Los receptores acoplados a proteínas G (GPCR) representan la superfamilia más grande de receptores transmembrana, responsables de transducir estímulos extracelulares en cascadas de señalización intracelular que dan como resultado respuestas biológicas específicas. Son dianas farmacológicas fundamentales, con aproximadamente el 30% de los fármacos comercializados actuando sobre los GPCR1. La unión del ligando GPCR induce cambios conformacionales en el receptor, facilitando las interacciones con proteínas G heterotriméricas y/o GPCR quinasas (GRK) y β-arrestinas, iniciando así la señalización aguas abajo o la internalización del receptor2.
Las proteínas G heterotriméricas sirven como transductores intracelulares primarios de la señalización de GPCR y constan de tres subunidades: Gα, Gβ y Gγ. Estos heterotrímeros se clasifican en cuatro familias: Gi / o, Gs, Gq y G12/13, según el subtipo Gα , cada una de las cuales activa distintas vías de señalización: el subtipo Gi / o inhibe la adenilato ciclasa mientras que Gs la estimula, Gq activa la fosfolipasa C-β y G12/13 regula las GTPasas de la familia Rho.
La activación de GPCR conduce a sus reordenamientos conformacionales, lo que permite un rápido compromiso de la proteína G dentro de la cinética de subsegundos. Este proceso induce cambios conformacionales en la proteína G, promoviendo el intercambio GDP-GTP en la subunidad Gα. La unión de GTP altera aún más la conformación de la subunidad Gα, lo que resulta en su disociación del dímero Gβγ, lo que permite la propagación de la señal. Por lo tanto, las proteínas G son cruciales para modular la especificidad y la dinámica temporal de las respuestas celulares mediante la regulación de diversas proteínas efectoras como la adenilato ciclasa o los canales iónicos 3,4,5.
Este protocolo describe la medición de la activación o inactivación de la proteína G utilizando biosensores basados en la transferencia de energía de resonancia de bioluminiscencia (BRET) tras la estimulación del ligando GPCR en células vivas. Inspirado en el trabajo pionero sobre biosensores de proteína G 6,7,8,9, el sistema G-CASE (sensores de actividad tri-cistrónicos de proteína G), introducido por Schihada et al.10, se basa en BRET entre subunidades Gα marcadas y Gβγ y ofrece un enfoque simplificado que requiere una sola transfección de plásmido. Esta característica mejora la sensibilidad y mitiga los desafíos asociados con la cotransfección de múltiples plásmidos que codifican para las tres subunidades (Gα, Gβ y Gγ) de la proteína G heterotrimérica. Estos sensores se han puesto a disposición de grupos de investigación académica comercialmente (ver Tabla de materiales).
BRET ofrece ventajas significativas sobre la transferencia de energía de resonancia de Förster (FRET). En BRET, la transferencia de energía se produce entre un donante bioluminiscente y un aceptor fluorescente sin necesidad de fuentes de luz externas. Esta bioluminiscencia intrínseca reduce los problemas asociados con FRET, como la autofluorescencia y la dispersión de la luz, lo que da como resultado una señal de fondo más baja y una mejor sensibilidad del ensayo 6,7,11.
Esta ausencia de excitación externa en BRET minimiza el fotoblanqueo y los efectos fototóxicos, lo que lleva a señales de fondo más bajas en comparación con FRET. En consecuencia, los ensayos BRET suelen mostrar una mayor sensibilidad, lo que permite medir la activación de la proteína G de los GPCR constitutivamente activos. La sensibilidad mejorada de los ensayos BRET facilita la detección de interacciones biológicas sutiles, lo que es particularmente valioso en estudios farmacológicos donde la medición precisa de la actividad del receptor es crucial.
Estos biosensores se pueden traducir en cribado de alto rendimiento en placas de 96 o 384 pocillos, como lo demostraron recientemente Scott-Dennis et al., donde se ha desarrollado un método que utiliza estos biosensores en un ensayo de 384 pocillos basado en membranas para analizar la actividad de los receptores cannabinoides CB1R y CB2R12. Este artículo describe el uso de estos biosensores en placas de 96 pocillos en células vivas midiendo la actividad del β2-AR como un GPCR prototípico de clase A, que se une a la proteína Gs y el CB1R que pertenece a los GPCR de clase A y activa la proteína de la familia Gi / o . Se valida el uso de dos biosensores G-CASE: Gs y Gi3 en células HEK 293T con el GPCR de forma transitoria (con el β2-AR) o expresado de forma estable (con el CB1R).
Es importante señalar que este experimento se puede realizar en varias líneas celulares, lo que demuestra la versatilidad y robustez de esta técnica en varios contextos celulares. Esto asegura que el método se pueda aplicar a diversos modelos experimentales, lo que lo convierte en una herramienta valiosa para estudiar la señalización de GPCR en diferentes entornos fisiológicos y farmacológicos. La Figura 1 ilustra el principio de los sensores de actividad de la proteína G basados en BRET.

Figura 1: Principio de los sensores de actividad de la proteína G basados en BRET. Los sensores de proteína G constan de tres subunidades: Gα,G β nativa y Gγ. La subunidad Gα está fusionada con la pequeña y brillante NanoLuciferasa (Nluc), mientras que la subunidad Gγ está marcada N-terminal con Venus permutado circularmente (cpVenus173). Los genes que codifican estas subunidades de proteína G modificadas se combinan en un solo plásmido. La unión del ligando a los GPCR induce cambios conformacionales en el GPCR, promoviendo el reclutamiento de la proteína G y la posterior disociación seguida de hidrólisis de GTP. Esta disociación interrumpe la transferencia de energía entre los socios, lo que resulta en una disminución de la señal BRET. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.