As integrinas son proteínas receptoras transmembrana da superficie celular, que median a adhesión das células aos elementos que as rodean, como poden ser outras células ou os compoñentes da matriz extracelular. Na transdución de sinais as integrinas pásanlle á célula información sobre a composición química e estado mecánico da matriz extracelular. Por tanto, ademais de transmitiren forzas mecánicas a través das delicadas membranas, están implicadas na sinalización celular e na regulación da forma, motilidade e ciclo celular.
As integrinas transducen información desde a matriz extracelular á célula, pero tamén revelan o estado da célula ao exterior, o que permite dar respostas flexibles aos cambios no ambiente da célula, por exemplo permitindo que as plaquetas realicen a coagulación do sangue.
Hai moitos tipos de integrinas, e na superficie de moitas células pode haber á vez varios tipos. As integrinas son de vital importancia para todos os animais e atopáronse en todos os animais que foron estudados, desde as simples esponxas aos mamíferos. Nos humanos, as integrinas foron moi estudadas.
As integrinas actúan xunto con outras proteínas, como as cadherinas, as da superfamilia das inmunoglobulinas, moléculas de adhesión celular, selectinas e sindecanos para mediaren as interaccións e comunicacións célula-célula e célula-matriz extracelular. As integrinas unen a superficie celular con compoñentes da matriz extracelular como a fibronectina, vitronectina, coláxeno e lamininas.
Estrutura As integrinas son sempre heterodímeros, polo que están formadas por dúas cadeas polipeptídicas de distinto tipo, chamadas subunidades α (alfa) e β (beta). Nos mamíferos, caracterizáronse dezaoito subunidades α e oito β, mentres que o xenoma da mosca Drosophila codifica só cinco subunidades α e dúas β, e o nematodo Caenorhabditis elegans só posúe xenes para dúas subunidades α e unha β. Tanto as subunidades α coma as β penetran na membrana plasmática e posúen pequenos dominios citoplasmáticos.
alfa xene proteína sinónimos ITGA1 CD49a VLA1 ITGA2 CD49b VLA2 ITGA3 CD49c VLA3 ITGA4 CD49d VLA4 ITGA5 CD49e VLA5 ITGA6 CD49f VLA6 ITGA7 ITGA7 FLJ25220 ITGA8 ITGA8 ITGA9 ITGA9 RLC ITGA10 ITGA10 ITGA11 ITGA11 HsT18964 ITGAD CD11D FLJ39841 ITGAE CD103 HUMINAE ITGAL CD11a LFA1A ITGAM CD11b MAC-1 ITGAV CD51 VNRA, MSK8 ITGA2B CD41 GPIIb ITGAX CD11c
beta xene proteína sinónimos ITGB1 CD29 FNRB, MSK12, MDF2 ITGB2 CD18 LFA-1, MAC-1, MFI7 ITGB3 CD61 GP3A, GPIIIa ITGB4 CD104 ITGB5 ITGB5 FLJ26658 ITGB6 ITGB6 ITGB7 ITGB7 ITGB8 ITGB8
Ademais, fórmanse variantes dalgunhas das subunidades por splicing diferencial; por exemplo hai catro variantes da subunidade β-1. Por medio de combinaciòns entre as subunidades α e β poden orixinarse 24 integrinas diferentes, aínda que o número varía segundo diferentes estudos.
As subunidades de integrina ocupan todo o grosor da membrana plasmática e en xeral teñen curtos dominios citoplasmáticos duns 40–70 aminoácidos. A excepción é a subunidade β-4, que ten un dominio citoplasmático de 1088 aminoácidos, un dos dominios citoplasmáticos máis longos coñecidos en proteínas de membrana. Fóra da célula, as cadeas α e β están moi xuntas nun tramo duns 23 nm; os 5 nm finais do extremo N-terminal de cada cadea forman unha rexión de unión ao ligando para os compoñentes da matriz extracelular.
