קולטן המצומד לחלבון G

קולטנים מצומדים לחלבון G הם קולטנים השייכים למשפחת חלבונים טרנסממברנליים (חלבונים עבר-ממברנליים) גדולה, החוצים את הממברנה שבע פעמים ומופעלים על ידי מולקולות מחוץ לתא. הפעלתם גורמת לשרשרת תגובות כימיות בתוך התא הקרויות מסלול מעבר אותות, שהשלב הראשון בו הוא הפעלה של מתגים מולקולריים מסוג חלבוני G (ועל כן הם נקראים "קולטנים המצומדים לחלבוני G"). קולטנים המצומדים לחלבון G נמצאים בתאים אאוקריוטים, הכוללים שמרים, צמחים ובעלי חיים וכן בפרוקריוטים. הליגנדים הנקשרים לקולטנים ומפעילים אותם מאפשרים חישה של אור, ריחות, פרומונים, הורמונים, נוירוטרנסמיטרים וכו'. הליגנדים יכולים להיות שונים בגודלם – ממולקולות קטנות מאוד ועד פוליפפטידים גדולים. קולטנים המצומדים לחלבון G הם מטרה של תרופות מודרניות רבות בשל מעורבותם במחלות רבות. כאשר קולטנים מסוג זה מפעילים תעלות יונים, הם מכונים גם קולטנים מטאבוטרופיים. זאת בניגוד לקולטנים יונוטרופיים, שהם תעלות יונים המופעלות ישירות על ידי ליגנדים. שתיים מהקבוצות הנחקרות ביותר של מסלולים המופעלים על ידי קולטנים מצומדים לחלבון G הם מסלול העברת האותות דרך cAMP, בו מפעיל חלבון G את האנזים אדנילאט ציקלאז (ומסלול מקביל בו חלבון G אחר מעכב אנזים זה), ומסלול העברת האותות של פוספטידילאינוזיטול (Phosphatidylinositol), בו חלבון G מפעיל את האנזים פוספוליפאז C בטא. כל קולטני הדופמין הם קולטנים מצומדים לחלבון G. המספר המדויק של משפחת קולטנים זו אינו ידוע, אולם מוערך במעל 800 רצפים שונים באדם. משפחת-העל של חלבונים אלה מתחלקת לשלושה, A, B ו-C, סיווג שנעשה על סמך הומולוגיה בין הרצפים. הגדולה בקבוצות היא קבוצה A, שמכונה גם דמויי-רודופסין (Rhodopsine-like). יותר ממחצית מהקולטנים בקבוצה A שייכים לחישה של ריח. על הגילוי של קולטני חוש הריח והדרך שהעבירה את האות למוח, זכו לינדה באק וריצ'רד אקסל בפרס נובל לפיזיולוגיה או לרפואה לשנת 2004. סיווג אחר מסווג את ה-GPCRs לשש קבוצות בסיסיות של קולטנים המצומדים לחלבון G, ונועד כדי לסווג את כלל ה-GPCRs בחסרי חוליות ובבעלי חוליות קבוצה A – קולטנים דמויי רודופסין. קבוצה זו מתאפיינת ברצפים שמורים וכן מבנה דומה. קבוצה B – משפחת קולטני סקרטין. קבוצה C – קולטני גלוטמט מטבוטרופיים/פרומונים. קבוצה זו מתאפיינת בקשירה של ליגנדים גדולים יחסית, כמו גם בזנב גדול של הקצה האמיני, אשר גם הוא קושר את הליגנד. קבוצה D – קולטנים לפרומוני הזדווגות של פטריות. קבוצה E – קולטני cAMP‏. קבוצה F – קולטני אופסין שמקורם בארכאה. דוגמאות לתהליכים פיזיולוגיים שקולטנים המצומדים לחלבון G לוקחים בהם חלק: חוש ראייה: אופסינים משתמשים בתגובת פוטואיזומריזציה על מנת לתרגם רדיאציה אלקטרומגנטית לסיגנלים תאיים. חוש הריח: קולטנים של אפיתל ההרחה קושרים אודורנטים ופרומונים. בקרת התנהגות ומצב הרוח: קולטני מוח של היונקים קושרים מספר נוירוטרנסמיטרים שונים, ביניהם: סרוטונין, דופמין וגלוטומט. בקרה על פעילות המערכת החיסונית: קולטני כימוקין קושרים ליגנדים שמסייעים לתקשורת בין התאים של המערכת החיסונית ובהגעה של תאי מערכת החיסון לאזור