AMPLIAR EL ESPECTRO DE LAS ENFERMEDADES proteína G

Mutaciones causantes de la enfermedad a menudo revelan las principales vías de la regulación fisiológica y sus mecanismos moleculares subyacentes. Las mutaciones en los nucleótidos de guanina triméricas de unión a proteínas (proteínas G), que transmiten señales iniciadas por fotones, odorantes, y una serie de hormonas y neurotransmisores, causa muchas enfermedades. En su mayor parte, las enfermedades se limitan a un conjunto de fascinantes trastornos endocrinos bu raras (Tabla 1). Un estudio reciente sugiere que las mutaciones en las proteínas G también puede conducir a la hipertensión esencial. Si este estudio es correcto, la hipertensión puede ser uno de varios trastornos comunes causadas por defectos en esta familia de moléculas de señalización ubicua.

Esta revisión se centra principalmente en los recientes descubrimientos que nos ayudan a comprender la patogenia y fisiopatología de las enfermedades causadas por mutaciones g de proteína. También se discuten los mecanismos moleculares de la proteína G de señalización, un tema que ha sido recientemente revisado en detalle en otra parte.

Las mutaciones que alteran la activación de la proteína G puede causar trastornos caracterizados por una transmisión insuficiente o excesiva de señales (Tabla 1). Disminución de la transmisión de señales - pérdida de la función - el resultado de mutaciones que alteran la capacidad de la proteína G que se activan por receptores de hormonas. Aumento de la transmisión de señales - ganancia de función - el resultado de mutaciones que imitan o aumentar la activación de los receptores.

ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LAS PROTEÍNAS G

Proteínas G retransmiten señales de cada uno de más de 1000 receptores a muchos diferentes efectores intracelulares, incluyendo enzimas y canales iónicos. La proteína G está compuesta de una subunidad de una que se une débilmente a un dímero estrechamente asociado formado por una subunidad β y una subunidad γ; cada una de las tres subunidades es

codificada por un gen separado, selecte de 16α, 6β, y genes 12γ , respectivamente. Varios G α proteínas definen trímeros diferentes proteínas G (Gs, Gq, Gi, Gt, etc), cada uno de los cuales regula un conjunto distintivo de las vías de señalización corriente abajo.

La actividad de una proteína G trimérica es regulada por la unión y la hidrólisis del trifosfato de guanosina (GTP) por la subunidad G α. Una subunidad α al que está enlazado difosfato de guanosina (GDP) es inactivo y se asocia con el dímero βγ. Activación de un receptor por un ligando provoca la αβγ complejo para liberar PIB. Esta liberación es seguido por la unión de GTP a la subunidad α, después de lo cual los α-GTP subunidad complejo se disocia de βγ y desde el receptor. Este complejo o el dímero βγ libre después activa los efectores. La conversión de GTP a GDP unido termina la señal, porque PIB α-subunidad complejos carecen de la capacidad para regular efectores e inactivar βγ mediante la unión a ella.

Defectos de proteínas G pueden causar enfermedades en varias maneras. La producción de una proteína G que no se puede hidrolizar GTP y terminar los resultados de señales en la actividad persistentemente elevado del efector aguas abajo, incluso en ausencia de estímulos extracelulares.

Disminución de la producción normal de una proteína G o la producción de una proteína G inestable puede reducir la respuesta normal a la estimulación hormonal. Anormalidades que afectan a la capacidad de una proteína G para cambiar a la estado "encendido" puede resultar en un aumento o una disminución en la señal descendente. Se produce un aumento en la proteína defectuosa versiones PIB y el GTP se une más rápidamente de lo normal, y se produce una disminución en la proteína libera PIB más lento o se une GTP menos ávidamente.

