Señalización G12/13 en el asma

Resumen

El acortamiento del músculo liso de las vías respiratorias y la broncoconstricción son patognomónicos del asma. El acortamiento de las vías respiratorias se produce a través de la activación dependiente del calcio de la quinasa de la cadena ligera de miosina y la sensibilización al calcio dependiente de RhoA, que inhibe la fosfatasa de la cadena ligera de miosina. El mecanismo a través del cual los estímulos procontráctiles activan la sensibilización al calcio es poco conocido. Nuestra revisión de la literatura sugiere que los receptores acoplados a la proteína G procontráctil probablemente envían señales a través de G12/13 para activar RhoA y mediar la sensibilización al calcio. Esta hipótesis es consistente con los efectos de los agonistas procontráctiles en la activación de RhoA y Rho quinasa, la polimerización de actina y la fosforilación de la cadena ligera de miosina. Reconocer el papel probable de la señalización G12/13 en la fisiopatología del asma racionaliza los efectos de los estímulos procontráctiles en la hiperreactividad de las vías respiratorias, la activación inmunitaria y la remodelación de las vías respiratorias, y sugiere nuevos enfoques para el tratamiento del asma.

Fondo

Los receptores acoplados a proteína G (GPCR) comprenden la familia más grande de receptores de superficie celular en el genoma humano (> 800 miembros).1,2,3) y coordinan las respuestas fisiológicas a todo, desde los fotones hasta las proteínas. En contraste con esta diversidad de receptores y ligandos, las proteínas G heterotriméricas que median la señalización intracelular después de la activación de GPCR parecen engañosamente simples: dieciséis subunidades Gα que se dividen en cuatro subfamilias mecanicistas (Gs, Gq/11, Gi/o y G12/13) y cinco subunidades Gβ que forman heterodímeros obligados con una de las doce subunidades Gγ (4). La señalización de GPCR se describe generalmente como el resultado del acoplamiento específico entre un GPCR y una proteína G particular, pero la mayoría de los GPCR se acoplan a múltiples proteínas G (5). Los determinantes estructurales de la selección de proteínas G por GPCR no se comprenden bien (6, 7). El reclutamiento diferencial de proteínas G (sesgo de proteína G) a menudo está determinado por la unión del ligando (8, 9) con resultados de señalización determinados por el conjunto de proteínas G que se activan. Dilucidar la base estructural y mecanicista del sesgo de la proteína G y utilizarla como herramienta para mejorar las propiedades de los fármacos es el foco de una considerable investigación (10,11,12).

La unión del ligando a los GPCR promueve cambios conformacionales que catalizan el intercambio de nucleótidos de guanina dentro de las subunidades α de las proteínas G heterotriméricas asociadas (13). La unión de GTP disocia los heterotrímeros de proteína G, revelando sitios de interacción de proteínas que median la señalización descendente (14). Aunque tanto los complejos Gα como Gβγ contribuyen a la señalización posterior a la activación de GPCR, las vías de señalización se clasifican típicamente por su subunidad Gα. La activación de Gs estimula la adenilil ciclasa, que aumenta la concentración citosólica de AMP cíclico (cAMP), activando así la proteína quinasa A (PKA), mientras que la activación de Gi/o inhibe la adenilil ciclasa (15). La activación de Gq/11 estimula la fosfolipasa Cβ (PLCβ), que genera trifosfato de inositol (IP3) y diacilglicerol (DAG), promoviendo así el flujo de calcio intracelular y la activación de la proteína quinasa C (PKC) (16).

