G-receptor-kinaser

G-protein-koblede receptorer udgør den største familie af celleoverfladereceptorer og aktiveres af en lang række hormoner, neurotransmittere og sensoriske stimuli. Signalering via disse receptorer som f.eks. angiotensin II-receptoren spiller en central rolle for progression af hjertesygdom. En gruppe intracellulære enzymer, G-receptor-kinaser (GRKs) slukker for denne type receptorer. Her diskuteres muligheden for at påvirke sådanne endogene »receptorblokkere« som et nyt behandlingsprincip ved hjertesygdom.

G-protein-koblede receptorer (GPCRs) udgør den største familie af celleoverfladereceptorer og aktiveres af en lang række hormoner, neurotransmittere og sensoriske stimuli. Majoriteten af farmaka (ca. to tredjedele), som anvendes i den kliniske medicin, er specifikt rettet imod disse receptorer, hvilket afspejler deres biologiske betydning. GPCRs forekommer i mange subtyper og varetager eller medvirker ved bl.a. syn, lugt, smag, regulering af perifer vaskulær modstand, hjertefrekvens og åndedræt. Endvidere er GPCRs medvirkende ved udviklingen af en række sygdomme såsom hjertesvigt og inflammatoriske og endokrine lidelser [1]. GPCR-blokkere, som virker ved at binde sig ekstracellulært til specifikke receptorproteiner, har således fået en fast plads i moderne behandling af hjertesvigt. Disse farmaka, som blandt andet β-receptor og angiotensin II-receptorblokkere forbedrer hjertets pumpefunktion bla. ved at blokere effekterne af den ledsagende neurohumorale hyperaktivitet. I Tabel 1 vises en oversigt over stoffer, som via GPCRs anvendes i behandlingen af patienter med hjertesvigt [3, 4]. Denne artikel omhandler et nyt og spændende perspektiv, receptorblokering »inde fra cellecytoplasmaet« ved at intracellulære enzymer påvirkes.

G-receptor-kinaser genkender og slukker for aktive receptorer

Hormoner virker ved at binde sig til de ekstracellulære dele af receptorerne, som skiftes til en aktiv konformation. Celler har et veludviklet molekylært maskineri til at kontrollere denne receptoraktivitet fra cellens cytoplasma, således at cellen ikke overstimuleres. Således blokeres den aktive konformation, og receptorerne sendes til nedbrydning bl.a. via lysozomer og proteasomet. Denne artikel omhandler de såkaldte G-receptor-kinaser (GRKs), som er blandt de vigtigste enzymer, der slukker for G-protein-koblede receptorer ved fosforylering af receptorernes intracellulære dele [5]. Det er en vigtig pointe, at GRK virker på mange forskellige receptorer som f.eks. adrenerge receptorer og angiotensin II-receptorer. GRKs udgør en famile af receptorkinaser bestående af seks isoformer, hvoraf G-receptor-kinase 2 (GRK2) forekommer i stort set alle celler og derfor er bedst karakteriseret [5-7].

Aktivering af en G-protein-koblet receptor fører til signalering via G-proteinet, som er forankret i cellemembranen (Figur 1). Ved binding til G-proteinet translokeres GRK2-enzymet til cellemembranen, hvor dets target - receptoren - befinder sig. Receptor-fosforylering hæmmer koblingen til G-proteiner, dvs. receptorerne kan nu ikke aktivere flere G-proteiner og signaleringen ophører [5, 9]. Ultimativt fører receptorfosforylering til endocytose, således at antallet af receptorer på cellens overflade falder [10].

Farmakologisk receptorblokade vs. G-receptor-kinase-effekter

Da hormonsignaler er vigtige ved progressionen af hjertesygdom, er det nærliggende at forestille sig, at manipulation af G-receptor-kinaser kan bidrage til behandlingen af patienter med hjertesvigt. Et af de store problemer for patienter med hjertesvigt er hjertets nedsatte pumpefunktion, og det er her GRK2-hæmmere virker ved at forbedre den enkelte hjertemuskelcelles kontraktilitet. På det molekylære niveau skyldes denne effekt, at hjertemuskelcellerne bliver bedre til at reagere på receptorstimulering, idet GRK2-hæmmere skaber flere receptormolekyler i »den aktive konformation«. GRK2-manipulation har en teoretisk fordel frem for receptorblokkerne: GRK2 er aktiv over for multiple receptorer såsom både de adrenerge receptorer og angiotensin II-receptorerne [5], hvorimod receptorblokkerne kun påvirker en eller få receptorsubtyper (Tabel 1). Undersøgelser på transgene dyr tyder på, at hæmning af G-receptor-kinaser øger hjertets pumpefunktion og forlænger overlevelsen ved eksperimentelt hjertesvigt mere end påvirkning af en enkelt receptor som f.eks. den adrenerge β-receptor (se nedenfor).