DEFECTOS EN LA TERMINACIÓN DE LA PROTEÍNA G SEÑALIZACIÓN

Para apagar la señal, una proteína G debe escindir el fosfato γ a partir de GTP en una reacción que requiere la asociación de los átomos de fósforo γ con el oxígeno de una molécula de agua. Para catalizar esta reacción, los átomos

implicados deben estar dispuestos con precisión adyacente a vecinos aminoácidos de G α. Cuando la capacidad de estos aminoácidos para estabilizar la disposición exacta de los átomos se deteriora, la hidrólisis de GTP se hace más lenta y la terminación de la señal se retarda, causando trastornos caracterizados por una excesiva y persistente señales generadas por la proteína G anormal.

cólera

La diarrea acuosa causada por Vibrio cholerae resultados de la secreción de sal y agua en el intestino, la secreción estimulada por un aumento de las concentraciones de AMP cíclico (AMPc) en células de la mucosa. Exotoxina de la bacteria patógena, una enzima, se conecta el difosfato de adenosina (ADP)-ribosa fracción intracelular de dinucleótido de nicotinamida adenina a la cadena lateral de un residuo de arginina tecla (en la posición 201) en Gs α, el regulador estimulante de la adenilato ciclasa. Al igual que un dedo se estabiliza una delicada pieza de la maquinaria, la cadena lateral de la arginina acelera la hidrólisis GTP mediante la celebración de un átomo de oxígeno del fosfato γ exactamente en el lugar correcto.

La unión de ADP-ribosa a la cadena lateral marcadamente ralentiza la hidrólisis de GTP y Gs α bloquea en su forma activa unida a GTP forma. Toxinas similares son responsables de la diarrea del viajero causada por cepas de Escherichia coli certai.

acromegalia

Los primeros mutantes oncogénicos G α fueron encontrados en los genes Gs α de tumores de pituitaria de pacientes con acromegalia. El mutante Gs oncogén α, denominado gsp (para la proteína G estimuladora), se encuentra en el 40 por ciento de los tumores somatotrópicas en tales pacientes.

Las proteínas codificadas por gsp tiene los mismos defectos de terminación de señal que se producen en el cólera - la incapacidad de hidrolizar GTP y la estimulación persistente de la adenilato ciclasa. La proteína codificada por gsp es oncogénico, porque imita la señal intracelular provocada por el

crecimiento de la hormona liberadora de la hormona, que normalmente estimula un receptor que activa la síntesis de AMPc y G; como la liberación de la hormona, gsp estimula la secreción de la hormona de crecimiento y aumenta la proliferación de somatotrofos. Como con la mayoría de los oncogenes, gsp resultado de mutaciones somáticas que se producen en el tejido afectado y, de hecho, una mutación de la línea germinal gsp es casi seguro que sea letal.

La mayoría de las mutaciones en gsp sustitutos otros aminoácidos para el residuo de arginina que es un objetivo de la toxina del cólera en células intestinales; unas pocas mutaciones reemplazan una glutamina cercano. Tanto la arginina y glutamina "dedos" mantener una rápida hidrólisis de GTP mediante la estabilización de la γ fosfato de GTP.

Otras mutaciones activantes en G α

Las mutaciones en gsp se pueden encontrar en cualquier tumor derivadas de una célula en la que el cAMP estimula la proliferación celular. El síndrome de McCune-Albright es un claro ejemplo de los efectos de estas mutaciones Este síndrome se caracteriza por displasia fibrosa poliostótica, regiones dispersas de hiperpigmentación (café au lait) de la piel, y la hiperfunción autónoma de una o más glándulas endocrinas y da lugar a la gonadotropina pubertad precoz independiente, hipertiroidismo, síndrome de Cushing, acromegalia o. Los tejidos afectados de los pacientes con este síndrome presentan mutaciones gsp que codifican sustituciones para el dedo de arginina que también está mutado en tumores hipofisarios. Todas las manifestaciones de esta congénita (pero no heredable) síndrome de reflejar una mutación gsp que ocurrió temprano en el desarrollo del embrión, en el ADN de una célula cuya progenie contribuirá a la distribución en mosaico de células afectadas más tarde en la vida.

CAMP intracelular, como un campamento de elevación del hormonas, normalmente estimula la proliferación de las células en las glándulas (tiroides, corteza suprarrenal, los ovarios y la pituitaria) que dan lugar a hiperfuncionante tumores en pacientes con el síndrome de McCune-Albright.

La hiperpigmentación cutánea no resulta de la excesiva proliferación de células, pero a partir de la imitación del efecto normal de la hormona estimulante de melanocitos en los receptores que utilizan Gs para aumentar cAMP síntesis en los melanocitos.

