Numeración GPCR: Sistema Ballesteros-Weinstein

Los receptores acoplados a proteínas G (GPCRs) son la familia más grande de receptores en la superficie de las células humanas. Son fundamentales para responder a una vasta gama de señales endógenas, desde iones y neurotransmisores hasta péptidos y proteínas, además de sensar estímulos como la luz y el dolor. Su ubicuidad en los sistemas fisiológicos humanos y su rol como dianas farmacológicas principales (aproximadamente el 30% de los fármacos comercializados actúan sobre GPCRs) resaltan su importancia. Los GPCRs se clasifican típicamente en las clases A-F, o utilizando el sistema alternativo GRAFS para los receptores humanos (Tabla 1).

La comprensión de la función y la interacción de estos receptores a nivel molecular es crucial para el desarrollo de fármacos. A pesar de su diversidad, todos los GPCRs comparten un núcleo estructural de siete hélices transmembrana (7TM). Este dominio 7TM es a menudo el sitio de unión para ligandos o un sitio de modulación alostérica. Dada esta estructura conservada, es posible alinear secuencias o estructuras para identificar residuos correspondientes. Sin embargo, para comparar fácilmente, por ejemplo, los efectos de mutaciones, las interacciones con ligandos o los motivos estructurales a través de diferentes subtipos de receptores, ortólogos de especies o familias de ligandos, se necesita un sistema de numeración genérico que trascienda la numeración lineal simple de la secuencia proteica.

El Sistema de Numeración Ballesteros-Weinstein

El sistema de numeración de residuos de GPCRs de Ballesteros-Weinstein es el esquema genérico más citado, con más de 1100 referencias. Este sistema se basa en la presencia de residuos altamente conservados en cada una de las siete hélices transmembrana (TM). Consiste en dos números: el primero (1-7) indica la hélice TM, y el segundo indica la posición del residuo relativa al residuo más conservado en esa hélice, definido como la posición 50. Por ejemplo, la notación 5.42 se refiere a un residuo localizado en la hélice TM5, ocho posiciones antes del residuo más conservado en TM5, que es Pro5.50.

La lógica detrás de este sistema es simple: alinear las secuencias de GPCRs y usar estos residuos ancla (los de la posición 50) como puntos de referencia. Los números de residuo se pueden contar directamente dentro de la secuencia proteica alineada. La conservación de estos residuos de referencia X.50 en la Clase A varía (N1.50: 98%, D2.50: 90%, R3.50: 95%, W4.50: 97%, P5.50: 78%, P6.50: 99%, P7.50: 88%). Aunque la mayoría están bien conservados, algunos, como P5.50, muestran una menor conservación, lo que puede dificultar la aplicación directa de la numeración en todos los receptores.

Esquemas Alternativos para la Clase A

Se han propuesto otros esquemas de numeración para la Clase A, como los de Oliveira, Baldwin y Schwartz. Estos sistemas intentaron asignar el mismo número a residuos localizados a la misma profundidad en la membrana, enumerando las posiciones desde los extremos extracelulares de la hélice. Sin embargo, no lograron consolidarse. Las estructuras cristalinas de GPCRs han revelado variaciones significativas en la longitud e inclinación de las hélices transmembrana, lo que invalida la suposición de que la misma profundidad implica la misma posición relativa en la hélice. Además, estos esquemas alternativos difieren en su formato, usando numerales romanos para las hélices o suprimiendo el separador decimal, lo que añadió complejidad.

Numeración Genérica en Clases B, C y F

A medida que las estructuras cristalinas de GPCRs de otras clases (B, C, F) se hicieron disponibles, se establecieron esquemas de numeración genérica similares, siguiendo el procedimiento del sistema Ballesteros-Weinstein pero utilizando posiciones de referencia X.50 únicas para cada clase. Estos esquemas son el de Wootten para la Clase B, Pin para la Clase C y Wang para la Clase F. Los residuos de referencia X.50 para estas clases también se seleccionaron basándose en su conservación, aunque algunos, como E3.50 (58%) y W4.50 (42%) en la Clase B, tienen una conservación menor que los más altos de la Clase A. Para evitar confusiones, se ha sugerido añadir la letra de la clase (A-F) al número genérico cuando sea necesario, por ejemplo, 3.50b para la Clase B de Wootten.

El Desafío de la Diversidad Estructural y la Numeración Basada en Estructura

Aunque el dominio 7TM es estructuralmente conservado, las estructuras cristalinas han revelado la existencia de abultamientos (bulges) y constricciones en las hélices. Estas características estructurales pueden desplazar la numeración basada únicamente en la secuencia. Un residuo en una posición X.YY según la secuencia podría no estar en una posición estructuralmente equivalente si hay un abultamiento entre él y el residuo de referencia X.50 en una secuencia en comparación con otra que no tiene ese abultamiento. Para abordar esto, han surgido sistemas de numeración basados en la estructura, como el del GPCRDB.

