Avances en
medicina a partir de la biología estructural de los receptores a catecolaminas.
Marvin A. Soriano-Ursúa, Eunice D. Farfán-García, José
G. Trujillo-Ferrara.
Introducción
Los receptores acoplados a
proteínas G (GPCRs) o de siete dominios transmembranales (7TMRs) median las
respuestas biológicas de muchos neurotransmisores y hormonas, entre ellos las
catecolaminas, como lo son dopamina, noradrenalina y adrenalina. Los receptores de estas aminas
se han estudiado intensamente porque se consideran blancos ideales para
fármacos que modulen las funciones de los sistemas nervioso, cardiovascular y
metabólico en humanos.
Los estudios sobre los receptores de
catecolaminas (dopaminérgicos y adrenérgicos) han encabezado varios avances en
la investigación farmacológica. Por ejemplo, la adrenalina fue una de las primeras
biomoléculas para la que la teoría del receptor fue aceptada. Los
receptores adrenérgicos (α1, α2, β1, β2 y β3), estuvieron entre los
primeros clasificados de acuerdo a la preferencia de sus ligandos, y fueron de
las primeras proteínas de membrana clonadas. En la última década,
también una gran cantidad de datos estructurales a partir de estudios de
cristalografía de rayos X sobre los receptores de catecolaminas (en particular β1 y β2), se han obtenido en tan
sólo unos pocos años desde la cristalización del primer receptor transmembranal:
la rodopsina. Este avance ha generado gran impacto en el área
médica y química, lo que ha dirigido al reconocimiento científico a nivel
mundial, incluyendo el otorgamiento del premio Nobel 2012 a los Doctores Lefkowitz
y Kobilka quienes estudian estos sistemas.
La aplicación de técnicas computacionales y farmacologícas modernas a estudios con datos
estructurales ha proporcionado nueva información sobre el reconocimiento de
ligandos y activación de estos receptores, y por lo tanto ayudan a predecir las
interacciones clave en el reconocimiento ligando-receptor. A través de los
crecientes avances en estos estudios, nuevos conceptos empiezan a pasar a
primer plano: ya no basta analizar la importancia de la interacción
ligando-receptor y el agonismo o antagonismo, sino avanzar hacia el análisis de
la estabilización de los estados conformacionales de los receptores y la
vinculación de estos estados hacia una
mayor o menor actividad de una de las vías de señalización que afectan al
sistema biológico en que se expresan estos receptores (Fig. 1). Una vez más,
los receptores de catecolaminas juegan un papel de liderazgo en estos avances.
Gracias a estudios en estos receptores se sabe
que para analizar la estabilización de las conformaciones del receptor es
importante conocer no sólo el modo de unión del ligando, sino la vía que el
ligando sigue para llegar al sitio de unión ortostérico (aquel sitio al que se
‘ancla’ el ligando endógeno). En este sentido, se han producido importantes avances mediante el empleo
de datos de cristalografía de rayos X. En general, el análisis de
interacciones entre los receptores a catecolaminas, está dirigida a la
identificación de contactos clave en el sitio ortostérico y la postulación de
posibles sitios alostéricos de unión (un sitio alósterico es aquel alcanzado
por el ligando que es diferente al ortostérico), y la selectividad de los
ligandos para alcanzar estos sitios.
Avances recientes sobre receptores a
catecolaminas
En pocos años desde que se
obtuvieron los datos por cristalografía de rayos X para un GPCR (la rodopsina
en el año 2000),6 se generaron nuevas técnicas para la obtención de
datos estructurales sobre otros receptores de este grupo. Y tras este
desarrollo de técnicas, la velocidad con que se obtienen datos estructurales ha aumentado rápidamente. Eso ha
hecho que actualmente se hallen datos disponibles para los receptores a
catecolaminas, aunque también para otros GPCRs.