La patogénesis de las lesiones óseas no está claro. Gs α activado por mutaciones puede ejercer su efecto patogénico sobre los osteoclastos o fibroblastos, imitando los efectos normales de regulación de la hormona paratiroidea, calcitonina, u otras hormonas. Los pacientes con el síndrome de McCune-Albright también tienen una mayor incidencia de arritmias y la muerte súbita en la infancia, tal vez los niveles elevados de actividad Gs α en los miocitos cardíacos y fibras conductoras producen los mismos efectos arritmogénicos como amina adrenérgica β

Unos pocos funcionamiento autónomo adenomas tiroideos puerto mutaciones y mutaciones gsp gsp-como en el gen que codifica la subunidad a de Gi se han encontrado en un par adenomas de la corteza suprarrenal y los tumores endocrinos del ovario. Otros G subunidades α activados por mutaciones pueden provocar la transformación neoplásica de las células cultivadas, pero no han sido encontrados en los tumores en los seres humanos. El estudio de ratones transgénicos que sobreexpresan normales o activado por mutación G subunidades α en tejidos específicos puede resultar útil en la predicción de G α enfermedades en los seres humanos. Por ejemplo, la sobreexpresión de Gq α en los resultados cardíacos en hipertrofia cardiaca grave e insuficiencia cardiaca posterior congestiv

Reguladores de la hidrólisis de GTP

Las enfermedades son probablemente el resultado de mutaciones en los genes que codifican los RGS recientemente descubiertos (regulador de la señalización de la proteína G) proteínas. Los miembros de esta gran familia de proteínas (codificadas por 16 genes o MOR) acelerar la hidrólisis de GTP por Gi, Gt, Gq y G, terminando así señales en milisegundos en lugar de segundos. Proteínas RGS se unen a G α y estabilizar los dedos de arginina y glutamina en el sitio activo de la GTPasa.

Las proteínas G regulados por proteínas RGS mediar rápidas respuestas fisiológicas, incluyendo vagal desaceleración de la frecuencia cardíaca (Gi), la detección de la retina de los fotones (Gt), y la contracción del músculo liso vascular (GQ). Las proteínas RGS probablemente desempeñan un papel clave en la terminación de las señales intracelulares que median en cada una de estas respuestas. Por lo tanto, las mutaciones que afectan a genes que codifican las proteínas RGS puede estar implicado en enfermedades asociadas con ganancia de función, que afectan a la visión, la regulación cardiovascular, y otras funciones.

Inactivación genética de subunidades de proteínas G

Seudohipoparatiroidismo Tipo I

Seudohipoparatiroidismo tipo I es causada por la pérdida genética de Gs α, la subunidad α de Gs. Las características clínicas parecen a los de hipoparatiroidismo pero son causadas por resistencia heredada de los tejidos diana a la hormona paratiroidea en lugar de por la falta de la hormona. La inactivación de un alelo del gen de la α Gs causa la forma mejor entendido de esta enfermedad, Ia seudohipoparatiroidismo tipo. Se caracteriza por la resistencia a los efectos de la hormona paratiroidea y hormonas a veces tirotropina y otras que utilizan Gs y la adenilato ciclasa para generar AMPc como segundo mensajero en las células. Los pacientes afectados tienen un distintivo habitus - corta estatura, cabeza redonda, y los dedos cortos y dedos de los pies (braquidactilia) - llamada osteodistrofia hereditaria de Albright. La actividad de Gs eritrocitos se reduce en un 50 por ciento en pacientes con Ia seudohipoparatiroidismo tipo. Todos los pacientes son heterocigotos, con un alelo normal de Gs α; los alelos mutantes conducir a la producción de α Gs o inactivo a pequeñas cantidades de activo Gs α.

El patrón de herencia dominante de Ia pseudohipoparatiroidismo tipo y la gravedad variable y la diversidad de sus manifestaciones clínicas son desconcertantes. La herencia dominante se ha atribuido a la llamada haploinsuficiencia del gen Gs α, lo que significa que la proteína producida por un solo alelo normal de Gs α no puede apoyar la función normal, aunque

puede ser suficiente para la supervivencia. (Otros genes haploinsufficient son los que codifican el receptor de las lipoproteínas de baja densidad y el receptor sensor de calcio) Con la excepción de las respuestas a la hormona paratiroidea y la tirotropina, la mayoría de las respuestas a las hormonas que dependen de la síntesis de AMPc (respuestas, por ejemplo, a la corticotropina, glucagón, o β aminas adrenérgicas) son afectados clínicamente en I. seudohipoparatiroidismo tipo para las respuestas de las hormonas últimos, 50 por ciento de la dotación normal de Gs basta α. La inferencia de que la haploinsuficiencia de Gs α es específica de tejido explica la resistencia selectiva a las hormonas y el habitus característica de los pacientes con AI seudohipoparatiroidismo tipo.