Estos sistemas basados en estructura utilizan alineamientos estructurales de GPCRs con estructuras resueltas. Los alineamientos se 'jalan' o 'comprimen' (gapped) para tener en cuenta los abultamientos y constricciones, asegurando que residuos con la misma posición estructural reciban el mismo número genérico. La base de datos GPCRDB proporciona alineamientos de referencia basados en estructuras cristalinas disponibles, mostrando tanto la numeración basada en secuencia (Ballesteros-Weinstein, Wootten, Pin, Wang) como la numeración basada en estructura (GPCRDB). Esto permite comparar la equivalencia de residuos tanto por su posición lineal en la secuencia como por su posición tridimensional en la estructura.

Numeración Trans-Clase

La baja conservación de secuencia entre las diferentes clases de GPCRs ha sido un obstáculo para los alineamientos de secuencia precisos entre clases. Sin embargo, la conservación estructural es mayor. Los datos cristalográficos recientes han permitido realizar alineamientos basados en estructura entre clases (por ejemplo, de Clase A a B, C y F). Aunque algunas hélices muestran desviaciones o curvaturas significativas entre clases, a menudo se conservan motivos estructurales de múltiples residuos con mecanismos funcionales compartidos.

Las comparaciones de residuos entre clases publicadas han utilizado a menudo los números de Ballesteros-Weinstein, a veces combinados con un número específico de clase o con el número basado en estructura del GPCRDB. Por ejemplo, Y7.53a.57b indica que el residuo Tirosina es la posición 7.53 en la Clase A y 7.57 en la Clase B. GPCRDB ofrece alineamientos de referencia trans-clase basados en estructuras representativas, permitiendo la alineación de los números Ballesteros-Weinstein específicos de cada clase, como se ilustra en la Tabla 2 (basada en la alineación estructural de rodopsina bovina (A), receptor de glucagón (B), receptor de glutamato metabotrópico 1 (C) y receptor Smoothened (F)).

Tabla 2. Alineación de los números Ballesteros-Weinstein específicos de cada clase basada en la alineación estructural de estructuras cristalinas representativas. Las posiciones de referencia específicas de cada clase para cada una de las 7 hélices TM están en negrita. Nota: La tabla original mostraba un sombreado gris que no se puede replicar en HTML básico.

Numeración de Bucles Extracelulares

Las regiones de bucle de los GPCRs son estructuralmente menos conservadas que las hélices TM. Sin embargo, para el bucle extracelular 2 (EL2), se ha aplicado un esquema de numeración similar (45.X), indicando su ubicación entre TM4 y TM5. La posición de referencia (X.50) es una cisteína conservada que forma un puente disulfuro con un residuo de TM3 (C3.25a.29b.29c.25f), altamente conservada en todas las clases. Aunque la conservación estructural de EL2 es limitada, la posición 45.52 es importante, ya que su cadena lateral a menudo se proyecta hacia el bolsillo de unión 7TM.

Aplicaciones del Sistema de Numeración

El uso de números de residuo genéricos es fundamental para comparar hallazgos experimentales y estructurales entre diferentes GPCRs. Permiten identificar posiciones equivalentes en diversas secuencias o estructuras, facilitando la interpretación de datos sobre:

• Efectos mutacionales: Entender si una mutación en una posición genérica específica (ej. 3.32, 6.48) tiene efectos similares en diferentes receptores o subtipos. Por ejemplo, estudios de mutación en posiciones como W6.48a.50c y F6.51a.53c han apoyado su rol en la unión de ligandos y la activación en clases A y C.
• Interacciones con ligandos: Describir y comparar cómo los ligandos interactúan con residuos específicos dentro del dominio 7TM. La numeración permite decir que un ligando interactúa con, por ejemplo, un residuo en 3.32 o 6.55 en múltiples receptores, incluso si el número de residuo en la secuencia lineal es diferente. Numerosos ejemplos de interacciones ligando-receptor se describen usando esta numeración, como la interacción canónica de carga con Asp1033.32 en 5-HT1F, o las interacciones con Leu1283.36 y Trp2696.48 en S1PR. En sitios alostéricos, se usa para describir interacciones como las de cinacalcet con Ile7775.44, Phe6843.36, Trp8186.50, Ile8417.37 en CaSR, o las de vercirnon con Val691.53, Val721.56, Tyr731.57, Leu872.42, Tyr3177.53, Phe3248.50 en CCR9.
• Motivos estructurales y mecanismos de activación: Identificar residuos que forman parte de motivos conservados importantes para la función del receptor, como el interruptor de palanca (toggle switch) Trp6.48, el motivo DRY (Tercer bucle intracelular), el motivo NPxxY (Séptima hélice transmembrana) o el núcleo hidrofóbico formado por residuos como 3.43a, 6.40a, 6.41a y 6.44a. La numeración facilita la descripción de movimientos o interacciones entre hélices, como el movimiento de TM6 lejos de TM3 o el repacking de TM5 y TM6, a menudo anclados a residuos numerados genéricamente.