דלקת. בקרת מערכת העצבים האוטונומית: שתי מערכות העצבים – סימפתטית ופאראסימפתטית מבוקרות על ידי מסלולי קולטנים המצומדים לחלבון G שאחראים על הרבה מהתהליכים האוטומטיים בגוף, כמו לחץ הדם, דופק הלב ותהליכי עיכול. קולטן המצומד לחלבון G הוא חלבון ממברנה אינטגרלי החוצה את הממברנה שבע פעמים (7TM) ועל כן הוא מכונה גם 7-transmembrane receptor או קולטן מפותל serpentine receptor. קולטנים אלו שייכים למשפחה גדולה יותר של חלבונים שחוצים את הממברנה ומורכבים מסלילי אלפא. החלק החוץ תאי של החלבון, שהוא הקצה האמיני, יכול לעבור גליקוזילציה (הוספת קבוצת סוכר). האזור החוץ תאי מכילים גם שני שיירי של ציסטאין שמורים אשר מייצבים קשר דו-גופריתי שמחזק את מבנה הקולטן. מצדו התוך תאי, שם מצוי הקצה הקרבוקסילי, קשור לקולטן קומפלקס הטרוטרימרי של חלבוני G. לקולטנים המצומדים לחלבון G צורות אוליגומריות שונות. המשמעות היא שכמות שונה של קולטנים יוצרים קומפלקס פעיל אחד, כתוצאה מיצירה קשרים בין החלבונים. קולטנים המצומדים לחלבון G יכולים ליצור הומודימרים או הטרודימרים או בצורות מורכבות יותר. הטרודימריזציה הוכחה כחיונית לפעילות של קולטנים, כגון קולטני GABA מטבוטרופיים. אמנם, הקולטנים המצומדים לחלבון G יכולים לתווך מעבר אותות שמקורן בליגנדים שונים, אולם כולם עושים זאת באמצעות הפעלה של חלבוני G באמצעות פעילותם כפקטור שמשחלף גואנין (guanine-nucleotide exchange factor או GEF). בין שבעת האזורים חוצי הממברנה קיימים שש לולאות, שמקשרות בין סלילי האלפא, וכן קובעות את הספציפיות של אותו קולטן. קיימים קולטנים נוספים שחוצים את הממברנה שבע פעמים ואינם מצומדים לחלבון G, כגון הקולטן לאדיפונקטין (ADIPOR1 ו-ADIPOR2), ולכן אינם שייכים למשפחת חלבונים זו. המבנה של הקולטן המצומד לחלבון G מאורגן במבנה שלישוני שמזכיר בצורתו חבית, ולו חלל שנכנס לממברנה ובו נקשר הליגנד. כאשר אגוניסט נקשר לקולטן יש שינוי בכיוון של האזורים הטראנס-מברנליים (TM). שינויים אלה מובילים לשינויים באזור התוך-תאי, וכך לחשיפה של אזורים שהכרחיים להעברת האות, כלומר לאזורים שקושרים את חלבון ה-G. הקצה הקרבוקסילי מכיל שיירי סרין ותראונין רבים. שיירים אלה יכולים להיות מזורחנים, ובכך לגרום להפסקת פעילות הקולטן, תהליך שמכונה דה-סנטיסיזציה. כמו כן שיירי סרין ותראונין מזורחנים יכולים לשמש כאתר קישור לארסטין, שפועל אף הוא להפסקת פעילות הקולטן וכן להכנסה של הקולטן באנדוציטוזה וכך להפסקה סופית של פעילותו. המבנים הראשונים של קולטנים המצומדים לחלבון G התבססו על דמיון חלקי בין הקולטנים הללו לרודופסין שמקורו בחיידקים (bacteriorhodopsin). המבנה הראשון ממשפחת חלבונים זו שמבנהו פוענח ומקורו ביונקים הוא רודופסין שמקורו פרי, והוא פוענח בשנת 2000. מבנה זה היה שונה ממבנה הרודופסין שמקורו מחיידקים, בעיקר בכיוון של סלילי האלפא. ב-2007, פוענח המבנה של הקולטן ה-β2 אדרנרגי ממקור אנושי ששייך למשפחת חלבונים זו, ממצא שלימים זיכה את בריאן קובילקה בפרס נובל לכימיה לשנת 2012. הקולטן נמצא בשיווי משקל בין שני מצבים ביופיזיים: פעיל ולא פעיל. קשירת ליגנד לקולטן יכולה להטות את שיווי