El LGR4 y su rol en el metabolismo energético

Los receptores acoplados a proteína G que contienen repeticiones ricas en leucina (LGR)  constituyen un grupo  de proteínas  de la familia GPCR que se caracterizan por un gran dominio extracelular (ectodominio) con múltiples copias de repeticiones ricas en leucina (LRR). Las LRR representan secuencias anfipáticas, con leucina como residuo hidrofóbico predominante, que son importantes para la interacción proteína-proteína. El empaquetamiento  de repeticiones similares permite la formación de una red de enlaces de hidrógeno específica entre  repeticiones vecinas para formar una estructura terciaria única. Las LRR están involucradas en la unión de ligando, conectadas  a través de una región rica en cisteína a un dominio transmembrana (TM) responsable de la activación de la proteína G heterotrimérica.  

Los LGR se dividen en tres grupos (grupos A-C). El grupo A incluye  al receptor  de FSH (LGR1), el receptor de LH (LGR2) y el receptor de TSH (LGR3), los cuales reconocen  a la hormona estimulante del folículo (FSH), la hormona luteinizante (LH) y la hormona estimulante de la tiroides (TSH), respectivamente.  Estos receptores contienen siete a nueve LRR en su ectodominio y largas regiones que conectan los dominios LRR con los dominios TM.  Los receptores del grupo C tienen un número similar  de LRR pero contienen un dominio de receptor de lipoproteína de baja densidad clase A en el extremo N terminal y una región corta entre el dominio LRR y el dominio TM. En este grupo se incluyen  a los receptores RXFP 1 (LGR7) RXFP 2 (LGR8) que reconocen a la relaxina y al INSL3 (insulin-like peptide 3), respectivamente. El grupo B incluye a los receptores LGR4, LGR5 y LGR6, los cuales se caracterizan  por un largo ectodominio que contiene 17 repeticiones  LRR (cada una de 22-24 aminoácidos) flanqueadas por la región N-terminal LRRNT y la C-terminal LRRCT. Los receptores del grupo B juegan roles cruciales en el desarrollo embrionario y también están involucrados en varios tipos de cánceres. LGR5 y LGR6 han sido identificados  como marcadores  de stem cells en múltiples tejidos adultos. Las proteínas R-spondinas (Rspo1-4) han sido identificadas como los ligandos endógenos de los receptores LGR4-6 para regular la proliferación celular, la diferenciación celular y el mantenimiento  de stem cells adultas a través de la activación de la ruta de señalización Wnt. Estudios recientes han revelado una relación entre LGR4 y metabolismo energético en áreas como ingesta de alimentos, metabolismo de lípidos  y obesidad.

La familia de proteínas Rspo es un grupo  de cuatro proteínas secretadas (Rspo1-4) aisladas como fuertes potenciadores  de la señal Wnt/β-catenina. Estas proteínas tienen 40-60%  de identidad entre sí y una estructura similar  con un dominio similar a furina rica en cisteína que precede a un dominio similar a trombospondina. A pesar de esta similitud, las cuatro Rspo actúan en diferentes eventos del desarrollo. La Rspo1 regula el desarrollo sexual; la Rspo2 modula el desarrollo  de  extremidades, pulmones y folículos pilosos; la Rspo3 está involucrada en el desarrollo de la placenta y la Rspo4 afecta el desarrollo ungueal.  Las Rspo1-4 pueden unirse a LGR4  y LGR5, pero es la Rspo2  la de mayor afinidad por ambos receptores. Una lesión de LGR4 elimina completamente la señal Rspo1, mientras que la sobre expresión de LGR4 potencial la señal de las Rspo1-4. La Rspo1 interactúa con el dominio extracelular de LGR4 y LGR5. Sin embargo, la Rspo1 no induce el acoplamiento entre LGR4 y las proteínas G, lo que sugiere  que el receptor transmite la señal Rspo  a través de un mecanismo independiente de la señal proteína G.

La Rspo1 se une en la superficie cóncava  del LGR4 a través de interacciones electrostáticas  e hidrofóbicas. Todos los residuos para la unión de Rspo1 son conservados  en los LGR4-6, lo que sugiere que estos receptores se unen a las Rspo a través de una superficie idéntica. Las proteínas Rspo tienen la misma  organización estructural con un péptido señal, dos dominios furina (FU1 y FU2) adyacentes en el extremo amino terminal, un dominio trombospondina (TSP) cerca del extremo carboxilo terminal y un dominio rico en aminoácidos básicos. El fragmento que contiene los dos dominios FU es suficiente para activar la señal Wnt, pero se requieren los dos dominios FU  para activar la señal Rspo.  Además de LGR4/5, varias proteínas de membrana  unen Rspo incluyendo receptores clase Frizzled (FZD), LRP6 (low density lipoprotein  receptor –related protein 6), Kremen, Syndecan y ZNRF3/RNF43. La Rspo1 se une al ZNRF3 (zinc and ring finger 3) y LGR4 a través de distintos dominios: el dominio FU1 está involucrado en la unión de ZNRF3 mientras que  el dominio FU2 está involucrado en la unión de LGR4. En ausencia de Rspo1, la ligasa ZNRF3/RNF43 produce ubiquitinización  de receptores FZD para su degradación, lo que provoca baja actividad de la señal Wnt. La Rspo1 puede unirse a ZNRF3 y LGR4 para inducir su dimerización. En el complejo Rspo1-LGR4-ZNRF3, el  LGR4 sirve como receptor reclutador de Rspo1 y  la ZNRF3 funciona como receptor efector. La inhibición  de ZNRF3 por la Rspo1 potencia la señal Wnt. La interacción entre  proteínas Rspo y LGR4 potencia la señal Wnt/β-catenina canónica, pero no activa las rutas Gi, Gs o Gq. Estructuralmente, LGR4 y LGR5 son bastante similares a otros GPCR que contienen LRR acoplados a la señal proteína G por la unión del ligando.  