En 1991, se identificó la subfamilia G12/13 como la cuarta clase de subunidades Gα. Esta subfamilia consta de subunidades G12 y G13, que comparten una homología de secuencia de aminoácidos del 67 % (17). A diferencia de otras subfamilias de subunidades de proteínas Gα, las G12 y G13 activadas no regulan las enzimas que producen segundos mensajeros de moléculas pequeñas como cAMP, IP3 o Ca2+. En cambio, los miembros de la subfamilia G12/13 unidos a GTP se unen y regulan la familia de homología Ras (Rho) de factores de intercambio de nucleótidos de guanina (RhoGEF) (18, 19). Los complejos RhoGEF activan pequeñas GTPasas Rho, como RhoA, que desempeñan funciones críticas en la regulación de la dinámica del citoesqueleto (20). Las GTPasas Rho también estimulan numerosas vías de señalización descendentes a través de la activación de la quinasa Rho (ROCK), la quinasa Lim (LIMK) y la quinasa NH2-terminal c-Jun (JNK; ver Fig. 1) (21). La desactivación de G12/13 ocurre a través de la hidrólisis de GTP a GDP a través de su actividad GTPasa intrínseca, que puede ser acelerada por proteínas activadoras de GTPasa (GAP), incluidos los reguladores de los dominios de señalización de la proteína G (RGS) de los miembros de la familia RhoGEF (22). G12/13 se acopla a más de 30 GPCR, incluidos los receptores de angiotensina II, los receptores de leucotrieno cisteinílico (CysLTR), los receptores de histamina (H), los receptores de ácido lisofosfatídico (LPA), los receptores activados por proteasa (PAR), los receptores de esfingosina-1-fosfato (S1P) y los receptores de tromboxano A2 (5).

Figura 1

Señalización de la proteína G en la contracción del músculo liso. Dos vías de señalización de la proteína G contribuyen a la contracción del músculo liso de las vías respiratorias. La activación de Gq/11 tras el intercambio de nucleótidos de guanina dependiente del receptor estimula la vía contráctil dependiente del calcio, por la que la Gq/11 unida a GTP activa alostéricamente la hidrólisis dependiente de PLCβ del bisfosfato de fosfoinosítido (PIP2) en IP3 y DAG, que promueven el flujo intracelular de calcio, activando así la fosforilación dependiente de MLCK de la cadena ligera de miosina y el ciclo del puente cruzado de actomiosina (nodos azules en el lado derecho de la figura). La sensibilización al calcio (nodos fucsia y violeta en el centro y la izquierda de la figura) está mediada por RhoA unida a GTP, que puede generarse aguas abajo de la activación de Gq/11 o G12/13, aunque G12/13 son activadores más potentes (29). La fosforilación de CPI-17 por PKC promueve la inhibición de la fosfatasa de la cadena ligera de miosina, lo que aumenta la fosforilación neta de MLC. La RhoA unida a GTP estimula la polimerización de actina a través de la activación de las forminas (nódulos fucsia) y la actividad de ROCK (nódulos violeta), que inhiben tanto el corte de filamentos como la MLCP. ROCK también fosforila a CPI-17, lo que inhibe aún más la MLCP. (Creado con BioRender.com)

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El asma es una enfermedad obstructiva de las vías respiratorias que se caracteriza por hiperreactividad de las vías respiratorias (AHR), inflamación y remodelación de las vías respiratorias (AR). Los GPCR desempeñan un papel fundamental en la regulación del tono broncomotor y, como tal, son el objetivo de numerosos tratamientos que se utilizan para tratar el asma y otras enfermedades pulmonares obstructivas. Los GPCR acoplados a G, como el receptor adrenérgico β2 (β2AR), regulan la relajación del músculo liso de las vías respiratorias, mientras que los GPCR acoplados a Gq/11, como los receptores de histamina, leucotrienos y acetilcolina muscarínicos, promueven la constricción de las vías respiratorias. En particular, G12/13 se acopla a muchos receptores acoplados a Gq/11 en el músculo liso vascular y de las vías respiratorias (5), y la vía de señalización de RhoA aguas abajo de la activación de G12/13 potencia la contracción del músculo liso (21). La inflamación desempeña un papel fundamental en la etiología del asma, por lo que los fármacos biológicos y los corticosteroides son los pilares del tratamiento. La señalización dependiente de G12/13 desempeña un papel importante en la activación y migración de los linfocitos. Por último, en los pacientes con asma se estimula el engrosamiento de las vías respiratorias y la angiogénesis. Se ha informado de un aumento de la expresión de G12/13 en modelos animales de asma (23), numerosas vías proliferativas (proteína quinasa activada por mitógeno (MAPK) (24), hipopótamo (25), tirosina quinasas no receptoras (26)) se encuentran aguas abajo de la activación de G12/13, y G13 ha sido implicado tanto en la proliferación del músculo liso de las vías respiratorias (ASM) como en la angiogénesis en una variedad de entornos fisiológicos y patológicos, incluido el desarrollo y el cáncer (27, 28).