Específico de tejido haploinsuficiencia puede explicar sólo una parte de la variabilidad, sin embargo. En una misma familia, algunos pacientes con un gen defectuoso Gs α tienen una resistencia a la hormona paratiroidea, mientras que otros comparten con ellos el hábito de la osteodistrofia hereditaria de Albright, pero no son resistentes a la paratiroides hormona, este último se dice que tienen seudoseudohipoparatiroidismo. Un análisis de las genealogías de las familias que incluyó a pacientes con cualquiera de los dos o pseudohipoparatiroidismo seudoseudohipoparatiroidismo reveló que el 60 hijos que habían heredado el gen defectuoso de la madre tuvo Ia pseudohipoparatiroidismo tipo, mientras que el 6 hijos que habían heredado el gen del padre tuvo seudoseudohipoparatiroidismo. Este golpeteo sorprendente sugiere que el gen paterno Gs α se no se expresa normalmente, debido a la impronta genómica, es decir, la modificación de secuencias de ADN heredado del padre en el huevo fertilizado selectivamente impide la expresión de Gs α codificada por el gen paterno en la progenie. Por lo tanto, los pacientes que heredan el gen defectuoso del padre tienen seudoseudohipoparatiroidismo porque el gen mutante no se expresa y dado que el producto de una sola herencia materna es suficiente Gs α genes para las respuestas normales a la hormona paratiroidea y la tirotropina. Este patrón de impresión que ha encontrado en ratones knockout heterocigotos transgénicos que llevaban una normal y un gen

defectuoso Gs α. sólo los ratones que habían heredado el gen defectuoso de la madre eran resistentes a la hormona paratiroidea.

La ocurrencia de la osteodistrofia hereditaria de Albright en pacientes con seudoseudohipoparatiroidismo, sin embargo, indica que uno Gs gen α no es suficiente en todos los tejidos. Esta paradoja se puede explicar sólo si imprinting altera la expresión de genes de un modo específico de célula en la progenie, como se ha descrito para varios otros genes. Así, los diferentes fenotipos probablemente el resultado de combinaciones de tissuespecific haploinsuficiencia y la impronta paterna (expresión exclusiva de la herencia materna del gen Gs α). Los defectos funcionales que sólo se encuentran en pacientes con seudohipoparatiroidismo tipo Ia dependen de la actividad GS en células en las que el gen GS α está sujeto a impronta paterna pero haplosufficient (un alelo normalmente es suficiente, por ejemplo, en respuesta hormona paratiroides-células del riñón). El fenotipo de los resultados de osteodistrofia hereditaria de Albright de una función deficiente de señalización en las células en las que el gen GS α es haploinsufficient pero no impresa (ambos alelos se expresan normalmente). Por último, el AMPc dependiente de las funciones que no se ven afectados, ya sea de tipo Ia pseudohipoparatiroidismo o seudoseudohipoparatiroidismo se llevan a cabo por las células en las que el gen Gs α es haplosufficient y no impreso.

Otros posibles mutaciones en las proteínas G

Los pacientes con Ib seudohipoparatiroidismo tipo tiene hipocalcemia e hiperfosfatemia, como resultado de la resistencia a las acciones renales de la hormona paratiroidea que carecen de los habitus de los pacientes con osteodistrofia hereditaria de Albright, sin embargo, y no tienen la resistencia a la tirotropina u otras hormonas de la hormona paratiroidea. Este trastorno se hereda como un rasgo autosómico dominante, pero las mutaciones no se han encontrado en la α Gs o genes paratiroides hormona-receptor, el gen mutante no ha sido identificado. Un estudio reciente que el mapeo de genes involucrados planteó la posibilidad de provocación que el defecto en pacientes con altera pseudohipoparatiroidismo tipo Ib expresión específica

de tejido de GSA. En cuatro linajes, el gen desconocido fue impreso paternalmente, como Gs α y se asigna a una pequeña región del cromosoma 20q13.3, muy cerca de (pero posiblemente separado de) el gen Gs α sí mismo. La interpretación más simple de estos resultados es que los pacientes ingenio Ib seudohipoparatiroidismo tipo heredar un promotor o potenciador mutante que ha perdido la capacidad para apoyar la expresión de Gs α en el riñón, pero no en otros tejidos.