Paradokset ved β-adrenerg-blokade til hjertesvigt

Nedsat hjertemuskelcelle-kontraktilitet og følgerne heraf udgør de største problemer for patienter med hypertrofi og hjertesvigt. Det er et paradoks, at mens β-adrenerg stimulering faktisk forbedrer hjertets kontraktilitet ved hjertesvigt, er det β-adrenerg blokade, som reducerer mortaliteten ved hjertehypertrofi. Hjerteforstørrelse er en negativ prognostisk faktor ved hjertesvigt, og flere GPCR-agonister (f.eks. adrenergika) medvirker til hypertrofi udviklingen, idet de også fungerer som vækstfaktorer for myokardiets celler [11, 12]. Således reducerer langvarig behandling med β-blokkere mortalitet og morbiditet ved hjertesvigt, formentlig fordi en reduktion i β-adrenerg receptoraktivitet er kardioprotektiv, sandsynligvis både via hæmning af hjertets iltforbrug og hjertemuskelcelleforstørrelsen [13]. Imidlertid forbedres myokardiefunktionen både ved stimulation af β2 -adrenerge receptorer og ved reduktion af β-adrenerg receptordesensitisering (ved at reducere GRK2-niveauet) [14, 15]. Dette paradoks skyldes formentlig, at kortvarigt øget receptoraktivitet stimulerer hjertet, mens længerevarende receptoraktivering er belastende for hjertet. Selv om GRK2-hæmning reducerer receptorfosforylering, adskiller GRK2-blokade sig væsentligt fra receptorstimulering. GRK2-hæmning øger således antallet af β-receptorer på cellens overflade, modvi rker hjerteforstørrelse og forbedrer arbejdskapaciteten [16, 17]. Desuden dirigeres signaleringen uden om vækststimulerende signalveje, når GRK2 er sat ud af spillet, og GRK2-hæmning kan derfor opfattes som en ny måde at opnå effekten af β-blokade på [16].

Transgene dyr: GRK2 hæmmer myokardiets funktion

Studier af transgene dyr underbygger ideen om, at GRK2-manipulering kunne blive et nyt princip i fremtidens behandling af hjertesygdomme. Transgene dyr muliggør undersøgelse af et gens funktion ved at eliminere eller øge dets genprodukt, dvs. det protein, som genet koder for. Analyser på transgene dyr, hvor GRK2-niveauet i myokardiet manipuleres, viser, at GRK2 hæmmer myokardiets funktion (Tabel 2 ) [18-20].

GRK2 i myokardiet korrelerer til prognosen ved hjertesygdom

GRK2-mængden og aktiviteten i myokardiet reguleres i forhold til hjertets funktion. Analyser på humant myokardievæv har vist, at GRK2s mængde og aktivitet forøges 2-3 gange hos patienter med hjertesvigt [21]. Endvidere er effekten af β-adrenerge agonister reduceret hos patienter med hjertesvigt, formentlig pga. et forhøjet GRK2-niveau og en reduktion af antallet af adrenerge receptorer i myokardiet [22].

Det er uvist, hvorvidt GRK2 er den præcipiterende faktor for udviklingen af hjertesvigt, selv om øget GRK-aktivitet kan påvises som en af de tidligste forandringer i sekvensen af de biokemiske anomalier, der kendetegner hjertesvigt [23]. GRK2 medvirker ved de fleste former for eksperimentelt udløst hjertesvigt, og især ved hjerteforstørrelse udløst via β-adrenerge receptorer forøges GRK2-mængden i hjertet [1, 8, 24].

Vore undersøgelser på rotter viser, at GRK2 reguleres i forhold til dyrenes kliniske status efter et eksperimentelt hjerteinfarkt (Figur 2 ) [25, 26], således havde dyr med hjertesvigt et højt GRK2, mens dyr med hjertehypertrofi uden svigt havde et nedsat GRK2-niveau. I dette studie fulgtes dyr med store transmurale infarkter (ved EKKO-kardiografi) i 3-9 uger, hvor myokardiet remodelleredes og forstørredes, og ca. halvdelen af dyrene fik dekompenseret hjertesvigt defineret ved forøget lungevægt. Hos dyr med kompenseret hjerteforstørrelse, var GRK2's mængde og aktivitet reduceret, mens GRK2 var forhøjet hos dyr med dekompenseret hjertesvigt. Årsagerne til korrelationen mellem GRK2 og dyrenes kliniske præsentation kan være flere. Den mest simple udledning er, at forøget GRK2 er en af de molekylære årsager til hjertesvigt, hvilket også stemmer overens med de data fra transgene dyr, som viser, at GRK2-hæmning forbedrer hjertets funktion [18]. Ligeledes er det muligt, at β-blokkeres molekylære effekt i virkeligheden beror på en reduktion af myokardiets GRK2, men dette spørgsmål kan kun afklares ved yderligere undersøgelser.