Por ejemplo, la numeración ha sido utilizada para definir las posiciones de residuo accesibles por ligandos dentro del paquete transmembrana. Estas posiciones conservadas sirven como "marcadores de posición" comunes, mientras que las secuencias del receptor varían para formar el mosaico único responsable de la afinidad y selectividad del ligando.

Herramientas Web para la Numeración de Residuos

Para facilitar el uso de los números de residuo genéricos por parte de farmacólogos, químicos y biólogos estructurales, recursos como la base de datos GPCRDB ofrecen herramientas interactivas. GPCRDB ha sido un recurso comunitario importante por más de 20 años, conteniendo colecciones de mutantes, estructuras cristalinas, modelos 3D y alineamientos de secuencias. Proporciona alineamientos de referencia basados en estructuras cristalinas disponibles, ajustados (con gaps) para tener en cuenta los abultamientos y constricciones. Estos alineamientos muestran tanto la numeración basada en secuencia como la basada en estructura.

Las herramientas de GPCRDB incluyen:

• Alineamientos de Secuencia: Alineamientos para todas las clases, mostrando números basados en estructura y secuencia. Se pueden descargar.
• Tablas de Consulta: Listas lado a lado de números de residuo genéricos y específicos del receptor para múltiples receptores, útiles para comparar datos de mutagénesis o interacciones de ligandos.
• Numeración de Estructuras: Permite navegar o subir archivos PDB de estructuras GPCR para asignar hasta dos esquemas de numeración genérica a los residuos transmembrana.

Estas herramientas buscan superar la necesidad de generar alineamientos manualmente y asignar números, haciendo que el uso de la numeración genérica sea más conveniente.

Limitaciones y Direcciones Futuras

Los sistemas de numeración, tanto basados en secuencia como en estructura, comparten algunas limitaciones. La numeración genérica solo se puede asignar a regiones con un pliegue estructural conservado, principalmente el dominio 7TM. Los extremos N y C, así como los bucles extracelulares e intracelulares, son mucho más variables en longitud y composición, y solo pueden compararse, en el mejor de los casos, dentro de familias de ligandos o subtipos muy relacionados.

Ambos sistemas también dependen de la homología de secuencia para producir alineamientos, aunque esta dependencia disminuye para la numeración GPCRDB a medida que hay más estructuras cristalinas disponibles. La mayoría de los receptores y hélices tienen suficiente similitud, y los que no, a menudo pueden anclarse a posiciones de residuo altamente conservadas como las referencias X.50. Un pequeño número de receptores, a menudo huérfanos, tienen secuencias atípicas que siguen siendo un desafío.

Las futuras estructuras cristalinas probablemente revelarán más desplazamientos en la numeración basada en secuencia, al tiempo que mejorarán el sistema basado en estructura. El sistema de numeración GPCRDB está diseñado para ajustarse cuando una nueva estructura revele un abultamiento o constricción no predicho por homología. Sin embargo, se espera que la mayoría de los desplazamientos importantes ya hayan sido identificados, y los ajustes futuros se limiten a subfamilias o subconjuntos de miembros.

La plasticidad conformacional es una característica intrínseca de los receptores. Hasta ahora, la numeración genérica basada en estructura ha mostrado buena tolerancia a los cambios conformacionales en la región 7TM. Los abultamientos y constricciones no parecen cambiar significativamente entre diferentes estructuras de un mismo GPCR, incluso con diferentes complejos de ligandos o estados de activación. Esto sugiere que los ajustes futuros debidos a cambios conformacionales importantes podrían ser limitados, aunque se necesita un análisis cuidadoso para excluir posibles artefactos.

Conclusiones

El advenimiento de las primeras estructuras cristalinas de GPCRs de clases B, C y F, sumado a la creciente cantidad de estructuras de clase A, ha abierto un nuevo panorama para el estudio de la función del receptor y el diseño de fármacos. Ahora es posible construir alineamientos de secuencia trans-clase basados en estructura, lo que nos permite identificar los mecanismos comunes dentro de la maquinaria 7TM.

Los esquemas de numeración genérica de residuos, como el sistema Ballesteros-Weinstein para la Clase A y sus análogos para las clases B, C y F, son herramientas indispensables para describir y comparar puntos calientes de residuo relevantes para las relaciones estructura-actividad química, los efectos farmacológicos de mutaciones y los mecanismos estructurales.

La multiplicidad de estructuras ha puesto de manifiesto la importancia de considerar las características estructurales, como los abultamientos y constricciones de las hélices, que pueden causar desplazamientos en la numeración basada únicamente en la secuencia. Esto subraya la necesidad de ajustar los alineamientos de secuencia basándose en evidencia cristalográfica, dando lugar a la numeración basada en estructura.

