G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCRs) stellen eine große und vielfältige Familie von Proteinen dar, deren primäre Funktion darin besteht, extrazelluläre Reize in intrazelluläre Signale umzuwandeln. Sie gehören zu den größten und vielfältigsten Proteinfamilien im Säugetiergenom. Aufgrund der Homologie mit Rhodopsin wird vorhergesagt, dass sie sieben membranüberspannende Helices, einen extrazellulären N-Terminus und einen intrazellulären C-Terminus enthalten. Daraus ergeben sich ihre anderen Namen, die 7-TM-Rezeptoren oder die heptahelischen Rezeptoren. GPCRs wandeln extrazelluläre Stimuli durch Interaktion ihrer intrazellulären Domänen mit heterotrimeren G-Proteinen in intrazelluläre Signale um, und die Kristallstruktur eines Mitglieds dieser Gruppe, des bovinen Rhodopsins, wurde kürzlich gelöst (Palczewski et al., 2000).
Das Vorhandensein von GPCRs in den Genomen von Bakterien, Hefen, Pflanzen, Nematoden und anderen wirbellosen Gruppen spricht für einen relativ frühen evolutionären Ursprung dieser Gruppe von Molekülen. Die Vielfalt der GPCRs ergibt sich sowohl aus der Vielzahl der Reize, auf die sie reagieren, als auch aus der Vielfalt der intrazellulären Signalwege, die sie aktivieren. Dazu gehören Licht, Neurotransmitter, Geruchsstoffe, biogene Amine, Lipide, Proteine, Aminosäuren, Hormone, Nukleotide, Chemokine und zweifelsohne viele andere. Darüber hinaus gibt es mindestens 18 verschiedene menschliche Gα-Proteine, an die GPCRs gekoppelt sein können (Hermans, 2003; Wong, 2003). Diese Gα-Proteine bilden heterotrimere Komplexe mit Gβ-Untereinheiten, von denen es mindestens 5 Typen gibt, und Gγ-Untereinheiten, von denen es mindestens 11 Typen gibt (Hermans, 2003).
Schätzungen über die Anzahl der GPCRs im menschlichen Genom gehen weit auseinander. Basierend auf ihren Sequenzen sowie auf ihren bekannten oder vermuteten Funktionen gibt es schätzungsweise fünf oder sechs Hauptklassen von GPCRs. In einer aktuellen Analyse der GPCRs im menschlichen Genom wurden mehr als 800 GPCRs aufgelistet (Fredriksson et al., 2003). Davon gehörten 701 zur Rhodopsin-Familie (Typ A) und von diesen waren 241 nicht-olfaktorisch (Fredriksson et al., 2003). Nach dieser Analyse gibt es etwa 460 Geruchsrezeptoren vom Typ A, wobei die Schätzungen von 322 (Glusman et al., 2001; Takeda et al., 2002) bis 900 (Venter et al., 2001) reichen, von denen 347 bereits kloniert wurden (Zozulya et al., 2001). Diese große Anzahl von Geruchsrezeptoren erklärt die Fähigkeit des Menschen, eine Vielzahl von exogenen (Geruchs-)Liganden zu erkennen. Eine ähnliche Studie wie die von Fredriksson et al. (Fredriksson et al., 2003) identifizierte 367 menschliche EndoGPCRs und 392 Maus-EndoGPCRs (Vassilatis et al., 2003); der Begriff EndoGPCR bezieht sich auf GPCRs für endogene (nicht-olfaktorische) Liganden. In Anbetracht der bekannten Existenz von alternativ gespleißten Varianten und editierten Isoformen von GPCRs ist es wahrscheinlich, dass die wahre Anzahl der GPCRs nie bekannt sein wird und viel höher ist als geschätzt.
Der gezeigte Baum veranschaulicht die Beziehungen zwischen den primären Proteinsequenzen von 274 Typ-A-Rhodopsin-ähnlichen GPCRs; aus Gründen der Übersichtlichkeit wurden die Rezeptoren der Sekretin-Familie (von denen es 15 gibt), der Adhäsionsrezeptorfamilie (24), der Glutamatrezeptorfamilie (15) und der Frizzled/Taste2-Rezeptorfamilie (24) nicht mit einbezogen. Um diesen Baum zu konstruieren, diente die Liste der Rezeptoren von Fredriksson et al. (Fredriksson et al., 2003) als Ausgangspunkt, und neu entdeckte „verwaiste“ Rezeptoren wurden der Liste hinzugefügt (http://kidb.bioc.cwru.edu/rothlab/jalview/viewJalView.html).
Die Proteinsequenz jedes Rezeptors wurde erhalten, und die Sequenzen der N- und C-Termini, die von variabler Länge sind und wenig Ähnlichkeit unter den Rezeptoren aufweisen, wurden manuell getrimmt. Die Proteinsequenzen wurden dann mit dem ClustalW-Server (http://clustalw.genome.ad.jp) ausgerichtet und der Baum gezeichnet. Eine Alignment-Datei ist unter http://kidb.bioc.cwru.edu/rothlab/jalview/viewJalView.html verfügbar und kann mit einer betrachterfreundlicheren Oberfläche unter Verwendung des JalView-Applets auf dieser Seite untersucht werden. Die Informationen zur G-Protein-Kopplung im Poster stammen aus dem Review von Wong (Wong, 2003).
Die Gruppierungen der Rezeptoren im Poster sind also ähnlich, aber nicht identisch mit denen von Fredriksson et al. (Fredriksson et al., 2003). Zum Beispiel waren Fredrikssons α-, β-, γ- und δ-Gruppen, die in ihrem Baum „monophyletisch“ zu sein scheinen, in unserem Baum nicht monophyletisch; dies ist wahrscheinlich auf leichte Unterschiede in den Optionen zurückzuführen, die in den beiden Alignments verwendet wurden, sowie auf die relative Ungenauigkeit der Lage der Wurzeln der Äste in beiden Bäumen. Interessanterweise wurden die Waisenrezeptoren GPR57 und GPR58 mit den Spurenaminrezeptoren gruppiert, und ein Vergleich ihrer Sequenzen zeigt, dass diese Waisen wahrscheinlich das menschliche Äquivalent der Typ-2-Spurenaminrezeptoren von Nagetieren darstellen. Somit können Bäume dieser Art dazu dienen, den Prozess der „Ent-Waisenisierung“ von Rezeptoren zu unterstützen.