A masa molecular das subunidades de integrina pode variar de 90 kDa a 160 kDa. As subunidades β teñen catro secuencias repetidas ricas en cisteína. Tanto as subunidades α coma as β poden unirse a varios catións divalentes. O papel dos catións divalentes na subunidade α non se coñece, pero poderían estabilizar os pregamentos da proteína. Os catións nas subunidades β son máis interesantes: están directamente implicados en coordinar polo menos algúns dos ligandos aos que se unen as integrinas.
As integrinas poden clasificarse de varios modos. Por exemplo, un subconxunto das cadeas α ten un elemento estrutural adicional (ou "dominio") inserido cara ao extremo N-terminal, chamado dominio alfa-A (así chamado porque ten unha estrutura similar aos dominios A que se encontran na proteína factor de von Willebrand; tamén se chama dominio α-I). As integrinas que levan este dominio únense aos coláxenos (por exemplo, as integrinas α1 β1, e α2 β1), ou ben actúan como moléculas de adhesión célula-célula (como as integrinas da familia β2). Este dominio α-I é o sitio de unión de ligandos desas integrinas. As integrinas que non teñen ese dominio na cadea alfa, téñeno no seu sitio de unión a ligandos na subunidade β.
En ambos os casos, os dominios A presentan ata tres sitios de unión a catións divalentes. Un está permanentemente ocupado ás concentracións fisiolóxicas dos catións divalentes, e contén un ión calcio ou magnesio, que son os principais catións divalentes no sangue a concentracións medias de 1,4 mM (para o calcio) e 0,8 mM (magnesio). Os outros dous sitios serán ocupados por catións cando se unan os ligandos, polo menos no caso de ligandos que teñan un aminoácido de cadea lateral ácida nos seus sitios de interacción. A presenza dun aminoácido ácido é característico no sitio de interacción coa integrina de moitas proteínas da matriz extracelular, por exemplo como parte da secuencia de aminoácidos Arxinina-Glicina-Ácido aspártico (ou "RGD" utilizando os símbolos dunha letra dos aminoácidos).
Estrutura de alta resolución Malia os moitos anos de esforzo que se dedicaron a descubrir a estrutura de alta resolución das integrinas, a resolución desta demostrou ser todo un reto: as proteínas de membrana son clasicamente difíciles de purificar, e as integrinas son ademais grandes, complexas e están enlazadas a moitas cadeas ramificadas de azucres, xa que presentan unha elevada glicosilación. Para realizar esta tarefa combináronse as imaxes de baixa resolución da integrina GPIIbIIIa intacta extraída con deterxentes, que se obtiveron utilizando microscopía electrónica, e datos de técnicas indirectas que investigan as propiedades en solución das integrinas usando ultracentrifugación e dispersión da luz, con alta resolución cristalográfica fragmentaria ou datos de resonancia magnética nuclear (NMR) de dominios simples ou apareados dunha cadea de integrina, e os modelos moleculares postulados para o resto das cadeas.
A pesar destes amplos esforzos, a estrutura cristalina de raios X obtida para a rexión extracelular completa dunha integrina, a αvβ3, foi unha sorpresa. Mostraba que a molécula estaba pregada tomando unha forma de V invertido que potencialmente pon os sitios de unións ao ligando preto da membrana plasmática. A estrutura cristalina da mesma integrina tamén se obtivo cando estaba unida a un pequeno ligando que contiña a secuencia de aminoácidos RGD, que era o fármaco cilengitide. Como se detallou antes, isto finalmente revelou por que os catións divalentes (nos dominios A) son esenciais para a unión do ligando RGD ás integrinas. A interacción de ditas secuencias coas integrinas crese que é un interruptor principal por medio do cal a matriz extracelular exerce os seus efectos sobre o comportamento da célula.
Este tipo de estrutura formula moitas preguntas, especialmente as referidas á unión de ligandos e transdución de sinais. O sitio de unión ao ligando está dirixido cara ao extremo C-terminal da integrina, a rexión na que a molécula emerxe da membrana celular. Se emerxe perpendicularmente da membrana, o sitio de unión ao ligando aparentemente quedaría obstruído, especialmente porque os ligandos da integrina son normalmente compoñentes masivos e moi enlazados con outros da matriz extracelular. Sábese pouco do ángulo que forma a proteína de membrana co plano da membrana; isto é un problema difícil de encarar coas tecnoloxías das que se dispón actualmente. O que se asume por defecto é que emerxen formando estruturas con forma de piruleta, pero non hai probas disto. Parece que as hélices transmembrana de integrina están inclinadas (ver a sección "Activación" máis adiante), o cal suxire que as cadeas extracelulares poden tamén non ser perpendiculares con respecto á superficie da membrana.
