Un nuevo estudio explora el receptor celular crucial para la salud cardiovascular

Las enfermedades cardiovasculares siguen siendo una de las principales causas de muerte en todo el mundo. Un contribuyente principal a estas aflicciones es la presión arterial alta o hipertensión.

Si bien existen tratamientos para la afección, que afecta a decenas de millones de estadounidenses, estos remedios tienen efectos secundarios y algunas variantes del trastorno son resistentes al tratamiento. Por lo tanto, la necesidad de terapias más efectivas para abordar la enfermedad relacionada con la hipertensión es aguda. La ilustración muestra una porción del receptor pGC-A, conocido como dominio extracelular, que sobresale de las superficies celulares en el sistema cardiovascular. Las moléculas pequeñas se unen al receptor y ejercen un control sutil sobre la presión arterial. La nueva investigación ofrece el primer adelanto del receptor completo, un paso vital en el desarrollo de nuevos medicamentos para tratar la hipertensión y otras afecciones.

Sin embargo, para lograr esto, los biólogos necesitan mapas más detallados de los mecanismos subyacentes a la regulación cardiovascular. Uno de esos reguladores es un receptor de proteínas que se asienta sobre las células cardiovasculares y actúa como un conducto para los mensajes que se transmiten cuando se unen a ellas moléculas hormonales específicas.

Conocido como pGC-A, este receptor de membrana actúa un poco como un termostato, ajustando con sensibilidad la presión arterial del cuerpo para mantener un equilibrio homeostático esencial para la salud. El receptor actúa no solo como un componente celular vital para la homeostasis vascular y cardíaca, sino que también desempeña un papel importante en el metabolismo de los lípidos y está implicado en el desarrollo del cáncer.

En un nuevo estudio, publicado en el número actual de la revista Informes científicosinvestigadores del Centro de Biodiseño para el Descubrimiento Estructural Aplicado de la Universidad Estatal de Arizona y sus colegas, en colaboración con Mayo Clinic, Rochester, logran un progreso fundamental para revelar la estructura de pGC-A.

El estudio proporciona la primera purificación, caracterización y análisis estructural preliminar del receptor de proteína de longitud completa. Los avances de la investigación incluyen la cristalización de la proteína y la demostración de que estos cristales difractan los rayos X, dos pasos críticos esenciales para resolver la estructura.

Una comprensión más clara de este receptor complejo y sus mecanismos de señalización allana el camino para un nuevo conjunto de medicamentos antihipertensivos, que podrían ayudar a evitar ataques cardíacos y accidentes cerebrovasculares y mejorar la recuperación de estos incidentes.

«Este logro es la primera difracción de rayos X descrita para una nueva clase de receptores de proteínas de membrana, y representa un esfuerzo extraordinario de nuestro estudiante graduado, Shangji Zhang», dice la coautora e investigadora de Biodesign Debbie Hansen. «Las estructuras de clases únicas de proteínas de membrana a menudo requieren años de esfuerzo y se basan en avances críticos similares».

El coautor John C. Burnett Jr., del Departamento de Medicina Cardiovascular de Mayo Clinic, Rochester, ha estado trabajando para desarrollar moléculas candidatas para nuevos medicamentos antihipertensivosbasado en la estructura del receptor pGC-A.

Amenaza de infarto

De acuerdo con la Organización Mundial de la Salud, más de un tercio de todas las muertes en todo el mundo pueden atribuirse a enfermedades cardiovasculares. La hipertensión es uno de los principales factores que contribuyen a la progresión de la enfermedad cardiovascular.

La carga de la hipertensión ha ido en constante aumento, lo que ha dado lugar a una recomendación reciente de la Informe del Grupo de Trabajo sobre Hipertensión del Instituto Nacional del Corazón, los Pulmones y la Sangre para «desarrollar nuevos medicamentos y tratamientos dirigidos a diversas poblaciones de pacientes hipertensos, como los pacientes con hipertensión resistente».

Las formas de hipertensión resistente al tratamiento, que es más probable que ocurran en pacientes con obesidad, diabetes o disfunción renal, representan del 12 al 15% de los pacientes hipertensos. Tales individuos muestran una respuesta limitada o deficiente a las terapias existentes. La afección puede desarrollarse cuando los vasos sanguíneos se calcifican y se vuelven inelásticos, perdiendo su capacidad para contraerse y relajarse por completo. Los estudios clínicos muestran que el tratamiento de la presión arterial alta reduce el riesgo de accidente cerebrovascular en un 35 a 40 % y el riesgo de insuficiencia cardíaca en un 50 %.

Las enfermedades cardiovasculares incluyen cardiopatías reumáticas y congénitas; enfermedad arterial coronaria, cerebral y periférica; La trombosis venosa profunda; y embolia pulmonar. La enfermedad de las arterias coronarias, una de las principales causas de muerte, se produce cuando se reduce u obstruye el flujo de sangre a las células del músculo cardíaco, lo que puede provocar insuficiencia cardíaca. Solo en los Estados Unidos, se prevé que la condición aumente a $ 70 mil millones para el año 2030.

