G‑Protein‑gekoppelte Rezeptorkinase (GRKs)

G‑Protein‑gekoppelte Rezeptorkinasen (GRKs) sind eine Gruppe von Kinasen, die mit der raschen Desensibilisierung G‑Protein‑gekoppelter Rezeptoren (GPCRs) in Zusammenhang stehen. Viele GPCRs, wie z. B. Opioidrezeptoren, Thromboxanrezeptoren, 5‑HT2‑Serotoninrezeptoren und adrenerge Rezeptoren, neigen bei kontinuierlicher Agonistenstimulation zu einer schnellen Abschwächung der Signaltransduktion. Dieser regulatorische Mechanismus ist hauptsächlich mit GRKs verknüpft. Die GRK‑Familie umfasst 7 Mitglieder mit strukturell homologen Sequenzen. Jede GRK weist eine gemeinsame funktionelle Struktur auf, einschließlich einer zentralen katalytischen Region, einer Substraterkennungs‑ und Aminoterminus‑Region mit einer Regulator‑of‑G‑protein‑signaling (RGS)‑ähnlichen Struktur sowie einer membranassoziierten Carboxyterminal‑Region.

Abbildung 1. Proteinstruktur der G‑Protein‑gekoppelten Rezeptorkinasen (GRKs).

Klassifikationen

Aufgrund der Sequenz‑ und Funktionsähnlichkeit lässt sich die Familie in 3 Unterfamilien einteilen.

Die erste Unterfamilie umfasst GRK1 und GRK7. GRK1 ist eine Rhodopsinkinase, die ausschließlich in retinalen Photorezeptorzellen exprimiert wird; ihr Substrat ist retinales Opsin.

Die zweite Unterfamilie aus GRK2 und GRK3 ist auch als β2‑adrenerge Rezeptorkinase 1 (β2ARK1) bzw. β2‑adrenerge Rezeptorkinase 2 (β2ARK2) bekannt.

Die dritte Unterfamilie umfasst GRK4, GRK5 und GRK6.

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

GRKs und GPCR‑Desensibilisierung

Das Ausmaß der Rezeptordesensibilisierung kann in einer vollständigen Beendigung des Signals resultieren, wie z. B. im visuellen und olfaktorischen System; es kann sich aber auch als Abnahme der Agonistenwirksamkeit darstellen, wie z. B. beim β2AR. Das Ausmaß der Rezeptordesensibilisierung wird von vielen Faktoren beeinflusst, einschließlich der Rezeptorstruktur und des zellulären Umfelds. Das Hauptmerkmal besteht darin, dass der Rezeptor vom heterotrimeren G‑Protein entkoppelt wird. Die Beendigung der GPCR‑Signalübertragung kann auch auf Ebene des G‑Proteins erfolgen. Wenn der Rezeptor nicht aktiviert ist, liegen GRK1–3 im Zytoplasma vor; nach Aktivierung des Rezeptors translozieren GRK1/2/3 zur Zellmembran und binden an den Zielrezeptor.

Struktur

Röntgenkristallstrukturen mehrerer GRKs (GRK1, GRK2, GRK4, GRK5 und GRK6) wurden sowohl allein als auch in Komplexen mit Liganden bestimmt. Im Allgemeinen weisen GRKs Sequenzhomologie und eine ähnliche Domänenorganisation auf: Der zentrale katalytische Proteinkinase‑Domäne geht eine Domäne voraus, die zur aktiven Domäne eines G‑Protein‑Modulators, eines Signalproteins und eines RGS‑Proteins homolog ist (RGS‑Homologie‑/RH‑Domäne); daran schließt sich eine variable regulatorische Carboxyterminal‑Tail‑Region an. In der gefalteten Proteinstruktur bildet die Kinase‑Domäne eine typische bilobate Kinase‑Architektur mit einer zentralen ATP‑Bindungsstelle als aktivem Zentrum. Die RH‑Domäne besteht aus einer aminoterminalen Sequenz plus einer α‑Helix‑Region, die durch eine kurze Sequenz nach der Kinase‑Domäne gebildet wird. Diese Sequenz liefert zwei zusätzliche Helices und steht in umfangreichem Kontakt mit einer Seite der Kinase‑Domäne. Modellierungs‑ und Mutagenesestudien zeigen, dass die RH‑Domäne die GPCR‑Aktivierung detektiert und dadurch die Kinase‑aktive Stelle öffnet.