המשקל. כאשר נקשר ליגנד שהוא אגוניסט, לקולטן המצומד לחלבון G, שנקשרים לרוב באזורים הטראנס-ממברנליים (TM), הוא גורם לשינוי קונפורמציה בו. נוסף על אגוניסטים, קיימים ליגנדים שהם אגוניסטים הפוכים, שגורמים לפעילות מופחתת של חלבוני ה-G, וכן אנטגוניסטים שמפריעים לקישור של שני סוגי הליגנדים האחרים. שינוי הקונפורמציה כתוצאה מקשירה של אגוניסט מאפשר קישור לחלבון G, ובשל פעילות הקולטן כ-GEF, נוצר שינוי מבני בחלבון ה-G, וכך משוחררת מולקולת GDP, ומתפנה אתר הקישור למולקולת GTP וכך חלבון ה-G מופעל. חלבון ה-G המופעל מתנתק מהקולטן, ומגביר את האות על ידי שינוי הפעילות של חלבונים תאיים אחרים. החלבונים שיושפעו בהמשך תלויים בסוג חלבון ה-G שהקולטן משפעל. הקולטנים המצומדים לחלבון G מפעילים או משתיקים פעמים רבות קינאזות או שליחים שניוניים אחרים שמגבירים את האות. ערך מורחב – חלבון G כאשר הקולטן במצב הלא פעיל שלו, חלבון ה-G, המורכב משלוש תת-יחידות, α, β ו-γ, קשור ל-GDP בתת-היחידה ה-α (מכונה גם Gα), ונמצא במצב לא פעיל. כאשר הקולטן מופעל פעילות ה-GEF שלו מופעלת וגורמת לתת-היחידה α של חלבון ה-G לשחרר את ה-GDP. עתה, כיוון שיש יותר GTP בציטופלזמה ביחס ל-GDP, תת-היחידה α קושרת GTP, וע"י שינוי הקונפורמציה הנגרם עקב כך חלבון ה-G ניתק מהקולטן. קיימות גישות שונות בעניין הקישור בין תת-היחידות של חלבוני ה-G לאחר הפעלתם. המודל הקלאסי מציע שתת-היחידה Gα ניתקת מתתי-היחידות Gβγ.‏ Gα ו-Gβγ מפעילים מסלולים שונים. לעומת זאת, ממצאים אחרים מצביעים על פעילות של חלבון ה-G גם ללא ניתוק של תתי-היחידות. מודל שנוצר בעקבות ממצא זה גורס שאין הכרח בניתוק של תתי-היחידות אלה מאלה. המיקום של תת-היחידות של חלבון ה-G בתא מוגבל בשל מודיפיקציות ליפידיות ובשל אינטראקציות לא-קוולנטיות שלהם עם ממברנת התא הגורמים לתתי-היחידות להישאר מצומדות לקרום התא. עם זאת, תתי־היחידות של חלבוני ה-G יכולים להנתק ממברנת התא ולעבור לאזורים אחרים בתא. כיוון שלתת-יחידה α פעילות איטית של GTPase, בסופו של דבר החלבון חוזר למצבו הלא פעיל. פעילות זו של GTPase מואצת לעיתים קרובות באמצעות משפחה של חלבונים שמכונה חלבונים משפעלי GTPase‏ (GAP, Regulator of G protein signalling או RGS). בנוסף, חלק מהחלבונים שמשופעלים באמצעות חלבוני ה-G הם בעצמם בעלי פעילות של GAP, ולכן תורמים להפסקה מהירה של מסלול העברת האות. הקולטנים שמופעלים על ידי חלבוני ה-G לרוב ספציפיים לחלבון ה-G המסוים שהופעל, דבר שקשור ללולאות התוך-תאיות של הקולטן ולמבנה הראשוני והשלישוני של הקולטן. הקישור של הליגנד בצד החוץ תאי גורם לקונפורמציה שמאפשרת קישור של חלבון G מסוים, חלבון זה קובע את הפעילות של חלבונים בהמשך השרשרת. כאשר יש גירוי לאורך זמן על ידי ליגנדים שהם אגוניסטים, הקולטן המצומד לחלבון G עובר השתקה (inactivation) והופך להיות רגיש פחות לגירוי (מכונה דה-סנטיסיזציה). ההשתקה מחולקת לשני סוגים; דה-סנטיסיזציה הומולוגית ודה-סנטיסיזציה הטרולוגית. דה-סנטיסיזציה הומולוגית מתרחשת רק על קולטן המצומד לחלבון G אקטיבי ומורידה את פעילותו, ואילו – הטרולוגית גורמת להורדת הפעילות של