Como el modulador ascendente más potente de RhoA (29), G12/13 y su vía de señalización descendente constituyen un objetivo intrigante con el potencial de afectar una gran cantidad de aspectos de la fisiopatología del asma al inhibir la AHR, la inflamación y el AR. Dado que existen publicaciones limitadas sobre la señalización G12/13 en la ASM y el asma, cada sección de esta revisión resume los hallazgos relevantes de los tejidos no musculares primero y concluye con datos de músculo liso o ASM cuando están disponibles. La preponderancia de la evidencia sugiere que la focalización de las vías que activan la subfamilia G12/13 y su eje de señalización descendente puede proporcionar un enfoque terapéutico complementario para el manejo del asma y otras enfermedades pulmonares obstructivas.

La estimulación de la fosforilación de la cadena ligera de miosina por la proteína G regula la contracción del músculo liso y la hiperreactividad de las vías respiratorias

El acortamiento del músculo liso de las vías respiratorias induce un estrechamiento de las vías respiratorias, lo que provoca sibilancia, dificultad para respirar y opresión en el pecho, lo que, cuando se combina con la acumulación de moco y la inflamación de las vías respiratorias, es característico del asma (30Se cree que la broncoconstricción está mediada por la unión del agonista a los receptores acoplados a Gq/11. La actividad de intercambio de guanina de los GPCR unidos al agonista permite que el Gq/11 unido a GTP active alostéricamente la producción dependiente de PLCβ de IP3 y DAG, estimulando así la liberación de Ca2+ dependiente del receptor IP3 del retículo sarcoplásmico y la activación dependiente de PKC de los canales de Ca2+, que cooperan para aumentar la concentración de calcio en el citosol (nodos azules en la Fig. 1). La unión del Ca2+ citosólico a la calmodulina provoca la activación alostérica de la quinasa de la cadena ligera de miosina (MLCK), que fosforila la cadena ligera de 20 kDa de la miosina para promover el ciclo del puente cruzado de actomiosina y la contracción muscular (31, 32). La calmodulina unida al calcio en el músculo liso también activa la quinasa II dependiente de calmodulina, que coopera con la PKC para aliviar la inhibición tónica de la interacción entre la miosina y la actina por la calponina (33). Sin embargo, curiosamente, el inhibidor del depsipéptido Gq/11 FR900359 (FR) no logró inhibir la contracción dependiente de carbacol de cortes de pulmón de ratón cortados con precisión a una concentración de 30 nM (34). Una concentración más alta de FR (1 µM) inhibió solo parcialmente la contracción dependiente de carbacol de cortes de pulmón humano cortados con precisión (35) lo que sugiere que el ciclo de puentes cruzados de actomiosina todavía ocurre incluso cuando el flujo de calcio estimulado por Gq/11 está completamente inhibido. Si el flujo de Ca2+ dependiente de Gq/11 es insuficiente para el ciclo de puentes cruzados de actomiosina, ¿qué regula los efectos de la acetilcolina sobre el tono del músculo liso?

G12/13 activa la vía de señalización RhoA/ROCK para regular la polimerización de actina e inhibir MLCP

La interacción entre la miosina y la actina en el músculo liso se regula a través de la fosforilación de la miosina…