Recursos como GPCRDB son esenciales para proporcionar alineamientos de referencia basados en estructura y herramientas de numeración de residuos. Se recomienda utilizar una combinación de números basados en secuencia y basados en estructura, por ejemplo, 2.58x57 (donde 2.58 es la numeración basada en secuencia y x57 indica la posición estructuralmente equivalente según GPCRDB), a menos que la comparación se limite estrictamente a receptores cristalizados donde el alineamiento estructural es directo.

La aceptación completa por parte de la comunidad GPCR dependerá de la utilidad práctica y de cuántos desplazamientos se acumulen en la numeración basada en secuencia sin perder su capacidad de referirse a residuos equivalentes. El sistema de numeración GPCRDB ha sido respaldado por el Comité de Nomenclatura de Receptores y Clasificación de Fármacos de la Unión Internacional de Farmacología Básica y Clínica (NC-IUPHAR), lo que augura su creciente adopción.

En resumen, estos sistemas de numeración proporcionan un lenguaje común y una hoja de ruta para navegar la compleja topología de los GPCRs, facilitando la investigación y el descubrimiento de nuevos fármacos.

Preguntas Frecuentes sobre la Numeración GPCR

¿Qué es el sistema de numeración Ballesteros-Weinstein?

Es un esquema genérico utilizado para numerar los residuos de los receptores acoplados a proteínas G (GPCRs), principalmente de Clase A. Consiste en dos números (X.YY), donde X es el número de la hélice transmembrana (1-7) y YY es la posición del residuo relativa al residuo más conservado en esa hélice, que se designa como .50.

¿Por qué se necesita un sistema de numeración genérico para los GPCR?

Los GPCRs son una familia diversa, pero comparten una estructura central de 7 hélices transmembrana. Un sistema de numeración genérico permite identificar y comparar residuos equivalentes en diferentes GPCRs, facilitando el estudio de mutaciones, interacciones con ligandos y motivos estructurales a través de subtipos, especies y clases.

¿Cómo funciona la numeración X.50?

La posición .50 en cada hélice TM se asigna a un residuo particularmente bien conservado (el "residuo de referencia"). Los residuos en esa hélice se numeran secuencialmente antes (.49, .48, etc.) y después (.51, .52, etc.) de la posición .50, basándose en un alineamiento de secuencia o estructura.

¿Es el sistema Ballesteros-Weinstein el único para los GPCR?

Para la Clase A, es el más utilizado, aunque existieron otros intentos. Para las clases B, C y F, se han desarrollado esquemas análogos (Wootten, Pin, Wang) que siguen el mismo formato X.50 pero usan residuos de referencia distintos, específicos de cada clase.

¿Cómo se aplica la numeración a las clases B, C y F de GPCR?

Se utilizan esquemas específicos para cada clase (Wootten para B, Pin para C, Wang para F) que también usan el formato X.50 basado en residuos de referencia conservados dentro de esa clase. A menudo, se añade la letra de la clase al número para mayor claridad (ej. 3.50b).

¿Qué son los números basados en estructura y por qué son necesarios?

Los números basados en estructura (como los de GPCRDB) se derivan de alineamientos estructurales de receptores cristalizados. Son necesarios porque las características estructurales como los abultamientos o constricciones en las hélices pueden hacer que las posiciones basadas solo en secuencia (X.YY) no correspondan a posiciones estructuralmente equivalentes en diferentes receptores. A menudo se usan junto con los números basados en secuencia (ej. 5.42x43).

¿Cómo se comparan residuos entre diferentes clases de GPCR?

Debido a la baja conservación de secuencia entre clases, las comparaciones se basan mejor en alineamientos estructurales. Se pueden usar los números Ballesteros-Weinstein o específicos de clase, a veces combinándolos o usando los números basados en estructura trans-clase proporcionados por recursos como GPCRDB.

¿Cómo facilita GPCRDB el uso de estos sistemas de numeración?

GPCRDB proporciona alineamientos de referencia (basados en estructura y secuencia), tablas de consulta y herramientas para numerar estructuras 3D. Esto automatiza el proceso y permite a los investigadores acceder fácilmente a la numeración genérica para sus secuencias o estructuras de interés.

¿Existen limitaciones para estos sistemas de numeración?

Sí, la numeración genérica es más aplicable al dominio 7TM conservado. Los bucles y terminales son muy variables y difíciles de numerar genéricamente. La precisión de los sistemas basados en secuencia depende de la homología, y los sistemas basados en estructura requieren estructuras resueltas.

Tabla 1. Clasificación de GPCRs Humanos y Estructuras Cristalinas disponibles (resumen basado en el texto proporcionado).

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