Las proteínas IQGAP1 e IQGAP3 han sido identificadas  como potenciales candidatos para mediar la acción de Rspo-LGR4 en la señal Wnt. En presencia de Rspo, la unión simultánea de LGR4 y ZNRF3 inhibe la  ubiquitinización del receptor FZD al tiempo que LGR4 recluta IQGAP1 e incrementa su afinidad por DVL (disheveled), produciéndose la formación de un supercomplejo entre Rspo-LGR4 y  WNT. Esto permite la acumulación  de β-catenina en el citoplasma seguida por su translocación al núcleo  y la activación de los genes blanco. Varios estudios han identificado otras rutas de señalización del LGR4. Por ejemplo, el LGR4  participa en el desarrollo  de epidídimo y conducto deferente  a través de la regulación de la expresión de ERα  mediante la ruta de señalización AMPc/PKA. Asimismo, el LGR4 regula la eritropoyesis  a través del ATF4, un factor de transcripción clave en la eritropoyesis.   

Una característica común  de los receptores LGR4/5/6 es su expresión  en distintos tipos de stem cells adultas. El LGR5 es un marcador de stem cells residentes  en compartimentos  dependientes de Wnt, incluyendo intestino delgado, colon, estomago y folículos pilosos. El LGR6 sirve  como marcador de stem cells multipotentes en la epidermis y el LGR4  es ampliamente expresado  en células proliferantes. En el sistema digestivo adulto, la expresión epitelial de LGR4 se ha identificado  a lo largo de las criptas pero no en las vellosidades. En las criptas, el LGR4 se localiza  arriba de la zona de células de Paneth y es requerido para el mantenimiento de las stem cells de las criptas. Fuera del epitelio, el LGR4 es expresado  en mesénquima,  músculo liso, miofibroblastos del subepitelio intestinal y neuronas entéricas. De los tres receptores, solamente el LGR4 es expresado en el páncreas en donde media los efectos  de sus ligandos endógenos en los islotes. La Rspo1 induce significativamente la proliferación de células β y la secreción de insulina.

En el cerebro, el LGR4 es altamente expresado en corteza cerebral, hipocampo, amígdala e hipotálamo. En la corteza, el LGR4 es expresado en las capas II y III. En el hipocampo, el LGR4 es expresado  en CA1, CA2, CA3 y girus dentado. Los núcleos habenulares  del epitálamo también expresan LGR4. En la amígdala, el LGR4 es expresado en niveles altos en el núcleo amigdaloide medial, el núcleo posteroventral y el núcleo amigdaloide basolateral.  La presencia de LGR4  en las áreas del hipotálamo relacionadas con la homeostasis energética y su co-localización  con neuronas de estas áreas sugiere que puede contribuir a la regulación de la homeostasis energética. El LGR4 es expresado en el hipotálamo ventromedial (HVM), el núcleo arcuato, la eminencia media y los ependimocitos del tercer ventrículo.  La eminencia media y los epindemocitos  tienen los niveles más altos de expresión de LGR4, seguidos por el HVM y el núcleo arcuato. El patrón de expresión de LGR4 en el HVM  se sobrepone al del factor neurotrófico derivado del cerebro (BNDF) y la mayoría de neuronas BNDF expresan LGR4.  En el núcleo arcuato, el LGR4 es expresado  por la mayor parte de neuronas neuropeptido Y (NPY) y proopiomelanocortina (POMC), pero las neuronas NPY  expresan mayores niveles que las neuronas POMC.

Rspo1 y Rspo3, ligandos de LGR4, son expresados en áreas del hipotálamo relacionadas con la homeostasis energética. Sus niveles son regulados hacia abajo por el ayuno y regulados hacia arriba por factores de saciedad como la insulina, lo que indica que podrían estar involucrados en la regulación de la homeostasis energética como factores anorexigénicos. Este concepto es apoyado por la inhibición de la ingesta de alimentos producida por la inyección intracerebroventricular  de Rspo1o Rspo3.  Rspo1 es más potente que Rspo3 en la inhibición de la ingesta de alimentos. Consistente con esta observación Rspo1 se une al LGR4 con mayor afinidad que Rspo3.

La asociación del LGR4 con la obesidad en humanos ha sido demostrada con el hallazgo de A750T, una variante no sinónima y de baja frecuencia del LGR4,  en pacientes obesos. La expresión de esta variante en pacientes obesos es  dos veces mayor que en los controles. En otro estudio, con ratones mutantes  de LGR4, se  describe una correlación entre LGR4 y metabolismo de lípidos  de una manera relacionada con el ritmo circadiano. En estos ratones, el gasto de energía en reposo  es mayor en la fase de oscuridad que en la fase de luminosidad, lo que sugiere la existencia de un ritmo circadiano en la utilización de sustratos para energía durante el día, más uso de glucosa en la fase de oscuridad y  más uso de lípidos en la fase de luminosidad.

En conclusión, el LGR4 funciona principalmente a través de la señal Wnt/β-catenina para regular la proliferación y diferenciación celular y la homeostasis de stem cells adultas. El LGR4 y sus ligandos endógenos, R-spondinas también contribuyen a la regulación del metabolismo energético, incluyendo la ingesta de alimentos, el gasto de energía y el metabolismo de lípidos.

Fuente: Li Z et al (2015). LGR4 and its role in intestinal protection and energy metabolism. Frontiers in Endocrinology 6:131.