Gタンパク質共役型受容体

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英：G protein-coupled receptor　英略称：GPCR　独：G-Protein gekoppelten Rezeptors　仏：récepteur couplé aux protéines G

同義語：7回膜貫通型受容体 (seven transmembrane receptor)

類義語：代謝活性型受容体 (metabotropic receptor)、 代謝型受容体、代謝調節型受容体

　Gタンパク質共役型受容体とは真核細胞の細胞質膜上もしくは、細胞内部の構成膜上に存在する受容体の一種。Gタンパク質共役型受容体は別名7回膜貫通型受容体と言われるように、7つのαへリックス構造が細胞質膜を貫通し、N末端は細胞外にC末端領域は細胞内に位置する。細胞外からの様々なシグナル（神経伝達物質、ホルモン、化学物質、光等）を受容すると、Gタンパク質共役型受容体は構造変化を起こし、細胞質側に結合している三量体Gタンパク質に対してグアニンヌクレオチド交換因子（GEF）として働く。GDP型からGTP型へと変換されたGタンパク質は、つづいて効果器の活性を変化させることで、細胞外シグナルが細胞内へと伝達される。現在使用されている薬剤のおよそ40%がGタンパク質共役型受容体を標的としており、Gタンパク質共役型受容体の機構解明に大きく貢献したBrian K. KobilkaとRobert J. Lefkowitzが2012年にノーベル化学賞を共同受賞した。

図．Gタンパク質共役型受容体の構造と翻訳後修飾（クラスA）

分類

　ヒトでは800種以上のGタンパク質共役型受容体が見つかっており、その半数は感覚（嗅覚、味覚、視覚、フェロモン）に対する受容体である。残りの半数の内、3分の2はその他の様々な生理機能（神経系、内分泌系）に関与し、3分の1は生理的なリガンドが不明もしくは機能不明なオーファン受容体（orphan receptor）である。これまでに様々な方法で分類が試みられているが、ここでは代表的なクラスの概要を説明する。

クラス A:　ロドプシン様受容体

　クラス A のGタンパク質共役型受容体に保存されているアミノ酸配列として3つ目の膜貫通領域の細胞質側に位置するE/DRY（Asp/Glu, Arg, Tyr）モチーフがある。ロドプシンの結晶構造解析により、E/DRYモチーフのアルギニン（塩基性アミノ酸）は6番目の膜貫通領域の細胞質側に位置する保存された酸性アミノ酸（グルタミン酸／アスパラギン酸）と非共有結合（イオンロック；ionic lock）を作り、不活性型の構造を取ることが報告されている。これらの受容体ではE/DRYモチーフに変異を加えると恒常的に活性化状態を示す。一方で、恒常的活性化状態をとらない受容体も存在し、リガンド結合の変化、Gタンパク質シグナルの変化等を示す受容体も存在するが、E/DRYモチーフが受容体の機能に需要なのには変わりない。

クラス B: セクレチン様受容体

クラス C: 代謝型グルタミン酸受容体

クラス F: Frizzled/Smoothened

翻訳後修飾による調節

　Gタンパク質共役型受容体は細胞質膜を貫通する7つのαへリックス構造をもち、N末端側が細胞外にC末端側が細胞内に存在し、3つの細胞外ループ（Extracellular loop; ECL1/2/3）と3つの細胞内ループ（Intracellular loop; ICL1/2/3）を持つ。数多くの翻訳後修飾によるGタンパク質共役型受容体の機能調節が報告されており、以下に代表的なものをあげる。ただし、800種以上あるGタンパク質共役型受容体の中には例外も存在する。

糖鎖修飾

　多くのGタンパク質共役型受容体のN末端領域と細胞外ループは糖鎖修飾を受ける。最もよく知られているのがN型グリコシル化で受容体タンパク質の合成過程において粗面小胞体でオリゴ糖トランスフェラーゼによって付加される。N型グリコシル化のコンセンサス配列はAsn-X-Ser/Thr（XはPro以外のアミノ酸）であり、アスパラギン（Asn）に修飾を受ける。多くのクラスAのGタンパク質共役型受容体では1～複数個の、クラスB及びクラスCのGタンパク質共役型受容体ではそれより多くの糖鎖修飾付加が報告されており、細胞質膜上への発現や輸送、リガンドとの結合、Gタンパク質との結合等への影響が報告されている。

ジスルフィド結合

パルミトイル化

　多くのGタンパク質共役型受容体では7番目の膜貫通領域直近のC末端側領域に存在する保存されたシステイン残基がS-パルミトイル化修飾を受ける。S-パルミトイル化修飾とは飽和脂肪酸であるパルミチン酸（ C16H32O2）がシステイン残基のチオール基にチオエステル結合で付加される可逆的な修飾であり、細胞質側に存在するDHHCタンパク質ファミリーを介する。多くはC末端領域に1～3個のパルミトイル化修飾が見つかっておりパルミトイル化されたC末端領域は新たな細胞内ループを形成する。パルミトイル化修飾によるGタンパク質共役型受容体の機能調節は多岐に渡り、各受容体によって異なるが、受容体の成熟、細胞質膜へ発現や輸送、Gタンパク質との結合への影響、脱感作やインターナリゼーションに関与することが報告されている。

リン酸化

　一般的にリン酸化された受容体は構造変化、もしくは、βアレスチンと結合することでGタンパク質との結合を阻害されGタンパク質を介したシグナルは収束し脱感作する。また、βアレスチンと結合した受容体はクラスリンと結合しエンドサイト―シスによって細胞質膜上より取り除かれる。

　一つの受容体は、通常複数のリン酸化酵素によって複数の部位にリン酸化修飾を受け、これはリガンドの種類や活性化時間、組織・細胞種によっても大きく異なる。リン酸化修飾を介した受容体の機能調節は多岐に渡り、一か所のリン酸化修飾ではその調節機能の説明が難しく、リン酸化修飾パターンを「バーコード」として認識するモデルが提唱されている。

その他

　その他にもGタンパク質共役型受容体は多彩な翻訳後修飾が報告されており、ユビキチン化による受容体の分解や細胞内輸送、SUMO化による受容体の安定性の向上等がある。

Gタンパク質共役型受容体シグナル経路

Gタンパク質シグナリング

　Gタンパク質共役型受容体に共役しているGタンパク質はα、β、γの三つのサブユニットの複合体であり、βとγサブユニットは常に複合体で挙動する。Gタンパク質共役型受容体が不活性状態であるとき、Gタンパク質は三量体Gαγβとして存在しGαはGDPと結合しており不活性型をとる。Gタンパク質共役型受容体にリガンドが結合し活性化すると、GαはGDPをより高濃度に存在するGTPへ交換し、さらにGβγから解離し活性型となる。解離したGαとGβγはそれぞれの効果器にシグナルを伝える。GαはGTPアーゼ活性を持つため結合したGTPは時間経過と共にGDPに加水分解される。GDP型GαはGβγと再結合し不活性状態三量体Gαγβへと戻る。

Gαシグナリング

Gβγシグナリング

Gタンパク質非依存的シグナリング

　リガンド刺激により活性化し細胞内領域をリン酸化された受容体は、βアレスチン1/2と結合することで、

  1. Gタンパク質シグナルが収束し、
  2. エンドサイト―シスにより細胞外リガンドのアクセスを阻害する。

関連項目

参考文献

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