G-Protein-gekoppelte Rezeptor-Kinase (GRKs)

G-Protein-gekoppelte Rezeptor-Kinasen (GRKs) sind eine Gruppe von Kinasen, die mit der schnellen Desensibilisierung von G-Protein-gekoppelten Rezeptoren (GPCRs) in Verbindung stehen. Viele GPCRs, wie Opioidrezeptoren, Thromboxanrezeptoren, 52 Serotoninrezeptoren und adrenerge Rezeptoren, neigen dazu, bei kontinuierlicher Stimulation des Agonisten schnell die Transduktionssignale abzuschwächen. Dieser Regulationsmechanismus steht hauptsächlich im Zusammenhang mit GRKs. Die GRKs-Familie besteht aus 7 Familienmitgliedern mit strukturell homologen Sequenzen. Jede GRK enthält eine gemeinsame funktionale Struktur, einschließlich einer zentralen katalytischen Region, einer Substraterkennungs- und aminoterminalen Region, die eine Struktur ähnlich der Regulatoren der G-Protein-Signalübertragung (RGS) enthält, und einer Wirkung auf die carboxy-terminale Region der Membran.

Abbildung 1. Proteinstruktur der G-Protein-gekoppelten Rezeptor-Kinase (GRKs).

Klassifikationen

Nach der Ähnlichkeit von Sequenz und Funktion kann sie in 3 Unterfamilien unterteilt werden.

Die erste Unterfamilie umfasst GRK1 und GRK7. GRK1 ist eine Rhodopsin-Kinase, die nur in retinalen Photorezeptorzellen exprimiert wird, und ihr Substrat ist retinales Opsin.

Die zweite Unterfamilie von GRK2 und GRK3 ist auch bekannt als β2-adrenerge Rezeptor-Kinase 1 (β2ARK1) und β2-adrenerge Rezeptor-Kinase 2 (β2ARK2).

Die dritte Unterfamilie umfasst GRK4, GRK5 und GRK6.

GRK4 wird nur in hohen Mengen im Hoden exprimiert, was darauf hindeutet, dass das Enzym Substratspezifität hat.

GRKs und GPCRs Desensibilisierung

Der Grad der Rezeptor-Desensibilisierung kann die vollständige Beendigung des Signals sein, wie in den visuellen und olfaktorischen Systemen; er kann auch eine Abnahme der Wirksamkeit von Agonisten sein, wie bei β2AR. Der Grad der Rezeptor-Desensibilisierung wird von vielen Faktoren beeinflusst, einschließlich der Struktur des Rezeptors und der zellulären Umgebung. Das Hauptmerkmal ist, dass der Rezeptor von dem heterotrimeren G-Protein entkoppelt wird. Die Beendigung der GPCR-Signalübertragung kann auch auf G-Protein-Ebene erfolgen. Wenn der Rezeptor nicht aktiviert ist, existieren GRK1 ~ 3 im Zytoplasma; nachdem der Rezeptor aktiviert wurde, transferiert GRK123 zur Zellmembran und bindet an den Zielrezeptor.

Struktur

X-ray-Kristallstrukturen mehrerer GRKs (GRK1, GRK2, GRK4, GRK5 und GRK6) allein oder in Kombination mit einem Liganden wurden erhalten. Im Allgemeinen haben GRKs Sequenzhomologie und Domänenorganisation, wobei die zentrale katalytische Domäne der Protein-Kinase von einer Domäne homolog zur aktiven Domäne eines G-Protein-Modulators, einem Signalisierungsprotein, und einem RGS-Protein (RGS-Homologie-RH-Domäne) gefolgt wird, die von einer variablen carboxy-terminalen regulatorischen Region gefolgt wird. In gefalteten Proteinen bildet die Kinasedomäne eine typische bilobate Kinase-Struktur mit einer zentralen ATP-bindenden aktiven Stelle. Die RH-Domäne besteht aus einer aminoterminalen Sequenz plus einem Alpha-Helix-Bereich, der durch eine kurze Sequenz nach der Kinasedomäne gebildet wird. Diese Sequenz bietet zwei zusätzliche Helices und hat umfangreichen Kontakt mit einer Seite der Kinasedomäne. Modellierung und Mutagenese zeigen, dass die RH-Domäne die Aktivierung von GPCRs wahrnimmt, um die aktive Stelle der Kinase zu öffnen.