En 2007, los primeros datos disponibles para los receptores de
catecolaminas se obtuvieron a partir de las estructuras cristalinas de rayos X
del receptor adrenérgico β2, obtenidos tras la
estabilización del receptor por una interacción con un anticuerpo en la
cara intracelular o por la sustitución de la 3er asa intracelular por T4-lisozima. Entre múltiples detalles estructurales
en el reconocimiento de ligandos, estos hallazgos sugieren que: a) compuestos
estructuralmente relacionados con las catecolaminas tienen un sitio de unión
común o muy similares, como se evidencia por la alta homología de secuencia en
los sitios de unión entre GPCRs (y específicamente entre dos estructuras del
receptor β2), b) los estados de conformación activa e inactiva de un receptor
no dependen necesariamente de las conformaciones de un “seguro iónico",
descrito antes entre Arg-3.49 (según la numeración de Ballesteros-Weinstein) y
Glu-6.30 en la región citoplásmica de la rodopsina, y c) la obtención de
estructuras por estudios de cristalografía de rayos X es facilitada si se
estabilizan dominios intracelulares de los GPCRs (ya que el alto grado de
libertad para generar cambios conformacionales de estos dominios generan GPCRs inestables
para cristalización).
En 2008 fue desarrollada otra estrategia para la obtención de estructuras proteicas,
con la cual se generó la estructura cristalizada del receptor adrenérgico β1. A
través de mutaciones puntuales ‘termoestabilizantes’, se obtuvo un cristal con
un antagonista incrustado en el sitio ortostérico, y una vez más el ‘seguro
iónico’ se observó roto. Esta estructura del β1 mostró que hay gran similitud
entre los dominios transmembranales de este receptor con las del β2, pero con
diferencias notables en la organización de las asas intra y extracelulares.9
Así, con base en esta estructura, se propuso que tanto la constitución como la
conformación de la segunda asa extracelular define la entrada del ligando al
sitio ortostérico. También hizo evidente que son notables las
diferencias en la disposición tridimensional de las asas intracelulares. Por
ejemplo, pudo analizarse el hecho de que la tercer asa intracelular del β1,
pero no la del β2, tiene una secuencia de 24 aminoácidos que contiene 14
prolinas. Esto podría estar ligado a la mayor capacidad del
receptor β2 para inducir la actividad de adenilil ciclasa y producción de AMPc.
En 2010 se reportó la estructura del receptor dopaminérgico D3; al igual
que el β1 en complejo con un antagonista. Algunos detalles en los dominios
extracelulares sugirieron un sitio de unión para un segundo ligando en la
región extracelular con lo que abrieron la posibilidad de establecer nuevas
estrategias para la selectividad entre ligandos y receptores D2/D3, así como
para otros receptores a catecolaminas.
Desde entonces, los receptores adrenérgicos β1 y β2 se han cristalizado en
complejo con varios ligandos que tienen actividad intrínseca diferente, es
decir que ejercen diferentes efectos en la señalización dependiente de la
acción sobre la proteína G. Tales ligandos incluyen agonistas inversos
(disminuyen actividad basal), antagonistas neutros (no
modifican actividad basal), agonistas parciales (aumentan la actividad del
sistema, aunque no como lo hace el ligando endógeno que lo hace con mayor
eficacia) y completos (aumentan la actividad tanto como el más eficaz de los
ligandos endógenos), también se han cristalizado con anticuerpos que modifican
la actividad intrínseca de estos receptores. Además, el receptor
adrenérgico β2 se cristalizó recientemente en el complejo con la proteína G con
que se encuentra comúnmente en células de mamífero,14 y el β1 en
complejo con ligandos que presentan selectividad en la señalización, es decir estos ligandos se comportan como
bloqueadores de la señalización dependiente de la proteína G y al mismo tiempo
como agonistas en la vía de señalización independiente de proteína G (asociada
a actividad de diversas cinasas).15 Las investigaciones realizadas
con las estructuras cristalinas de los receptores adrenérgicos se han centrado
en la capacidad de los ligandos difusibles para alcanzar el sitio de unión
ortostérico, pero múltiples pruebas apoyan la existencia de uno o más sitios
alostéricos, y al parecer esto modifica también el estado conformacional
generado en el receptor y, por tanto, el efecto en la actividad biológica basal
observada en el sistema.
Fig. 1. Evolución del
enfoque en el estudio de receptores acoplados a proteínas G(GPCRs) Esquema que muestra los fenómenos asociados al reconocimiento de ligandos
y activación de GPCRs. A la izquierda, una vista previa a los avances obtenidos
en la última década; a la derecha, un modelo influido por los datos obtenidos
desde avances en la biología estructural y algunos ensayos funcionales
recientes de estos receptores.