קולטנים פעילים ולא פעילים כאחד. דה-סנטיזציה מתרחשת באמצעות זרחון של קולטן ציטופלסמטי על ידי פרוטאין קינאז. הדה-סנטיסיזציה ההטרולוגית מתווכת על ידי פרוטאין קינאזות שתלויות ב-cAMP, כגון פרוטאין קינאז A. היווצרות cAMP מתווכת באמצעות אדנילט ציקלאז, שמופעל באופן ישיר על ידי חלבוני G. בצורה זו נוצר משוב שלילי שגורם להפסקת פעילות הקולטן. כך, ככל שהקולטן מופעל יותר כך הוא מפעיל יותר פרוטאין קינאזות, שמפסיקות את פעילותו כמו גם את פעילותם של קולטנים שאינם פעילים וכך לעשות עליהם דה-סנטיסיזציה הטרולוגית. הדה-סנטיסיזציה ההומולוגית נעשית באמצעות קישור של חלבון GRK ‏(G protein-coupled receptor kinases), קינאזות אלה מזרחנות רק קולטן פעיל. הזרחון נעשה תוך פירוק מולקולות ATP. משפחת חלבוני GRK מונה שבע קינאזות שמקורם יונקי וכן כמה פסאודוגנים. משפחת חלבונים זו היא סרין-תראונין קינאזות, שמזרחנים קולטנים שקושרים אגוניסטים. לאחר הזרחון של חלבוני GRK, יכולה להתרחש אנדוציטוזה של הקולטן. בשלב זה חומציות גורמת להפרדת הליגנד מהקולטן ולאחר מכן מוחזר לקרום התא. אפשרות אחרת היא שלאחר האנדוציטוזה הקולטן יפורק באמצעות איחוי האנדוזום עם ליזוזומים, בהם ה-pH נמוך ופרוטאזות שגורמים לפירוק הקולטן. כמו כן, כתוצאה מזרחון הקולטן, הוא קושר באפיניות גבוהה חלבון ארסטין (arrestin). ארסטין מפריע באופן ישיר על קישור לחלבון G וכן יכול לגרום לשרשרת של תגובות. הרודופסין במערכת הראייה למשל עושה שימוש במנגנון זה להשתקה מהירה של האות. פעמים רבות קישור זה הוא תנאי מקדים לאנדוציטוזה ולהתחלה של שרשרת התגובות שתוארה מעלה. דוגמה לכך היא בטא ארסטין שיכול לשמש כחלבון שנקשר לקלתרין (clathrin), חלבון שמתווך אנדוציטוזה. בקרה נוספת היא קישור של ליגנדים שאינם אגוניסטים, כלומר אנטגוניסטים ואגוניסטים הפוכים (inverse agonist). דבר זה גורם לשמירה על הפעילות הקודמת של החלבון, במקרה של אנטגוניסט, או האטת פעילות החלבון, במקרה של אגוניסט הפוך. כמו כן, קישור של ליגנדים שאינם אגוניסטים מפריע לקישור של אגוניסטים ועל כן מוריד מיכולתם להפעיל את הקולטן. פרס נובל בכימיה לשנת 2012 הוענק לשני חוקרים, על גילוי הקולטנים המצומדים לחלבוני G, רוברט לפקוביץ' ובריאן קובילקה. רוברט לפקוביץ' זכה בנובל על שהיה מהראשונים לחקור את הקולטנים המצומדים לחלבון G, ואילו בריאן קובילקה על הצלחתו לגבש את החלבון ולפענח את מבנהו וכך לשפוך אור על מנגנון הפעולה של הקולטנים. חלבון G מעבר אותות קולטן מוסקריני קולטן מטבוטרופי קולטן KiSS1 Bastien D. Gomperts, Peter ER Tatham and Ijsbrand M. Kramer, Signal Transduction, USA: Academic Press, An Elsevier Science Imprint, Second printing, 2003 מדיה וקבצים בנושא קולטן המצומד לחלבון G בוויקישיתוף בסיס נתונים על קולטנים המצומדים לחלבון G (באנגלית) אבי בליזובסקי, ‏זריקת אדרנלין למדע: שני חוקרים בתחום התקשורת הבין תאית זכו בפרס נובל לכימיה לשנת 2012, באתר "הידען", 10 באוקטובר 2012 דר. משה נחמני, ‏איך התא חש את סביבתו?, באתר "הידען", 10 באוקטובר 2012 ארז גרטי, מירוץ השליחים של חלבוני G, במדור "מאגר המדע" באתר