G-Protein-gekoppelte Rezeptor-Kinase 2

G-Protein-gekoppelte Rezeptor-Kinase 2 (GRK2) ist ein Enzym, das im Menschen durch das ADRBK1-Gen kodiert wird. GRK2 wurde ursprünglich als β-adrenerge Rezeptor-Kinase (βARK oder βARK1) bezeichnet und ist ein Mitglied der G-Protein-gekoppelten Rezeptor-Kinase-Unterfamilie der Ser/Thr-Protein-Kinasen, die GRK3 am ähnlichsten ist (βARK2 ist am ähnlichsten).

Abbildung 2. Struktur des GRK2-Proteins.

G-Protein-gekoppelte Rezeptor-Kinase 6

Dieses Gen kodiert ein Mitglied der G-Protein-gekoppelten Rezeptor-Kinase-Unterfamilie der Ser/Thr-Protein-Kinase-Familie, die GRK4 und GRK5 am ähnlichsten ist. Dieses Protein phosphoryliert eine aktivierte Form des G-Protein-gekoppelten Rezeptors, um die Signalübertragung zu regulieren.

Abbildung 3. Struktur des GRK6-Proteins.

G-Protein-gekoppelte Rezeptor-Kinase 7

GRK7 ist ein Mitglied der Familie der G-Protein-gekoppelten Rezeptor-Kinasen und wird offiziell als G-Protein-gekoppelte Rezeptor-Kinase 7 bezeichnet. GRK7 wird hauptsächlich in den retinalen Zapfenzellen von Säugetieren gefunden und phosphoryliert fotoaktivierte Photoproteinasen, ein Mitglied der Familie. G-Protein-gekoppelte Rezeptoren erkennen Licht verschiedener Wellenlängen (rot, grün, blau).

Funktionen

GRK1 ist an der Phosphorylierung und Inaktivierung von Rhodopsin beteiligt und steht auch im Zusammenhang mit Inhibin 1 (auch bekannt als S-Antigen). Defekte in GRK1 können zu Nachtblindheit mit kleinem Mund führen. GRK7, ähnlich wie pyramidin Rhodopsin, auch bekannt als Inhibin 4 oder X-Arrestin, reguliert ebenfalls die Phosphorylierung und Inaktivierung des Cone-Proteins in der Farbwahrnehmung.  GRK2 wurde erstmals als Enzym identifiziert, das β-2-adrenerge Rezeptoren phosphoryliert, und wurde ursprünglich als β-adrenerge Rezeptor-Kinase (βARK oder ββARK1) bezeichnet. GRK2 ist bei Herzinsuffizienz überexprimiert, und die Hemmung von GRK2 könnte in Zukunft zur Behandlung von Herzinsuffizienz eingesetzt werden.  Der Polymorphismus des GRK4-Gens wurde mit erblichen Hypertonie und erworbener Hypertonie in Verbindung gebracht und wirkt teilweise über renale Dopaminrezeptoren. Unter reifen Spermienzellen ist GRK4 die am höchsten exprimierte GRK auf mRNA-Ebene, aber Mäuse, denen GRK4 fehlt, können sich dennoch fortpflanzen, sodass seine Rolle in diesen Zellen noch unbekannt ist. Bei Menschen führt der GRK5 -Sequenzpolymorphismus des Restes 41 (Leucin anstelle von Glutamin), der häufigste Rest bei Personen afrikanischer Abstammung, zu GRK5-vermittelten Luftwegen β2-adrenergen Rezeptoren (einem Arzneimittelziel). Bei Zebrafischen und Menschen steht der Verlust der GRK5-Funktion im Zusammenhang mit heterologen Herzfehlern. Heterogenität ist eine Reihe von Entwicklungsfehlern, die durch falsche Links-Rechts-Lateralisierung während der Organbildung verursacht werden. Bei Mäusen verändert die GRK6-Regulation der D2-Dopaminrezeptoren im Striatum des Gehirns die Empfindlichkeit gegenüber Psychostimulanzien, die über Dopamin wirken, und GRK6 wird mit der Parkinson-Krankheit und der anti-Parkinson-Therapie in Verbindung gebracht, wobei die Dyskinesie mit Nebenwirkungen in Zusammenhang steht.

Referenz

1. Ribas C; et al. The G protein-coupled receptor kinase (GRK) interactome: role of GRKs in GPCR regulation and signaling. Biochim Biophys Acta. 2007, 1768 (4): 913-922.