Interacción molecular y funcional entre receptores involucrados en la ingesta de alimentos y el consumo de drogas de abuso

Abstract

Actualmente en la comunidad científica aún existe debate acerca de la heteromerización entre receptores GPCR y el papel que esta tiene en la señalización y funcionalidad celular. Tradicionalmente estos receptores han sido considerados entidades monoméricas, No obstante, en las últimas décadas han sido obtenidos resultados que apoyan la teoría de que estos receptores pueden formar homómeros y heterómeros.

Entender cómo funcionan los receptores al formar complejos heteroméricos con otros receptores, u otras proteínas, es de vital importancia para dar explicación a muchos mecanismos fisiológicos, así como para el diseño de nuevos fármacos. Entender cómo se establecen las modulaciones entre unos receptores y otros posibilitará también en un futuro el desarrollo de tratamientos preventivos para distintos trastornos psicológicos, como la adicción a drogas.

Uno de los principales objetivos de esta tesis ha sido estudiar y aportar nuevos datos para entender el funcionamiento de la adicción a sustancias psicoestimulantes, concretamente, la cocaína. En esta Tesis ha sido puesto de manifiesto la importancia de la modulación que pueden ejercer las interacciones que afectan a los GPCR en relación a la adicción a cocaína. En primer lugar, ha sido demostrada la capacidad de los receptores sigma-1 y sigma-2 para interaccionar con distintos GPCR, los receptores D1 y D2 de dopamina, el heterómero de receptores CRF1R-OX1R o el receptor de grelina, GHS-R1a. La cocaína, al unirse a los receptores sigma, modifica, en todos los casos, la señalización normal inducida por estos GPCRs, contribuyendo a la adicción a la droga de abuso, provocando una recaída en el comportamiento de búsqueda de cocaína en respuesta a una situación de estrés o bloqueando de la sensación de apetito tras el consumo de la droga.

Al producirse las interacciones, los complejos formados pueden ajustar su actividad a distintos ambientes o necesidades celulares que los receptores, por sí solo, no serían capaces de detectar. En esta misma línea está el papel que juegan las proteínas sensoras de calcio en la modulación de la actividad de algunos GPCR. El calcio es un mensajero imprescindible, las fluctuaciones en los niveles de este ion pueden ir desde niveles submicromolares hasta milimolares, siendo uno de los mecanismos de regulación más importantes en la célula. Distintas concentraciones de calcio pueden inducir diferentes señalizaciones a través de un mismo heterómero de GPCR. Ha sido descrita la capacidad del heterómero A2A-D2 para unir diferentes proteínas sensoras de calcio, NCS-1 y calneurona-1, las cuales tienen diferentes afinidades por el ion calcio y regularan el heterómero de manera distinta en función de las bajas (unión de NCS-1) o altas (unión de calneurona-1) concentraciones de calcio celular, dándole versatilidad a un mismo heterómero.

Por último, han sido investigadas las interacciones entre GPCR a nivel estructural con la finalidad de elucidar las regiones de los receptores implicadas en la formación de los heterómeros. Ha sido propuesto un nuevo modelo estructural tetramérico formado por un homodímero de receptores A1 de adenosina y un homodímero de receptores A2A de adenosina. En este complejo son las regiones transmembrana TM4/5 las responsables de la homodimerización y las regiones TM5/6 las responsables de la heteromerización, formando una estructura romboidal a en la que se acoplan dos proteínas G, Gi y Gs. Ha sido demostrada la importancia de la comunicación entre las proteínas G en un heterómero de GPCR, explicando, por primera vez, el mecanismo por el que el heterómero A1R-A2AR actúa como sensor de la concentración de adenosina pudiendo dar respuestas opuestas, vía proteína Gi o Gs, en función de la concentración extracelular de adenosina.

Currently in the scientific community there is still debate about the heteromerization between GPCR and the role it has in cell signaling and functionality. Traditionally, these receptors have been considered monomeric entities. However, in recent decades new results have been obtained supporting the theory that these receptors can form oligomers.

Understand how receptors interact when forming heteromeric complexes is crucial to explain many physiological mechanisms as well as in the design of new drugs. To elucidate how the modulation between receptors works will also enable the development of treatments for different disorders, such as drug addiction.

One of the main objectives of this Thesis has been to contribute with new data to understand the underlying mechanisms of psychostimulant substances addiction. The importance of the modulation on GPCR exerted by heteromers in relation to cocaine addiction has been shown. The ability of the cocaine-binding receptors sigma-1R and sigma-2R to interact with different GPCRs, dopamine D1R and D2R, CRF1R-OX1R or GHS-R1a-GHS-R1b heteromers, has been demonstrated. Cocaine, when bound to the sigma receptors modifies the normal signaling induced by these GPCRs, contributing to drug addiction, relapse in cocaine seeking behavior or blocking the appetite sensation after the drug consumption.

When interactions occur, the formed complexes can adjust their functionality to different cellular environments that these receptors, by themselves, would not be able to detect. One example is the modulating role exerted by the calcium sensing proteins on certain GPCR. Calcium is one of the most important regulatory mechanisms in the cell. Different calcium concentration may induce different signaling through the same GPCR heteromer. The ability of heteromers to bind different calcium sensors has been described. These calcium sensors have different affinities for the calcium ion and regulate differently the heteromer, depending on the low or high calcium concentrations, thus providing versatility to the complex.

Finally, interactions between GPCRs at the structural level have been investigated in order to elucidate the receptor domains involved in the heteromers formation. A new tetrameric structural model formed by A1R-A1R-A2AR-A2AR adenosine receptors has been proposed, forming a rhomboidal structure in which two G proteins, Gi and Gs, are coupled. It has also been explained the mechanisms by which this heteromer acts as a adenosine concentration sensor giving opposite responses, via Gi or Gs, depending on the extracellular adenosine concentration.