Nuevas ideas comienzan a cristalizar

El receptor de membrana pGC-A existe en tres formas principales. Esta clase de receptores son tan importantes que comprenden la mayoría de los objetivos de fármacos farmacéuticos. Para la mayoría de los organismos, ya sean procariotas como las bacterias o eucariotas como los mamíferos, entre el 20 y el 30 % del genoma se dedica a la expresión de proteínas de membrana. Dichos receptores sobresalen de la membrana celular externa y penetran profundamente en el interior de la célula, a menudo actuando como conductos para señales externas que modifican el comportamiento de la célula.

Sin embargo, el diseño de fármacos dirigidos a las proteínas de la membrana requiere un plano muy detallado de la estructura del receptor, normalmente con una resolución a escala atómica. Usando esta información, los diseñadores de fármacos pueden diseñar un fármaco que se una de manera selectiva y precisa con el receptor de la célula, para producir un resultado determinado.

En el caso de pGC-A, las moléculas de unión son hormonas peptídicas producidas por células del sistema cardiovascular. Conocidas como hormonas peptídicas natriuréticas, se presentan en variaciones naturales y también pueden diseñarse sintéticamente, mediante mutación genética. Parte de la actividad del receptor implica la conversión de GTP a cGMP, una molécula esencial para el funcionamiento normal de los órganos vitales.

«El corazón no es solo una bomba, sino una glándula endocrina que produce una hormona altamente beneficiosa llamada péptido natriurético auricular (ANP)», dice Burnett. «Esta hormona juega un papel importante en la presión arterial, los riñones y en general el equilibrio metabólico».

Cavar más profundo

Hasta la fecha, solo se ha caracterizado el componente extracelular del receptor pGC-A. El trabajo actual es un paso importante hacia la caracterización de la estructura de longitud completa, particularmente el dominio transmembrana y las regiones del dominio intracelular funcional, sobre las cuales se sabe poco actualmente.

Para lograr esto, los investigadores utilizan un método conocido como expresión de proteínas de baculovirus. El proceso consiste en convertir células de insectos en pequeñas fábricas de producción de proteínas. Las células de insectos se asemejan a las células humanas en términos de su maquinaria de procesamiento de proteínas, pero son más fáciles y económicas de cultivar que las células de mamíferos. Los vectores baculovirales permiten a los investigadores convertir un virus de insecto en un vehículo para entregar la receta genética de una proteína.

El proceso consiste en insertar un gen para convertir el receptor en un tipo especial de vector o portador de ADN conocido como bácmido. El bácmido recombinante que lleva el gen del receptor se usa luego para infectar células de insectos, que comienzan a fabricar baculovirus recombinantes.

A continuación, la proteína del receptor pGC-A puede extraerse, purificarse y someterse a cristalografía de rayos X para determinar su estructura. El proceso es complicado, laborioso y propenso a fallar por una variedad de razones. Solo un pequeño número de las muchas proteínas de membrana existentes se han caracterizado por completo, lo que hace que la caracterización preliminar de pGC-A sea un logro impresionante.

El sistema de expresión de células de insectos ofrece varias ventajas para la expresión de proteínas, particularmente en el caso de proteínas de membrana como pGC-A. La técnica facilita a los investigadores la extracción de proteínas de membrana correctamente plegadas directamente de la membrana celular, en comparación con la expresión bacteriana de proteínas mal plegadas y no funcionales comunes con la expresión tradicional en bacterias Escherichia coli (E. coli).

linea del horizonte

«Este fue un gran logro», dice Hansen. «Las proteínas de membrana no son triviales de purificar, y también pudo obtener la cristalización de la proteína y la difracción de rayos X».

Una mayor purificación y mejores datos de difracción permitirán, en última instancia, la caracterización estructural a nivel atómico.

La investigación abre la puerta a la caracterización detallada de otras proteínas de membrana, que en última instancia pueden convertirse en medicamentos efectivos para controlar la hipertensión y una amplia gama de otras afecciones médicas.

«Un objetivo principal es desarrollar medicamentos innovadores basados ​​en ANP y su receptor objetivo en humanos para tratar la presión arterial alta, la insuficiencia cardíaca y la obesidad», dice Burnett. «El trabajo realizado por los equipos de ASU y Mayo y reportado en Scientific Reports ayuda a descubrir el secreto del objetivo del receptor y acelerará el desarrollo de nuevos medicamentos y realmente ayudará a los pacientes en todo el mundo».

Petra Fromme, directora del Centro para el Descubrimiento Estructural Aplicado, quien es la autora principal de este estudio y se desempeñó como Ph.D. supervisor de Zhang, está entusiasmado con el alto impacto de este trabajo.

«Las enfermedades metabólicas son una de las amenazas para la salud más importantes del siglo XXI, ya que la diabetes, la presión arterial alta y las enfermedades cardíacas acaban con la vida de millones de personas cada año, y las cifras van en aumento. El trabajo sobre el receptor pGC-A tiene el potencial desarrollar un fármaco eficaz que reduzca los síntomas sin efectos secundarios graves», dijo.