GRK2 som potentielt »drug target«

GRK2's rolle for hjertets funktion belyses i forsøg, hvor man anvender GRK2-manipulationer til »behandling« af eksperimentel hjertesygdom. Et elegant eksperiment belyser dette: eksperimentel aorta ascendens-forsnævring (en aortastenosemodel) udløser hjerteforstørrelse, tredoblet GRK2-aktivitet og reduceret inotropisk respons. Det er særdeles interessant, at GRK2-hæmning af disse dyr normaliserer deres respons på pressorstoffer [1]. Til hæmning af GRK2 anvendtes en genterapeutisk strategi; en transgen mus, hvor GRK2 er hæmmet ved overekspression af et COOH-terminalt fragment af GRK2, kaldet GRK2ct (Figur 3 og Tabel 2). GRK2ct konkurrerer med endogent GRK2 om fysisk adgang til receptoren og forhindrer det naturlige enzym i at fosforylere og hæmme receptorer [19]. Disse studier af transgene mus med fragmentet (GRK2ct+/+-mus) viser en interessant ny måde at forbedre hjertets kontraktilitet på, nemlig ved GRK2-hæmning. GRK2ct beskytter ligeledes mod iskæmiske hjertelæsioner, når genet introduceres i hjertemuskulaturen ved brug af virale vektorer [27].

Atter andre data identificerer GRK2 og det adrenerge system som helt centrale ved udvikling og behandling af hjertesygdom. Således har man ved brug af en særlig genetisk hjertesvigtsmodel bestående i knockout af et strukturelt muskelprotein analogt til flere allerede karakteriserede former for hypertrofisk kardiomyopati hos menneskervist, at GRK2-blokade markant forbedrer prognosen [28].

I en lignende dyremodel udløses svær hjertesygdom ved affektion af et signalprotein, som ikke normalt indgår i β-adrenerg signalering. Imidlertid kan påvirkning af β-adrenerg signalering (ved krydsning med GRK2ct mus eller β-receptor-blokade) også i dette tilfælde væsentligt forbedre prognosen (Figur 4 ) [29].

Konklusion og perspektiver

Der foreligger på nuværende tidspunkt data, som peger på, at G-receptor-kinase 2 spiller en særlig vigtig rolle for hjertets funktion, idet GRK2 regulerer kraft og frekvens af myokardiets kontraktioner ved at fosforylere bla. β-adrenerge og muskarinerge receptorer [16].

Trods GRK2's beneficielle roller har biokemiske analyser og undersøgelser på transgene dyr vist, at en GRK2-stigning i myokardiet lader til at være stærkt involveret i progressionen af kardiovaskulær sygdom. Hæmning af GRK2 er derfor en potentiel mulighed ved fremtidig udvikling af behandlinger rettet imod hjertesvigt.

Idet genterapi af menneskehjertet endnu kun er en teoretisk mulighed, afventes den pågående udvikling af farmakologiske GRK2-hæmmere i den store udenlandske medicinalindustri med stor interesse.

Søren Paludan Sheikh, Laboratorium for Molekylær Kardiologi, Hjertecenteret, H:S Rigshospitalet, DK-2100 København Ø. E-mail: sheikh@dadlnet.dk