Los pacientes afectados de una familia con ceguera congénita hereditaria dominante noche se informó que llevan una mutación puntual en el gen de la α Gt, que media la célula de vástago respuestas a los fotones, el mecanismo bioquímico es unknown.46 De lo contrario, Gs α es el único α G sabe que genéticamente inactivado en una enfermedad humana. Esto se puede explicar por los fenotipos de ratones transgénicos que carecen de genes específicos G α, llamado G α ratones knockout. De acuerdo con la enfermedad en humanos, knockout del gen da Gs α en la resistencia a la hormona paratiroidea y la evidencia de la impronta paterna del gen. En contraste, los octavos de final de otros genes α α G Gi, α Go, Gq α o α G 13 - Resultados en abnormalitie sólo en los animales knockout homocigotos con heterocigotos, son normales. Esta discrepancia sorprendente probablemente refleja el hecho de que Gs α es el único miembro de la subfamilia expresado en la mayoría de las células, la mayoría de las células por lo general expresan varios miembros diferentes de cada una de las otras subfamilias. Esta redundancia funcional es poco probable que sea completa en todos los tejidos, por lo tanto, inactivación de mutaciones en Gi α, α Gq, y otros genes humanos pueden contribuir a la disfunción sutil, tissuespecific regulador en homocigotos y quizás incluso en heterocigotos. Los fenotipos de knockouts homocigotos en ratones sugieren que las mutaciones G α puede ser encontrado en enfermedades hereditarias que afectan el tracto gastrointestinal, el corazón, el cerebro, las plaquetas y los vasos sanguíneos. Otras mutaciones causantes de la enfermedad seguramente se encuentran en los genes que codifican la Gβ y subunidades Gγ.

INICIACIÓN ANORMAL DE LA SEÑAL DE PROTEÍNA G

La tos ferina

La tos ferina es una enfermedad infecciosa común conocida como tos ferina es causada por Bordetella pertussis organismos que viven en el árbol traqueobronquial. La infección causa una tos paroxística que puede persistir durante semanas y puede complicarse con infecciones secundarias y la muerte. La toxina patógena principal de B. pertussis, como la de cólera, es una enzima que cataliza la unión de ADP-ribosa a la cadena lateral de un aminoácido específico. En este caso el aminoácido es una cisteína localizado en el C-terminal colas de subunidades Ga pertenecientes a la familia Gi α. La unión de ADP-ribosa en esta región profundamente reduce la capacidad de respuesta a la activación del receptor, ya que el terminal C de Ga interactúa directamente con los receptores de hormonas.

El conocimiento del mecanismo molecular de la toxina no se ha llevado todavía a la comprensión de la patogénesis celular de la tos ferina. Los síntomas pulmonares no han sido relacionados con alteración en la activación de cualquiera de los muchos efectores regulados por objetivos de la toxina, las proteínas Gi. El mecanismo molecular, sin embargo, probablemente sí explica la persistencia de la tos paroxística mucho después de B. pertussis se ha ido de las vías respiratorias, lo que probablemente refleja la persistencia de la irreversibilidad de la toxina catalizada por modificación covalente y una baja rotación de las células diana clave en las vías respiratorias epitelio (en contraste con la rápida rotación del epitelio intestinal expuestos a la toxina del cólera).

