Binder receptorn i båda ändarna | natur

Binder receptorn i båda ändarna | natur

Anonim

ämnen

  • Cell signalering
  • G-proteinkopplade receptorer
  • Strukturell biologi

G-proteinkopplade receptorer initierar ett brett spektrum av signalvägar i celler. Det verkar som att både ett G-protein och en agonistmolekyl måste binda till receptorerna för att kontinuerligt aktivera dem. Se artikel s.175 & bokstäver s.236 & s.241

G-proteinkopplade receptorer (GPCR) utgör en stor familj av proteiner - bestående av mer än 800 medlemmar hos människor - som är inbäddade i plasmamembranen i de flesta celler. De binder specifikt till ett brett spektrum av 'agonistmolekyler, som förmedlar sensorisk information eller kommunicerar förändringar i fysiologiska tillstånd 1 . När de har stimulerats av agonister binder GPCR: er till och aktiverar G-proteiner, som är fästa vid den inre ytan av cellmembranen. G-proteinerna initierar sedan signalkaskader som styr en mängd viktiga biologiska processer. I det här numret rapporterar två artiklar från Kobilka och kollegor 2, 3 och en annan från grupperna av Tate och Schertler 4 strukturella, biofysiska och beräkningsstudier som ger insikt i GPCR-aktivering av agonister.

De membraninbäddade domänerna för GPCR: er består av ett bunt av sju transmembran (TM) a-helices 5 (fig. 1). Agonister binder till en kavitet omgiven av fyra av dessa helixer nära den extracellulära ytan på receptorn. Agonistinducerade strukturella förändringar förökas genom transmembranregionen i receptorn genom rotation av vissa TM-spiralformade segment för att öppna ett G-proteinbindningsställe på den intracellulära ytan. En klass GPCR är de p-adrenerga receptorerna, som aktiverar ett G-protein känt som Gs. Aktivering av G initierar "fight-or-flight" -svaret genom att öka kraften i hjärtkontraktion (orsakar ett dunkande hjärta), slappnar av glatt muskel och mobiliserar glukos i skelettmuskeln

G-proteinkopplade receptorer (GPCR) är en familj av membranbundna proteiner. De aktiverar G-proteiner när de är bundna av agonistmolekyler, men är inaktiva i närvaro av omvända agonister. a, strukturen för den p-adrenerga receptorn ß2 AR - en GPCR - visas här i dess inaktiva (R) tillstånd 8 . Receptorn är bunden till den omvända agonisten karazolol (ej visad). Cylindrar indikerar a-helices. b, Rasmussen et al . 2 rapporterar kristallstrukturen för ß2 AR i komplex med en agonist (lila) och med ett antikroppsfragment (ej visat), som båda stabiliserar receptorns aktiva (R *) tillstånd. Antikroppen binder vid G-proteinbindningsstället och fungerar som en ersättning för P2 AR: s G-protein (Gs). Övergången från R till R * -tillståndet, inducerat av agonistbindning, resulterar troligen från en sammandragning av agonistbindningsstället. Kontraktionen främjar förändringar i packningen av aminosyrarester (gula / blå / röda sfärer) mellan transmembranhelix 5 och 6. Dessa förändringar sammanfaller med rotation av delar av dessa spiraler (grön pil). Tillsammans skapar de konformationella förskjutningarna ett bindningsställe för karboxiterminalen av G-proteinet (eller i detta fall antikroppsfragmentet). Denna kristallstruktur 2, tillsammans med strukturer och molekylsimuleringar i två andra artiklar 3, 4, antyder att både ett G-protein och en agonist måste binda till GPCR: er för att stabilisera R * -tillståndet.

Bild i full storlek

Till en första tillnärmning är GPCR: er dynamiska proteiner som växlar mellan ett inaktivt (R) tillstånd och en aktiv (R *) konformation som kan engagera G-proteiner. Agonister driver den konformationella jämvikten mot R *; partiella agonister gör samma sak, men mindre effektivt, medan omvända agonister driver receptorn mot R-tillståndet. I frånvaro av sådana molekyler är jämvikten partisk mot R, även om en liten fraktion av receptorer förblir aktiva.

En stor utmaning för receptorbiokemiker har varit att förstå hur agonister och inversa agonister kontrollerar konformationens jämvikt. Ett viktigt framsteg gjordes med upptäckten att opsin, en form av GPCR som är involverad i vision men saknar dess aktiverande kofaktor, antar en förmodad R * -konformation där TM5- och TM6-helikterna är spridda isär och bildar ett hålrum som accepterar karboxiterminalen av ett G-protein känt som transducin 6, 7 . Men försök att kristallisera agonistbundna R * -tillstånd för andra, mer flexibla GPCR: er har mött frustration: kristallstrukturer för de ß-adrenerga receptorerna ß 1 AR och ß2 AR har endast erhållits för komplex av receptorerna bundna till inversa agonister 8 9

Tills nu. I den första av de tre artiklar som publicerades i denna utgåva, Rasmussen et al . 2 (sidan 175) rapporterar att när lama inokuleras med fosfolipidblåsor som innehåller agonistbundna ß2-AR, producerar de antikroppar som selektivt binder till receptorernas R * -tillstånd. Författarna identifierade ett fragment av dessa antikroppar - 'nanobody' Nb80 - som binder till R * -tillståndet och fann att det har anmärkningsvärt liknande egenskaper som hos Gs. Specifikt ökar ß2 AR: s affinitet för en agonist (isoprenalin) nästan hundra gånger i närvaro av Nb80, vilket indikerar att nanobody är en aktivator av agonistbindning, som Gs. Författarna såg inte denna effekt med omvända agonister.

