La descoberta dels receptors acoblats a proteïnes G (Lefkowitz, Kobilka, Nobel de Química)

Biologia molecular: Bona part de la senyalització intercel·lular en els organismes té lloc a través de missatgers (neurotransmissors, hormones, etc.) que són hidrosoluble i que no poden creuar la membrana cel·lular. De fet, l’actuació d’aquests missatgers depèn de l’existència de receptors específics, la qual cosa potencia la sensibilitat i especificitat de les senyalitzacions intercel·lulars. Ara bé, aquests receptors han de connectar d’alguna manera amb les vies de senyalització intracel·lulars. Una de les formes de fer-ho és a través de les proteïnes G trimèriques. Ara, això, forma part de les beceroles de la biologia molecular. Tant que hom oblida els pioners que descobriren aquests mecanismes bàsics. Per això cal felicitar-se del fet que Robert J. Lefkowitz i Brian K. Kobilka hagin rebut el Premi Nobel de Química del 2012. Seguir les seves grans fites entre els anys 1970 i 1980 ens parlen d’una època heroica en la biologia molecular.

Robert J. Lefkowitz

Robert J. Lefkowitz (*Nova York, 1943) es va doctorar en medicina per la Columbia University el 1966. La seva carrera ha estat vinculada, entre d’altres, al Howard Hughes Medical Institute i a la Duke University Medical Center. El laboratori de Lefkowitz continua dedicat a l’estudi de la recepció i transducció de senyals biològiques.

Brian K. Kobilka

Brian K. Kobilka (*Little Falls, Minnesota, 1955) es va doctorar en medicina en Yale el 1981. Incorporat al grup de recerca de Lefkowitz poc després, és actualment professor de medicina i de fisiologia molecular i cel·lular a l’Escola de Medicina de la Universitat de Stanford. El laboratori de Kobilka fa recerca sobre la base estructural de les propietats funcionals de receptors acoblats a proteïna G.

Els receptors de set dominis transmembrana i les proteïnes G.

Estructura típica d’un receptor acoblat a proteïna G. Els receptors acoblats a proteïna G (GPCR, en l’acrònim anglès) són proteïnes transmembrana, és a dir que es troben immerses en la bicapa lipídica que dóna forma a la membrana cel·lular. Les proteïnes són, en darrera instància, polipèptids o polímers d’aminoàcids d’estructura lineal. Són el plegament i la interacció amb l’entorn la que fa que aquesta estructura lineal doni lloc a una estructura tridimensional. En el cas del GPCR la inserció en membrana s’aconsegueix per set segments de la cadena polipeptídica, que se situen en contacte amb els àcids grassos de la membrana. Per això, els GPCR també són coneguts com a receptors 7TM (7 dominis TransMembrana).

Els receptors 7TM o GPCR constitueixen una superfamília de proteïnes transmembrana. Entre ells trobem els sensors biològics més rellevants en la biosfera.

La descoberta dels GPCR

És en els anys 1870 que la bioquímica comença a entrellucar els mecanismes que expliquen la comunicació intercel·lular i la sensibilitat. És en aquesta època, per exemple, que hom identifica el rol de rodopsina, pigment fotosensible, en la percepció de la llum per part de la retina. En aquella època, hom ja es referia al fet que les “cèl·lules reactives” disposaven de “substàncies receptives” en la seva superfície. Hom començava a conèixer també les relacions entre la quantitat d’una substància agonista (capaç de produir un efecte biològic) i la resposta en teixits o òrgans aïllats. Alhora, també es podia estudiar en banys d’òrgan l’acció d’antagonistes.

A partir dels anys 1920, particularment gràcies als estudis farmacològics, s’enuncia la teoria dels receptors. Segons aquesta teoria, no tan sols els principis actius dels fàrmacs, sinó també les hormones naturals, actuen sobre teixits i òrgans en la mesura que aquests teixits i òrgans disposen de receptors que reconeixen aquests fàrmacs i hormones. En les dècades següents, es van produint descobertes bioquímiques que posen de manifest alguns dels actors en la senyalització intracel·lular: el sistema de l’adenil ciclasa i l’AMPc, la proteïn-cinasa dependent d’AMPc (PKA) i les proteïnes G heterotrimèriques. Durant molt de temps, hom pensà que aquests components eren realment els receptors dels quals parlava la teoria.