של מכון דוידסון לחינוך מדעי, 30 ביולי 2009 Daniel M. Rosenbaum, Søren G. F. Rasmussen & Brian K. Kobilka The structure and function of G-protein-coupled receptors, Nature, מאי 2009. ההרצאה של בריאן קובילקה לאחר זכייתו בפרס נובל (באנגלית) קולטן המצומד לחלבון G, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית) JM Bécu, J Pelé, P Rodien, H Abdi and M. Chabbert, Structural evolution of G-protein-coupled receptors: a sequence space approach, Methods in Enzymology, Volume 520, Pages 49–66, 2013 Neve, K. A., Seamans, J. K., & Trantham-Davidson, H. (2004). Dopamine receptor signaling. Journal of receptors and signal transduction, 24(3), 165-205. R Fredriksson, MC Lagerström, LG Lundin, The G-Protein-Coupled Receptors in the Human Genome Form Five Main Families. Phylogenetic Analysis, Paralogon Groups, and Fingerprints, Molecular Pharmacology, June 2003, vol. 63 no. 6, pages 1256-1272 Buck L, Axel R., A novel multigene family may encode odorant receptors: a molecular basis for odor recognition., Cell, Apr 1991, vol. 65 no. 1, pages 175-87 L Skrabanek et al., Requirements and ontology for a G protein-coupled receptor oligomerization knowledge base, BMC Bioinformatics, 8: 177, 2007 C. Juhl, D. Kosel, AG Beck-Sickinger, Two motifs with different function regulate the anterograde transport of the adiponectin receptor 1, Cellular Signalling, Volume 24, Issue 9, Pages 1762–1769, September 2012 K. Palczewski et al., Crystal structure of rhodopsin: A G protein-coupled receptor., Science, Volume 289, pages 739-745, 2000 S. Shacham et al., Modeling the 3D structure of GPCRs from sequence, Medicinal Research Reviews, Special Issue: Fourth Winter Conference on Medicinal and Bioorganic Chemistry. Part 1 Volume 21, Issue 5, pages 472–483, September 2001 S. G. F. Rasmussen et al. Crystal structure of the human β2 adrenergic G-protein-coupled receptor, Nature, Volume 450, pages 383-387, November 2007 הרצאת הנובל של בריאן קובילקה בעניין זה (באנגלית) Shoshana Klein, Hadas Reuveni, and Alexander Levitzki, Signal transduction by a nondissociable heterotrimeric yeast G protein, PNAS, vol. 97, no. 7, pages 3219-3223, March 2000 C. Yuan, M. Sato, S. M. Lanier and A. V. Smrcka, Signaling by a Non-dissociated Complex of G Protein βγ and α Subunits Stimulated by a Receptor-independent Activator of G Protein Signaling, AGS8, The Journal of Biological Chemistry, 282, 19938-19947, July 2007 GRKs באתר uniprot K. M. Krueger, Y. Daaka, J. A. Pitcher, and R. J. Lefkowitz, The role of sequestration in G protein-coupled receptor resensitization. Regulation of β2-adrenergic receptor dephosphorylation by vesicular acidification, Journal of Biological Chemistry, 272 (1): 5–8, 1997