Implicaciones
médicas de los avances en biología estructural de receptores a catecolaminas
Se conoce que los receptores a catecolaminas modulan las funciones de los
sistemas nervioso, cardiovascular y metabólico en humanos. Por ello, su estudio
tiene implicaciones en la patogenia, fisiopatología, diagnóstico y tratamiento
de enfermedades que afectan estos sistemas. El presentar todos los campos en
los cuales se ha involucrado a cada uno de estos receptores rebasa el objetivo
de la presente revisión, aunque algunas revisiones previas que incluyen a todos
ellos, y otras que presentan específicamente recientes implicaciones de cada
uno de estos receptores se han publicado. La nomenclatura de
los ligandos y aquella usada para describir los fenómenos de su reconocimiento
y activación de GPCRs también se ha modificado. Nuevas
herramientas terapéuticas farmacológicas se usan con intención de regular
selectivamente la acción sobre una de las vías que se asocian a la actividad de
un GPCR.
Para ejemplificar el impacto y cambios inducidos en el uso de términos a
partir de los fenómenos planteados desde el análisis de la biología estructural
de los GPCR, podemos mencionar la evolución en el diseño y uso de bloqueadores
de receptores β1 para el tratamiento de arritmias cardiacas, prevención de
reincidencia de infarto al miocardio e hipertensión arterial sistémica. Actualmente se conoce que dentro de este grupo de fármacos (β bloqueadores), se
incluyeron al menos 2 subgrupos: agonistas inversos y antagonistas neutros del
receptor β1 ; y dentro de estos 2 subgrupos, compuestos con una amplia gama de
efectos sobre la recién descrita vía de la cinasas independiente de proteína G.
El conocer el perfil particular de cada ‘bloqueador β1’ permite que pueden ser
mejor utilizados si se les asigna una indicación específica. Así, por ejemplo,
el carvedilol, dejó de ser sólo un bloqueador (antagonista del receptor β1 y su
actividad reportada mediada por efecto sobre la proteína Gs acoplada) para
convertirse en un fármaco ‘agonista con sesgo o selectividad en la señalización
(biased agonist en inglés)’ ya que se
comporta como un agonista inverso (aquel que guía la actividad a una menor a la
observada en el estado basal del receptor) de la vía dependiente de proteína G,
mientras que estimula la vía independiente de proteína G, ambas acciones al
alcanzar al receptor adrenérgico β1. Esto ha permitido evitar la
aplicación de este fármaco en donde su acción parecía inducir mayor estrago por
efecto colateral y aprovechar mejor su aplicación en estados particulares de
hipertensión e insuficiencia cardiaca.
También podemos mencionar que el desarrollo de agonistas al receptor
adrenérgico β2 ha dejado de centrarse en aquellos que resulten tan eficientes
como el agonista completo de referencia, el isoproterenol. Actualmente, se ha reportado compuestos con una vida media y un efecto
relajante que rebasa al efecto del agonista completo de referencia, a estos se
les llama superagonistas de acción prolongada, y se ofrecen como
agentes broncodilatadores de duración prolongada que podrían además tener
efecto modulador de procesos inflamatorios que se presentan en asma o
enfermedad pulmonar obstructiva crónica, patologías en donde se emplean. Se sugiere que el efecto prolongado, la alta eficacia y potencia de los
compuestos recientemente reportados está relacionada con el alcance a sitios
alostéricos en el receptor adrenérgico β2, así como con el efecto por vías
adyacentes a la vía dependiente de proteína G modulada por el isoproterenol y
los agonistas endógenos adrenalina y noradrenalina.
Algunos de estos fenómenos (selectividad en la señalización y modulación alostérica) también han permitido
el diseño racional de nuevos fármacos selectivos de acción dopaminérgica
empleados en el tratamiento de esquizofrenia, enfermedad de Parkinson y otros
trastornos del Sistema Nervioso Central.
Así, es importante conocer que los avances en la biología estructural de
los receptores a catecolaminas nos brindan la oportunidad de generar y emplear
de mejor manera ligandos seguros, eficaces y selectivos a estos receptores, con
la finalidad de ofrecer herramientas terapéuticas que brinden oportunidad para
una mayor calidad de vida en los pacientes que los requieren.
