Ауторегуляция передачи сигналов GPCR через третью внутриклеточную петлю

Nature, том 615, страницы 734–741 (2023 г.) Процитировать эту статью

14 тысяч доступов

5 цитат

88 Альтметрика

Подробности о метриках

Третья внутриклеточная петля (ICL3) складки рецептора, связанного с G-белком (GPCR), важна для процесса передачи сигнала после активации рецептора1,2,3. Несмотря на это, отсутствие определенной структуры ICL3 в сочетании с высокой дивергенцией его последовательностей среди GPCRs усложняет характеристику его участия в передаче сигналов рецепторов4. Предыдущие исследования, посвященные β2-адренергическому рецептору (β2AR), показали, что ICL3 участвует в структурном процессе активации рецептора и передаче сигналов5,6,7. Здесь мы получаем механистическое понимание роли ICL3 в передаче сигналов β2AR, наблюдая, что ICL3 ауторегулирует активность рецептора посредством динамического конформационного равновесия между состояниями, которые блокируют или обнажают сайт связывания G-белка рецептора. Мы демонстрируем важность этого равновесия для фармакологии рецепторов, показывая, что эффекторы-миметики G-белка смещают открытые состояния ICL3 для аллостерической активации рецептора. Наши результаты дополнительно показывают, что ICL3 настраивает специфичность передачи сигналов, ингибируя связывание рецептора с подтипами G-белка, которые слабо связываются с рецептором. Несмотря на разнообразие последовательностей ICL3, мы показываем, что этот механизм отрицательного отбора G-белка посредством ICL3 распространяется на GPCRs по всему суперсемейству, расширяя диапазон известных механизмов, с помощью которых рецепторы опосредуют селективную передачу сигналов подтипа G-белка. Более того, наши коллективные результаты позволяют предположить, что ICL3 является аллостерическим сайтом для лигандов, специфичных для рецепторов и сигнальных путей.

Накопление структурных данных все чаще позволяет картировать механизмы активации GPCR с атомным разрешением. Эта мелкая деталь может быть использована для разработки терапевтических агентов, нацеленных на специфические GPCR, участвующие в различных болезненных состояниях8. Хотя активацию GPCR лучше всего понять через конформационные изменения в семи трансмембранных спиралях рецептора, концевые и петлевые домены, соединяющие эти спирали, также имеют решающее значение для функции и регуляции рецептора в клеточном контексте9. Из-за недоступности этих регионов для традиционных структурных методов отсутствует понимание того, как они способствуют механизмам передачи сигналов GPCR. Целенаправленная характеристика динамики этих регионов позволит уточнить наше понимание их роли в передаче сигналов GPCR, что потенциально позволит идентифицировать новые терапевтические стратегии4.

Здесь мы сосредоточимся на ICL3, которая является самой большой из трех внутриклеточных петель во многих GPCR класса А и имеет размер от 10 до 240 аминокислот. ICL3 соединяет трансмембранные спирали пять и шесть, которые отвечают за структурные изменения между неактивным и активным состояниями рецептора, и примыкает к сайту связывания сигнального эффектора рецептора10. Физическое расположение ICL3 подтверждает большое количество исследований мутагенеза, которые указывают на участие этой области в активации и передаче сигналов рецептора (дополнительная таблица 1). Однако изменения в фармакологии рецепторов при мутагенезе ICL3 широко варьируются между рецепторами, а также между местоположениями мутировавших сайтов на отдельных рецепторах (расширенные данные, рис. 1). Учитывая отсутствие консенсуса, механизмы, с помощью которых ICL3 влияет на активацию рецепторов, остаются плохо изученными. Это усугубляется разнообразием последовательностей ICL3 даже среди близкородственных рецепторов11. Кроме того, предсказанный внутренний беспорядок и отсутствие структурного разрешения ICL3 в большинстве опубликованных структур ограничивают характеристику структуры-функции12. В этом исследовании мы устраняем этот пробел в знаниях, развивая фундаментальную концептуальную основу для роли ICL3 в передаче сигналов GPCR.

Мы сосредоточили наше первоначальное механистическое исследование на ICL3 β2AR, структурном прототипе исследования GPCR13. Молекулярное моделирование β2AR предполагает, что его ICL3 может упаковываться во внутриклеточную полость рецептора, потенциально регулируя активацию сигнальных эффекторов ниже рецептора5. Предполагается, что эта упакованная конформация ICL3 аллостерически взаимодействует с внеклеточным доменом рецептора, что приводит к тесной координации между состоянием активации рецептора и конформацией ICL314. Параллельно мутагенез ICL3 изменяет конформационную динамику рецептора, что измерено с помощью 19F-ЯМР-спектроскопии6. Опираясь на эти идеи в качестве основы, мы стремились построить механистическую модель функции ICL3 при активации и передаче сигналов β2AR путем определения его конформационного ансамбля.