalización  es  considerada.   En un sistema que expresa GPCR redundantes y plurales en vez de expresar un par GPCR/agonista específico, un agonista sesgado específico o un modulador  alostérico sesgado pueden llevar a cabo una regulación más rápida y flexible de las señales.

Un caso especial de selectividad funcional basada en GPCR es el agonismo “protean”, en el cual ciertos agonistas pueden cambiar o incluso revertir sus efectos dependiendo  de los estados  o sistemas  adoptados. Por ejemplo, en un sistema quiescente que contiene principalmente receptores en un estado inactivo, algunos agonistas pueden producir agonismo selectivo.  Por el contrario, en un sistema constitutivamente activo que involucra sustancialmente receptores en estado activo formados espontáneamente, los mismos  agonistas puede producir agonismo inverso. Esto se debe a que estos agonistas convierten el estado activo eficiente en un estado activo selectivo de ligando menos eficiente. Debido a que el efecto del ligando cambia en respuesta al sistema, estas moléculas fueron llamadas agonistas “protean” en alusión a Proteus (hijo de Poseidon) quien podía cambiar su forma dependiendo de su ambiente y sus necesidades.  Como ejemplos, se mencionan a los ligandos del receptor de histamina H3 que operan en agonismo o agonismo inverso, dependiendo  del nivel de actividad constitutiva del H3R y a los antagonists del receptor de vasopresina V2 que actúan como chaperonas farmacológicas  para inactivar receptores V2 mutantes y también actúan como agonistas inversos  de receptores V2.

En conclusión, el modelo clásico  de activación de los GPCR  es el modelo de dos estados, en el cual el GPCR existe en equilibrio entre un estado activo y otro inactivo. Los conceptos emergentes de eficacia pluridimensional y selectividad funcional han revelado que la señal GPCR no es monolítica y que la estructura del ligando puede desviar la señal estabilizando los estados activos del receptor  en proporciones diferentes a las del ligando natural. Los agonistas sesgados  poseen la capacidad de cambiar cuantitativamente la señal GPCR creando “nuevos receptores” con distintos perfiles de eficacia  manejados por la estructura del ligando. Los GPCR y sus ligandos naturales controlan la señalización intracelular de la manera más fisiológicamente adaptativa. La señalización, reflejada en la distribución  de estados activos  del GPCR y la eficiencia con la cual estos estados regulan los efectores es “balanceada”  según las necesidades del organismo. Los agonistas sesgados, por otra parte, alteran la distribución de estados activos, las señales resultantes no son cuantitativamente diferentes, pero son “desbalanceadas” en comparación con el ligando natural. Cuando estas señales desbalanceadas se propagan surgen diferencias en la respuesta tisular en la fuerza de la señal o en la cinética  de las rutas de activación y desactivación.

Fuente: Makita N y Liri T (2014). Biased agonism: a novel paradigm in G protein-coupled receptor signaling observed in acquired hypocalciuric hipercalcemia.  Endocrine Journal 61: 303-309.