Aínda que se viu que a estrutura cristalina cambiaba pouco unha vez que se unía a droga cilengitide, a hipótese actual é que o funcionamento da integrina implica cambios de forma que moven o sitio de unión ao ligando a unha posición máis accesible, lonxe da superficie da célula, e este cambio de forma tamén causa o envío intracelular de sinais. Hai moita literatura científica que apoia este esquema, pero quizais a evidencia máis importante implica o uso de anticorpos, que só recoñecen as integrinas cando están unidas aos seus ligandos, ou están activadas. Como a marca ou pegada que deixa un anticorpo sobre a súa diana é aproximadamente un círculo duns 3 nm de diámetro, a resolución desta técnica é baixa. Aínda así, estes anticorpos de sitios de unión inducidos por ligando ou anticorpos LIBS (Ligand-Induced-Binding-Sites) mostran inequivocamente que ocorren de forma rutineira cambios drásticos na forma das integrinas, pero non se sabe aínda a forma que adopta a estrutura.
Activación
Cando se liberan na membrana os novos dímeros de integrina sintetizados pola célula, especúlase que se encontran na mesma conformación "dobrada" revelada polos estudos estruturais descritos antes. Unha liña de pensamento considera que esta forma dobrada lles impide interaccionar cos seus ligandos, aínda que as formas pregadas poden predominar nas estruturas de microscopía electrónica de alta resolución de integrinas unidas a ligando da matriz extracelular. Por tanto, polo menos nos experimentos bioquímicos, os dímeros de integrina aparentemente non deben estar despregados para preparalos ou activalos e permitir a súa unión á matriz extracelular. Nas células, a activación é realizada pola proteína talina, que se une á cola β do dímero de integrina e cambia a súa conformación. As cadeas α e β de integrina son ambas as dúas proteínas transmembrana de clase I, é dicir, atravesan a membrana como unha soa hélice alfa transmembrana. Desafortunadamente, as hélices son demasiado longas, e estudos recentes suxiren que, para o caso da integrina gpIIbIIIa, están inclinadas unha con respecto a outra e con respecto ao plano da membrana. A unión da talina altera o ángulo de inclinación da hélice transmembrana da cadea β3 en sistemas modelo e isto pode reflectir un estadio do proceso de sinalización de dentro da célula a fóra que activa as integrinas. Ademais, as proteínas talinas poden dimerizarse e isto pénsase que intervén na agrupación dos dímeros de integrina que leva á formación dunha adhesión focal (conxuntos de moléculas de adhesión á matriz). Recentemente, atopouse que as proteínas Kindlina-1 e Kindlina-2 interaccionan coa integrina e actívana.
Función As integrinas teñen dúas funcións principais: Unen a célula coa matriz extracelular. Transducen sinais desde a matriz extracelular á célula.
Porén, están tamén implicadas nunha ampla gama doutras actividades biolóxicas, como a vixilancia inmunitaria, migración celular, e unión á célula de certos virus, como os adenovirus, ecovirus, hantavirus, e virus da glosopeda.
Unha función salientable das integrinas pode verse na molécula GPIIbIIIa, unha integrina da superficie das plaquetas do sangue responsable da unión da fibrina nun coágulo sanguíneo en desenvolvemento. A GPIIbIIa incrementa drasticamente a súa afinidade de unión pola fibrina/fibrinóxeno por medio da asociación das plaquetas co coláxeno exposto no sitio da lesión. Ao asociárense as plaquetas co coláxeno, a GPIIbIIIa cambia de forma, de tal xeito que pode unirse á fibrina e outros compoñentes sanguíneos para formar a matriz do coágulo e parar a perda de sangue.
Adhesión da célula á matriz extracelular