Antaget: 12. maj 2004

Interessekonflikter: Ingen angivet

1. Choi DJ, Koch WJ, Hunter JJ et al. Mechanism of beta-adrenergic receptor desensitization in cardiac hypertrophy is increased beta-adrenergic receptor kinase. J Biol Chem 1997;272:17223-9.
2. Eichhorn EJ, Bristow MR. Practical guidelines for initiation of beta-adrenergic blockade in patients with chronic heart failure. Am J Cardiol 1997;79:794-8.
3. Beta-Blocker Evaluation of Survival Trial Investigators. A trial of the beta-blocker bucindolol in patients with advanced chronic heart failure. N Engl J Med 2001;344:1659-67.
4. Shelley AH, Cigarroa CG, Marcoux L et al. Time course of improvement in left ventricular function, mass and geometry in patients with congestive heart failure treated with beta- adrenergic blockade. JACC 1995;25:1154-61.
5. Pitcher JA, Freedman NJ, Lefkowitz RJ. G protein-coupled receptor kinases. Annu Rev Biochem 1998;67:653-92.
6. Inglese J, Freedman NJ, Koch WJ et al. Structure and mechanism of the G protein-coupled receptor kinases. J Biol Chem 1993;268:23735-8.
7. Pitcher JA, Hall RA, Daaka Y et al. The G protein-coupled receptor kinase 2 is a microtubule-associated protein kinase that phosphorylates tubulin. J Biol Chem 1998;273:12316-24.
8. Iaccarino G, Lefkowitz RJ, Koch WJ. Myocardial G protein-coupled receptor kinases: implications for heart failure therapy. Proc Assoc Am Physicians 1999;111:399-405.
9. Krupnick JG, Benovic JL. The role of receptor kinases and arrestins in G protein-coupled receptor regulation. Ann Rev Pharmacol Toxicol 1998;38:289-319.
10. Claing A, Laporte SA, Caron MG et al. Endocytosis of G protein-coupled receptors: roles of G protein-coupled receptor kinases and beta-arrestin proteins. Prog Neurobiol 2002;66:61-79.
11. Packer M, Coats AJ, Fowler MB et al. Effect of carvedilol on survival in severe chronic heart failure. N Engl J Med 2001;344:1651-8.
12. Ponicke K, Heinroth-Hoffmann I, Becker K et al. Gq/11-coupled receptors and protein synthesis in rat cardiomyocytes: role of Gi-proteins and protein kinase C-isozymes. Naunyn Schmiedebergs Arch Pharmacol 1999;360:301-8.
13. Lechat P, Packer M, Chalon S et al. Clinical effects of beta-adrenergic blockade in chronic heart failure: a meta-analysis of double-blind, placebo-controlled, randomized trials. Circulation 1998;98:1184-91.
14. Akhter SA, Milano CA, Shotwell KF et al. Transgenic mice with cardiac overexpression of alpha1B-adrenergic receptors. J Biol Chem 1997;272:21253-9.
15. Iaccarino G, Barbato E, Cipolleta E et al. Cardiac betaARK1 upregulation induced by chronic salt deprivation in rats. Hypertension 2001;38:255-60.
16. Rockman HA, Koch WJ, Lefkowitz RJ. Seven-transmembrane-spanning receptors and heart function. Nature 2002;415:206-12.
17. Tohgo A, Pierce KL, Choy EW et al. Beta-arrestin scaffolding of the ERK cascade enhances cytosolic ERK activity but inhibits ERK-mediated transcription following angiotensin AT1a receptor stimulation. J Biol Chem 2002;277:9429-36.
18. Jaber M, Koch WJ, Rockman H et al. Essential role of beta-adrenergic receptor kinase 1 in cardiac development and function. Proc Natl Acad Sci U S A 1996;93:12974-9.
19. Koch WJ, Rockman HA, Samama P et al. Cardiac function in mice overexpressing the beta-adrenergic receptor kinase or a beta ARK inhibitor. Science 1995;268:1350-3.
20. Rockman HA, Choi DJ, Akhter SA et al. Control of myocardial contractile function by the level of beta-adrenergic receptor kinase 1 in gene-targeted mice. J Biol Chem 1998;273:18180-4.
21. Ungerer M, Parruti G, Bohm M et al. Expression of beta-arrestins and beta-adrenergic receptor kinases in the failing human heart. Circ Res 1994;74:206-13.
22. Ungerer M, Bohm M, Elce JS et al. Altered expression of beta-adrenergic receptor kinase and beta 1-adrenergic receptors in the failing human heart. Circulation 1993;87:454-63.
23. Ping P, Anzai T, Gao M et al. Adenylyl cyclase and G protein receptor kinase expression during development of heart failure. Am J Physiol 1997;273:H707-17.
24. Koch WJ, Lefkowitz RJ, Rockman HA. Functional consequences of altering myocardial adrenergic receptor signaling. Annu Rev Physiol 2000;62:237-60.
25. Theilade J, Strøm CC, Christiansen T et al. G protein receptor kinase 2 is differentially regulated in hypertrophy and heart failure after myocardial infarction in the rat. Basic Res Cardiol 2003;98:97-103.
26. Theilade J, Haunso S, Sheikh SP. G protein-coupled receptor kinase 2 - a feedback regulator of Gq pathway signalling. Current Drug Targets - Immune, Endocrine & Metabolic Disorders 2001;1:139-51.
27. White DC, Hata JA, Shah AS et al. Preservation of myocardial beta-adrenergic receptor signaling delays the development of heart failure after myocardial infarction. Proc Natl Acad Sci U S A 2000;97:5428-33.
28. Rockman HA, Chien KR, Choi DJ et al. Expression of a beta-adrenergic receptor kinase 1 inhibitor prevents the development of myocardial failure in gene-targeted mice. Proc Natl Acad Sci U S A 1998;95:7000-5.
29. Harding VB, Jones LR, Lefkowitz RJ et al. Cardiac beta ARK1 inhibition prolongs survival and augments beta blocker therapy in a mouse model of severe heart failure. Proc Natl Acad Sci U S A 2001;98:5809-14.