Rasmussen m.fl. använde tekniker som utarbetats i tidigare studier 8 . 2 erhållna kristaller av p2 AR (modifierat på ett sådant sätt att det främjar kristallisation) i en lipidliknande miljö, bunden till både Nb80 och en potent p2 AR-agonist. Strukturen med medel upplösning (3, 5-Å) avslöjade en konformation liknande den som observerades för opsin 6, 7, men med en polypeptidslinga av Nb80 insatt i kaviteten som i opsin binder det karboxiterminala fragmentet av transducin. Genom att jämföra deras kristallstruktur 2 med den där P2 AR är bunden till en omvänd agonist 9, observerade författarna att övergången mellan R * och R-tillstånden involverar ompaketering av hydrofoba aminosyrarester i TM5 och TM6 i midjan 'av receptorn (fig. 1). Återförpackningen är kopplad med små rotationer av TM5 och TM6 vid gångjärnspunkter i båda skruvarna, vilket får G-proteinbindningsstället att öppnas. Rotationerna underlättas av en evolutionärt konserverad prolinaminosyrarest i varje spiral: prolinrester kan inte delta i vätebindningarna som stelnar a-helixer, och ger därmed flexibla gångjärnspunkter för rotation om bindningar som binder samman närliggande peptider.

Men de strukturella förändringarna som induceras på själva agonistbindningsstället är små. Så vilka agonist-receptorinteraktioner är viktiga för receptoraktivering? Warne et al . 4 (sidan 241) har tagit upp denna fråga genom att lösa fyra kristallstrukturer i vilka en ß 1 AR är bunden till antingen en agonist eller en partiell agonist. Anmärkningsvärt fann de att alla komplexen befinner sig i det inaktiva R-tillståndet. Trots det drar både agonister och partiella agonister TM7 och TM5 samman, något som begränsar agonistens bindningsplats - en effekt som också ses i Rasmussen och kollegas β 2 AR – agonist – Nb80-struktur 2, men inte i komplex av GPCR med inversa agonister 8 9, 10 . Warne et al . 4 observerade att fullständiga agonister kunde bilda en vätebindning till en konserverad serin-aminosyrarest i TM5. Bildandet av denna interaktion verkar vara den tippningspunkt som fälls ut receptoraktivering och kan minska energibarriären för restpaketeringen och spiralrotation som observeras i p2 AR-agonist – Nb80-komplexet 2 .

Rosenbaum et al . 3 (sidan 236) beskriver deras försök att fånga en agonistaktiverad R * -konformation genom kovalent förankring av en potent agonist till p2 AR. När den är bunden till sitt bindningsställe kan agonisten inte separera sig från receptorn och aktiverar Gs effektivt - även i närvaro av en omvänd agonist som kan förskjuta den analoga icke-kovalent bundna agonisten från dess komplex med P2 AR. Ändå fann författarna att den resulterande agonisten – ß2 AR-addukten kristalliserar i R-tillståndet.

Förbehållet här 3, som i Warne och kollegas ß 1 AR-struktur 4, är att lipidkomponenterna som används som surrogat för membran i kristallerna kanske inte är lika effektiva som infödda membran-tvåskikt för att stabilisera R * -tillståndet när endast agonist är närvarande . Rosenbaum et al . 3 utförde därför mycket långa molekyl-dynamik-simuleringar - som sträckte sig till 30 mikrosekunder, en post för simuleringar av transmembranproteiner - av den agonistbundna receptorn från Rasmussen och kollegas studie 2, men med nanobody borttagen. Dessa simuleringar antyder att agonistbundna R * -tillstånd i receptorn är i sig instabila i frånvaro av ett G-protein.

De tre artiklarna 2, 3, 4 i detta nummer avslöjar att ihållande aktivering av en GPCR uppnås genom bindning av både en agonist och ett G-protein vid motsatta ändar av receptorerna relativt lipid-tvåskiktet, där de kombinerade bindningsinteraktionerna minskar energibarriärer för bildandet av R * -tillståndet. Icke desto mindre skiljer sig konformationsområdet och dynamiken hos GPCR från en receptor till en annan. Opsin är till exempel låst fullständigt i R-tillstånd tills den helt omvandlas till R * -tillståndet genom den ljusinducerade isomeriseringen av dess kofaktor; detta står delvis för det mycket höga signal-brus-förhållandet för visuell signalering. Å andra sidan har ß2 ARs konstitutiv aktivitet (orsakad av den lilla fraktionen av receptorerna som finns i R * -tillståndet vid jämvikt) som kan ge resistens mot kranskärlssjukdom 11 . Instabiliteten hos R * i frånvaro av G-proteiner kan också bromsa agonistberoende desensibilisering, en process där långvarig exponering för agonister inaktiverar signal-receptor – G-protein. Det kommer därför att vara avgörande att upptäcka molekylära determinanter för receptordynamik och konformationella jämvikter, och hur dessa är så fininställda av receptorligander.

kommentarer

Genom att skicka en kommentar samtycker du till att följa våra villkor och gemenskapsriktlinjer. Om du finner något missbruk eller som inte överensstämmer med våra villkor eller riktlinjer ska du markera det som olämpligt.