G‑Protein‑gekoppelte Rezeptorkinase 2

Die G‑Protein‑gekoppelte Rezeptorkinase 2 (GRK2) ist ein Enzym, das beim Menschen durch das Gen ADRBK1 kodiert wird. GRK2 wurde ursprünglich als β‑adrenerge Rezeptorkinase (βARK bzw. βARK1) bezeichnet und ist ein Mitglied der GRK‑Unterfamilie der Ser/Thr‑Proteinkinasen; sie ist GRK3 am ähnlichsten (βARK2 ist am ähnlichsten).

Abbildung 2. Struktur des GRK2‑Proteins.

G‑Protein‑gekoppelte Rezeptorkinase 6

Dieses Gen kodiert ein Mitglied der GRK‑Unterfamilie innerhalb der Ser/Thr‑Proteinkinase‑Familie, das GRK4 und GRK5 am ähnlichsten ist. Dieses Protein phosphoryliert die aktivierte Form des G‑Protein‑gekoppelten Rezeptors und reguliert dadurch die Signalübertragung.

Abbildung 3. Struktur des GRK6‑Proteins.

G‑Protein‑gekoppelte Rezeptorkinase 7

GRK7 ist ein Mitglied der Familie der G‑Protein‑gekoppelten Rezeptorkinasen und trägt offiziell die Bezeichnung G‑Protein‑gekoppelte Rezeptorkinase 7. GRK7 kommt hauptsächlich in retinalen Zapfenzellen von Säugetieren vor und phosphoryliert photoaktivierte Photoproteinasen, ein Familienmitglied. G‑Protein‑gekoppelte Rezeptoren erkennen Licht unterschiedlicher Wellenlängen (rot, grün, blau).

Funktionen

GRK1 ist an der Phosphorylierung und Inaktivierung von Rhodopsin beteiligt und steht zudem in Zusammenhang mit Inhibin 1 (auch als S‑Antigen bekannt). Defekte in GRK1 können eine stationäre Nachtblindheit mit kleinem Mund verursachen. GRK7, ähnlich wie Pyramidin‑Rhodopsin, auch als Inhibin 4 oder X‑Arrestin bekannt, reguliert ebenfalls die Phosphorylierung und Inaktivierung von Zapfenproteinen im Farbsehen.  GRK2 wurde zunächst als Enzym identifiziert, das β2‑adrenerge Rezeptoren phosphoryliert, und wurde ursprünglich als β‑adrenerge Rezeptorkinase (βARK bzw. ββARK1) bezeichnet. GRK2 ist bei Herzinsuffizienz überexprimiert, und eine Hemmung von GRK2 könnte künftig zur Behandlung der Herzinsuffizienz eingesetzt werden.  Der Polymorphismus des GRK4‑Gens wurde mit hereditärer und erworbener Hypertonie in Verbindung gebracht und wirkt teilweise über renale Dopaminrezeptoren. In reifen Spermienzellen ist GRK4 die am höchsten auf mRNA‑Ebene exprimierte GRK; Mäuse ohne GRK4 sind jedoch weiterhin fertil, sodass die Rolle in diesen Zellen bislang unklar ist. Beim Menschen führt ein GRK5‑Sequenzpolymorphismus an Position 41 (Leucin statt Glutamin), der häufigste Rest bei Personen afrikanischer Abstammung, zu GRK5‑vermittelten Effekten auf die β2‑adrenergen Rezeptoren der Atemwege (ein Arzneimittel‑Target). Bei Zebrafisch und Mensch ist der Funktionsverlust von GRK5 mit heterotaxen Herzfehlbildungen assoziiert. Heterotaxie umfasst eine Reihe von Entwicklungsdefekten, die durch eine fehlerhafte Links‑Rechts‑Lateralisierung während der Organogenese verursacht werden. Bei Mäusen verändert die GRK6‑Regulation von D2‑Dopaminrezeptoren im Striatum die Sensitivität gegenüber Psychostimulanzien, die über Dopamin wirken; zudem ist GRK6 mit Morbus Parkinson und mit Nebenwirkungen der antiparkinsonischen Therapie, einschließlich L‑Dopa‑induzierter Dyskinesien, assoziiert.

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.