Implicacion estructural y funcional de heterómeros de receptores acoplados a proteínas G de relevancia en adicción, enfermedad de Huntington y cáncer

Abstract

La oligomerización es un proceso común en la biología de los receptores de membrana, compartida por los GPCRs. Los GPCRs constituyen aproximadamente un 45% de las dianas de los fármacos comercializados en la actualidad y siguen siendo el foco principal de la investigación biomédica y de los programas de desarrollo de nuevos fármacos. Aún así, el problema clave sigue siendo la falta de selectividad de los ligandos ortostéricos y la gran variedad de procesos que se ven modulados por la estimulación de un mismo GPCR dependiendo de su localización o interacción con otros receptores o proteínas. Los heterómeros de receptores se consideran un nuevo tipo de diana farmacológica por su posible especificidad de localización y por sus características bioquímicas y funcionales demostrablemente diferentes a las de sus componentes individuales, entre ellas las modulaciones alostéricas. El alosterismo puede ser debido a varias circunstancias entre las que destacan interacciones entre los protómeros del complejo y entre éstos y las proteínas G. Las consecuencias a nivel farmacológico y funcional son el reconocimiento diferencial de ligandos y la modulación del tráfico intracelular y del acoplamiento a proteínas G.

El sistema orexinérgico es un buen ejemplo de sistema implicado en un amplio abanico de procesos fisiológicos y fisiopatológicos, desde el control de la ingesta y la regulación de los estados de sueño/vigilia a la regulación neuroendocrina y la participación en los mecanismos moleculares de adicción a drogas. La oligomerización de GPCRs constituye un proceso de regulación de orden superior poco explorado en el caso del receptor OX1 pero que se sugiere de gran relevancia para explicar los efectos moduladores de las orexinas. En esta Tesis se ha descrito por primera vez la formación de heterodímeros entre los receptores OX1, GHS-R1a y LEP y del heterotrímero LEP-GHS-R1a-OX1 en un sistema de expresión heteróloga, y se ha obtenido evidencia de la expresión del complejo heterotrimérico en neuronas hipotalámicas de rata. Estos resultados sugieren un papel importante de la oligomerización en la mediación de la respuesta combinada a señales orexigénicas y anorexigénicas originadas tanto a nivel central como periférico. En esta Tesis se describe también por primera vez la formación del heterómero de receptores CRF2-OX1 y su interacción con los receptores σ. El balance σ1/σ2 y la expresión de los heterómeros OX1/CRF2 en una célula determinada condicionan el efecto de la anfetamina y la señalización inducida por orexina y CRF.

El sistema cannabinoide desempeña, asimismo, un marcado papel modulador en múltiples procesos fisiológicos y su desregulación se asocia con alteraciones patológicas, desde enfermedades neurodegenerativas a procesos de inflamación, desórdenes cardiovasculares y cáncer. La actividad neuroprotectora de los cannabinoides se ha descrito tanto in vivo como in vitro y hoy en día se investiga su gran potencial terapéutico en enfermedades neurodegenerativas. En esta Tesis se ha identificado una localización preferente del heterómero de receptores A2A-CB1 en proyecciones GABAérgicas del estriado dorsal, neuronas afectadas de manera paradigmática en la enfermedad de Huntington, y una disminución de la expresión del complejo en estadios avanzados de la enfermedad. Los resultados sugieren la importancia de funciones específicas asociadas a la formación de dicho complejo que se ven afectadas negativamente en estadios tardíos de la progresión de la enfermedad. La capacidad protectora de los cannabinoides se observa también en procesos oncogénicos. Los receptores CB2 y GPR55 se encuentran sobre-expresados en diversos tipos de tumores humanos y se ha descrito su implicación en el control del destino de las células tumorales.

En esta Tesis se ha descrito la formación de heterodímeros de receptores CB2-GPR55 en células cancerígenas y cómo la modulación de estos complejos puede modificar la actividad anti-tumoral de los cannabinoides in vivo.

The ‘receptor heteromer’ concept, in which receptors of the same and different gene families can combine among themselves to generate new and unique biochemical and functional characteristics, is becoming widely accepted for GPCRs and constitutes an emerging area in the field of GPCR cell signaling. Receptor heteromers must be understood as dimeric or higher order molecular entities that are the result of combinatorial evolution and they constitute novel therapeutic targets due to their possible specific location and their unique biochemical and functional properties, such as the allosteric modulations. Allosterism, as a result of interactions between individual protomers in the oligomer or between them and G proteins, can cause differential ligand binding and/or the modulation of intracellular trafficking and G protein coupling.

In this context, the results here presented show the relevant role of GPCR oligomerization in different pathological processes such as addiction, Huntington’s disease and cancer, focusing on orexinergic and cannabinoid systems as modulatory systems involved in a wide range of physiological and pathophysiological processes.

Here we describe for the first time the formation of heterodimers between LEP, GHS- R1A and OX1 receptors in a heterologous system, and the formation of heterotrimers involving the three receptors in hypothalamic primary cultures, suggesting an important role of these complexes in the response to a combination of different orexigenic and anorexigenic signals originated both centrally and peripherally.

We demonstrate the formation of CRF2-OX1 receptor heteromers in a heterologous system and in the rat VTA. These receptors can interact also with sigma receptors, and the final balance between σ1/σ2 receptors and the expression of CRF2-OX1 receptor heteromers in a particular cell determines the effect of amphetamine and the signaling induced by orexin and CRF.

Here we also identified the precise location of CB1-A2A receptor heteromers in the GABAergic projections in the dorsal striatum, that these complexes possess unique signaling properties and undergo an unprecedented dysfunction in Huntington’s disease, an archetypal disease that affects striatal neurons.

Finally, we show that CB2R and GPR55 form receptor heteromers in cancer cells, that these structures possess unique signaling properties and that the modulation of these heteromers can modify the antitumoral activity of cannabinoids in vivo.