G-Protein-gekoppelte Rezeptor-Kinase (GRKs)

G-Protein-gekoppelte Rezeptorkinasen (GRKs) sind eine Gruppe von Kinasen, die mit der schnellen Desensibilisierung von G-Protein-gekoppelten Rezeptoren (GPCRs) in Zusammenhang stehen. Viele GPCRs wie Opioidrezeptoren, Thromboxanrezeptoren, 5-HT2-Serotoninrezeptoren und adrenerge Rezeptoren neigen bei kontinuierlicher Stimulation des Agonisten zu einer schnellen Abschwächung der Transduktionssignale. Dieser Regulationsmechanismus steht hauptsächlich im Zusammenhang mit GRKs. Die GRKs-Familie besteht aus 7 Familienmitgliedern mit strukturell homologen Sequenzen. Jede GRK enthält eine gemeinsame funktionelle Struktur, einschließlich einer zentralen katalytischen Region, einer Substraterkennungs- und Aminoterminalregion mit Regulatoren der G-Protein-Signalisierung (RGS)-ähnlicher Struktur sowie einer Wirkung auf die Carboxyterminalregion der Membran.

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

Klassifikationen

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

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

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

Die dritte Unterfamilie umfasst GRK4, GRK5 und GRK6.

GRK4 wird nur in den Hoden in hohen Konzentrationen exprimiert, was darauf hindeutet, dass das Enzym Substratspezifität besitzt.

GRKs und GPCRs-Desensibilisierung

Der Grad der Rezeptordesensibilisierung kann die vollständige Beendigung des Signals sein, wie im Seh- und Riechsystem; es kann aber auch eine Verringerung der Wirksamkeit von Agonisten sein, wie beim β2AR. Der Grad der Rezeptordesensibilisierung 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-Signalisierung kann auch auf der Ebene des G-Proteins erfolgen. Wenn der Rezeptor nicht aktiviert ist, existieren GRK1 ~ 3 im Zytoplasma; nach Aktivierung des Rezeptors wandern GRK123 zur Zellmembran und binden an den Zielrezeptor.

Struktur

Röntgenkristallstrukturen mehrerer GRKs (GRK1, GRK2, GRK4, GRK5 und GRK6) allein oder in Kombination mit einem Liganden wurden erhalten. Im Allgemeinen weisen GRKs Sequenzhomologie und Domänenorganisation auf, wobei der zentrale Proteinkinase-Katalysedomäne eine Domäne vorausgeht, die homolog zur aktiven Domäne eines G-Protein-Modulators, eines Signalisierungsproteins und einer RGS-Protein-Domäne (RGS Homology-RH-Domäne) ist, gefolgt von einer variablen regulatorischen Carboxyterminalregion. In gefalteten Proteinen bildet die Kinasedomäne eine typische bilobate Kinasestruktur mit einer zentralen ATP-Bindungsstelle. Die RH-Domäne besteht aus einer aminoterminalen Sequenz plus einer Alpha-Helix-Region, die durch eine kurze Sequenz nach der Kinasedomäne gebildet wird. Diese Sequenz liefert zwei zusätzliche Helices und stellt umfangreiche Kontakte zu einer Seite der Kinasedomäne her. Modellierung und Mutagenese zeigen, dass die RH-Domäne die GPCR-Aktivierung erkennt, um das Kinase-Aktivzentrum zu öffnen.

G-Protein-gekoppelte Rezeptorkinase 2

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

Abbildung 2. Struktur des GRK2-Proteins.

G-Protein-gekoppelte Rezeptorkinase 6

Dieses Gen kodiert ein Mitglied der G-Protein-gekoppelten Rezeptorkinase-Unterfamilie der Ser/Thr-Proteinkinase-Familie, das 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 Rezeptorkinase 7

GRK7 ist ein Mitglied der G-Protein-gekoppelten Rezeptorkinase-Familie und wird offiziell als G-Protein-gekoppelte Rezeptorkinase 7 bezeichnet. GRK7 kommt hauptsächlich in den Zapfenzellen der Netzhaut von Säugetieren vor und phosphoryliert photoaktivierte Photoproteinasen, ein Mitglied dieser 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 als S-Antigen bekannt). Defekte in GRK1 können zu kongenitaler stationärer Nachtblindheit führen. GRK7, wie Pyramidin-Rhodopsin, auch bekannt als Inhibin 4 oder X-Arrestin, reguliert ebenfalls die Phosphorylierung und Inaktivierung von Zapfenprotein im Farbensehen. GRK2 wurde erstmals als Enzym identifiziert, das β-2-adrenerge Rezeptoren phosphoryliert, und wurde ursprünglich als β-adrenerge Rezeptorkinase (βARK oder βARK1) bezeichnet. GRK2 ist bei Herzinsuffizienz überexprimiert, und eine Hemmung von GRK2 könnte zukünftig zur Behandlung von Herzinsuffizienz eingesetzt werden. Die Polymorphismen des GRK4-Gens stehen im Zusammenhang mit hereditärer Hypertonie und erworbener Hypertonie und wirken teilweise über renale Dopaminrezeptoren. Unter reifen Spermienzellen ist GRK4 das am höchsten exprimierte GRK auf mRNA-Ebene, aber Mäuse ohne GRK4 können sich dennoch fortpflanzen, sodass seine Rolle in diesen Zellen noch unbekannt ist. Beim Menschen führt der GRK5-Sequenzpolymorphismus an Position 41 (Leucin statt Glutamin), das häufigste Allel bei Menschen afrikanischer Abstammung, zu GRK5-vermittelten β2-adrenergen Rezeptoren der Atemwege (ein Arzneimittelziel). Bei Zebrafischen und Menschen ist der Funktionsverlust von GRK5 mit heterologen Herzfehlern verbunden. Heterotaxie ist eine Reihe von Entwicklungsstörungen, die durch fehlerhafte Links-Rechts-Lateralität 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 steht im Zusammenhang mit der Parkinson-Krankheit und Nebenwirkungen der Anti-Parkinson-Therapie mit dem Medikament L-Dyskinesie.

Referenz

1. Ribas C; et al. Das G-Protein-gekoppelte Rezeptor-Kinase (GRK) Interaktom: Rolle der GRKs in der GPCR-Regulation und Signalübertragung. Biochim Biophys Acta. 2007, 1768 (4): 913-922.