Activación Específicamente Deterioro de Gs α Tipo Ia Seudohipoparatiroidismo

Dos mutaciones puntuales del gen Gs α, que se encuentran en diferentes familias con seudohipoparatiroidismo tipo Ia, dan como resultado la producción de cantidades normales de proteínas defectuosas de

señalización. La sustitución de la histidina por arginina en la posición 385 en la cola C-terminal de α Gs selectivamente impide Gs de ser estimulado por los receptores. La sustitución de histidina por una arginina diferente (en la posición 231) también impide Gs α a partir de la respuesta a la estimulación del receptor, pero mediante un mecanismo diferente. En el último caso, un puente de sal entre el residuo de arginina y otro normalmente sirve como un cerrojo intramolecular, el bloqueo de GTP en su bolsillo de unión y permitiendo el G α Ga-GTP complejo de disociarse de βγ G. Al romper el cerrojo, la mutación impide Arg231His receptor inducida por la unión de GTP y hace que Ia pseudohipoparatiroidismo tipo.

El ensayo utilizado para la reconstitución bioquímica Gs no puede detectar la deficiencia de Gs en el 10 a 20 por ciento de las familias que tienen el fenotipo clínico completo de tipo I. seudohipoparatiroidismo Como con los casos que implican la mutación Arg231His, muchos de estos casos puede reflejar la relativa insensibilidad de la reconstitución ensayo a un deterioro específico de activación del receptor.

Testotoxicosis con el Tipo Ia Seudohipoparatiroidismo

Testotoxicosis - producción autónoma de la testosterona - Resultados de la pubertad precoz en los niños. Generalmente es causada por una mutación que implica una ganancia de función en el receptor para la hormona luteinizante; esta mutación estimula Gs, dando lugar a un exceso de producción de la testosterona por las células testiculares de Leydig. porque

pacientes con Ia seudohipoparatiroidismo tipo pueden tener resistencia a la hormona luteinizante y la insuficiencia testicular primaria, fue sorprendente encontrar testotoxicosis asociado con Ia seudohipoparatiroidismo tipo en dos boys.12 no relacionado tanto en los niños el trastorno resultado de mutaciones puntuales idénticas en el nucleótido de guanina bolsillo de unión de Gs α (en la posición 366), lo que causó la pérdida simultánea y ganancia de función GSA. Seudohipoparatiroidismo tipo Ia, caracterizado por una pérdida de función Gs α, los resultados de la inactivación térmica de la proteína mutante a la temperatura corporal. Testotoxicosis, una ganancia de función

Gs α, los resultados de acelerar (independiente del receptor) liberación de GDP y la consiguiente activación mediante la unión de GTP, la temperatura más baja de los testículos (34 ° C) protege la proteína mutante de la inactivación térmica.

La hipertensión esencial

Una mutación en el gen que codifica una subunidad β de la proteína G pueden ser patógenos en algunos pacientes con hipertensión esencial. La detección de un aumento de la señalización dependiente de Gi en células cultivadas de pacientes con hipertensión llevado al descubrimiento de una mutación aparente que implica una ganancia de función en el gen que codifica el miembro de la β3 G β familia. Los resultados de mutación en el corte y empalme aberrante de β3 ARN mensajero y la producción de G β3-sa proteína corta que carece de 41 residuos en el medio de la secuencia de aminoácidos; G β3-S se encuentra en las plaquetas y células cultivadas de pacientes 2 afectados aunque la presencia de β3-s en células cultivadas se correlaciona bien con el aumento de las respuestas hormonales Gi-dependientes, el mecanismo molecular subyacente no se conoce.

En un estudio de casos y controles con más de 400 pacientes en cada grupo, el G-β3 s alelo se encontró en el 53 por ciento de los pacientes con hipertensión y el 44 por ciento de subjects.2 normotensos Si esta pequeña diferencia se confirma, esto sugiere que la mutación podría ser responsable de la presión arterial elevada de 15 por ciento de los pacientes con hypertension54, en este caso, G-β3 s representaría un polimorfismo equilibrado cuya ventaja selectiva en la evolución es equilibrada por el efecto deletéreo de la hipertensión.

CONCLUSIONES

Debido a que las proteínas G desempeñan un papel clave en la regulación, el análisis genético es probable que revelan mutaciones adicionales en las proteínas G que causan enfermedades en los seres humanos. Algunas de estas mutaciones causan las enfermedades raras, como el tipo de pseudohipoparatiroidismo I o acromegalia, pero sin embargo nos enseñan lecciones acerca de los mecanismos básicos de regulación. En otros casos, tales como la mutación β3 en la hipertensión, los polimorfismos equilibrada puede ser encontrado para contribuir a otras enfermedades crónicas comunes.