Cap al 1968, Lefkowitz comença a utilitzar tècniques de marcatge radioactiu a la recerca de la natura última d’aquests receptors teòrics. El seu model era el de l’hormona adrenocorticotròpica (ACTH), l’hormona hipofisària que estimula el còrtex adrenal per a l’alliberament d’adrenalina. L’ACTH era marcada amb iode radiactiu, la qual cosa permetia resseguir-ne el rastre en preparacions de membrana adrenal. En primer lloc, d’aquesta manera van poder comprovar que la unió de l’ACTH als extractes de membrana era rellevant per a l’activitat adenil-ciclasa (indici de l’activitat biològica de l’hormona) (Lefkowitz et al., 1970). Curiosament, la clau d’aquesta metodologia és la combinació entre l’hormona marcada radiactivament i l’hormona no-marcada (l’hormona “fresca”). Seqüencialment, primer es col·lapsa el teixit d’estudi amb hormona marcada, i després s’afegeix de manera creixent quantitats d’hormona no-marcada, fins a produir el desplaçament de l’hormona marcada (l’eliminació del marcatge). Lefkowtiz et al. (1970) proposaren a la revista Science l’ús d’aquesta tècnica per tal de mesurar l’ACTH en plasma, ja que podien arribar a detectar-ne nivells de l’ordre de 1 picogram per mililitre.

L’activitat biològica de l’ACTH és la pròpia d’una hormona “intermediària”, és a dir d’una hormona que actua sobre una glàndula per estimular-ne l’alliberament d’una hormona “final”. En el cas de l’ACTH, l’hormona “final” és l’adrenalina o epinefrina. L’adrenalina, la noradrenalina i la dopamina són tres exemples de catecolamines, i les podem trobar com a hormones o neurotransmissors. L’adrenalina que allibera el còrtex de glàndula adrenal (o suprarenal) s’associa amb la preparació del cos al “perill”. El grup de Lefkowitz, doncs, es dedicà a introduir les tècniques de radiomarcatge a l’estudi dels efectes biològics de l’adrenalina.

Mitjançant l’ús de diferents preparats de membranes, i l’ús de diferents substàncies anàlogues a l’adrenalina (com l’isoproterenol, el propanolol, etc.) en aquells anys es van poder identificar les grans classes de receptors adrenèrgics (adrenèrgic = que respon a l’adrenalina), començant per la diferència entre els receptors alfa-adrenèrgics i els beta-adrenèrgics.

La cinètica d’associació i dissociació entre ligands i receptors possibilitava l’elaboració de models teòrics per explicar com la unió d’adrenalina (o d’un agonista anàleg) provocava que en un teixit augmentés l’activitat adenilat-ciclasa. En el 1980, el grup de Lefkowitz proposava un model ternari en el qual es formava una unió hormona-receptor-X (De Lean et al., 1980). Quin era aquest component X? El grup de Lefkowitz aassenyalava un component de membrana, que s’uniria al receptor beta-adrenèrgic quan aquest fos activat per la unió amb adrenalina.

Cicle de les interaccions entre ligand, receptor i proteïna G. Fou en el 1980, quan el grup de Lefkowitz hipotesitzà l’existència d’un complex ternari per explicar l’activació de l’adenilat ciclasa per part de l’adrenalina en membranes d’eritròcit de granota.

La modelització teòrica havia estat possible gràcies als esforços per solubilitzar i caracteritzar els receptors beta-adrenèrgics, feina en la qual el grup de Lefkowitz havia començat en el 1976 (Caron i Lefkowitz, 1976). Això obria la possibilitat de vincular la funcionalitat del receptor amb la seva estructura molecular.

La incorporació de Kobilka al grup de Lefkowitz enfortí aquest enfocament més estructural. En el 1986 el grup reeixia en clonar el gen del receptor beta-2-adrenèrgic de mamífer (Dixon et al. 1986). Darrera quedaven enormes esforços de purificació de receptors, d’aprenentatge de tècniques genètiques que llavors tot just es desenvolupaven, de disseny d’oligonucleòtids per muntar estratègies de clonació.

L’anàlisi de la seqüència nucleotídica permeté conèixer l’estructura íntima del receptor beta-adrenèrgic, i també situar-lo com un parent llunyà de la rodopsina. Fou així com es definí la família dels GPCR o 7TM.

Cada nou detall descobert, empeny els investigadors a aprofundir-hi més i més. La història mai no s’acaba. Cada pas de les interaccions entre l’adrenalina, el receptor, la proteïna G i l’adenilat ciclasa és estudiat des de totes les perspectives. L’any passat mateix, el grup de Kobilka, per exemple, publicava a Nature l’estructura de l’estat actiu del receptor beta-2-adrenèrgic (Rasmussen et al., 2011). Els detalls de com es transmet dins del propi receptor la informació del domini extracel·lular (unió/no-unió del ligand) al domini intracel·lular són encara ara matèria de recerca.

Aquesta entrada ha esta publicada en 3. La Vida. Afegeix a les adreces d'interès l'enllaç permanent.

Deixa un comentari

L'adreça electrònica no es publicarà. Els camps necessaris estan marcats amb *

Aquest lloc utilitza Akismet per reduir el correu brossa. Aprendre com la informació del vostre comentari és processada