3番目の細胞内ループを介したGPCRシグナル伝達の自動調節

Nature volume 615、pages 734–741 (2023)この記事を引用

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G タンパク質共役受容体 (GPCR) フォールドの 3 番目の細胞内ループ (ICL3) は、受容体活性化の下流のシグナル伝達プロセスに重要です 1,2,3。 それにもかかわらず、ICL3 の明確な構造の欠如は、GPCR 間での配列の多様性と相まって、受容体シグナル伝達への関与の特徴付けを複雑にしています 4。 β2 アドレナリン受容体 (β2AR) に焦点を当てたこれまでの研究では、ICL3 が受容体の活性化とシグナル伝達の構造プロセスに関与していることが示唆されています 5、6、7。 今回我々は、ICL3が受容体のGタンパク質結合部位を遮断または露出する状態間の動的立体構造平衡を通じて受容体活性を自動調節することを観察し、β2ARシグナル伝達におけるICL3の役割について機構的な洞察を導き出す。 我々は、Gタンパク質模倣エフェクターがICL3の露出状態にバイアスをかけ、受容体をアロステリックに活性化させることを示し、受容体薬理学にとってこの平衡の重要性を実証する。 我々の発見はさらに、ICL3が、受容体と弱く共役するGタンパク質サブタイプへの受容体の共役を阻害することによって、シグナル伝達特異性を調整していることを明らかにした。 ICL3の配列多様性にもかかわらず、我々は、ICL3を介したこの負のGタンパク質選択機構がスーパーファミリー全体のGPCRに拡張され、受容体がGタンパク質のサブタイプ選択的シグナル伝達を媒介する既知の機構の範囲を拡大することを実証した。 さらに、我々の総合的な発見は、ICL3が受容体およびシグナル伝達経路特異的なリガンドのアロステリック部位であることを示唆しています。

構造データの蓄積により、GPCR の活性化機構の原子分解能マッピングがますます可能になりつつあります。 この詳細を利用して、さまざまな病態に関与する特定の GPCR を標的とする治療薬を設計できます 8。 GPCR の活性化は、受容体の 7 回膜貫通ヘリックスの構造変化を通じて最もよく理解されていますが、これらのヘリックスをつなぐ末端およびループ ドメインも、細胞内での受容体の機能と制御にとって重要です 9。 これらの領域は従来の構造手法が利用できないため、GPCR シグナル伝達機構にどのように寄与するかについての洞察が不足しています。 これらの領域の動態を集中的に特徴づけることにより、GPCRシグナル伝達におけるそれらの役割の理解がさらに深まり、新たな治療戦略を特定できる可能性がある4。

ここでは、多くのクラス A GPCR にある 3 つの細胞内ループの中で最大であり、サイズが 10 ～ 240 アミノ酸の範囲にある ICL3 に焦点を当てます。 ICL3は、受容体の不活性状態と活性状態の間の構造変化に関与する膜貫通ヘリックス5と6を接続しており、受容体のシグナル伝達エフェクター結合部位に隣接しています10。 ICL3 の物理的位置は、この領域が受容体の活性化とシグナル伝達に関与しているという多くの突然変異誘発研究を裏付けています (補足表 1)。 しかし、ICL3の変異誘発による受容体薬理の変化は、受容体間だけでなく、個々の受容体上の変異部位の位置間でも大きく異なります（拡張データ図1）。 このコンセンサスの欠如を考慮すると、ICL3 が受容体全体の受容体活性化に影響を与えるメカニズムは、依然として十分に理解されていません。 これは、密接に関連した受容体の間でも、ICL3 の配列多様性によってさらに悪化します 11。 さらに、予測される内因性障害と、ほとんどの公表された構造における ICL3 の構造解像度の欠如により、構造から機能への特性評価が制限されます 12。 この研究では、GPCRシグナル伝達におけるICL3の役割に関する基本的な概念的枠組みを前進させることにより、この知識のギャップに対処します。

我々は、最初の機構研究を、GPCR 研究の構造プロトタイプである β2AR の ICL3 に焦点を当てました 13。 β2AR の分子モデリングは、その ICL3 が受容体の細胞内腔に詰め込まれ、受容体の下流にあるシグナル伝達エフェクターの活性化を潜在的に調節できることを示唆しています 5。 ICL3 のこの詰まった立体構造は、受容体の細胞外ドメインとアロステリックに通信し、受容体の活性化状態と ICL3 立体構造の間の緊密な調整につながると考えられています 14。 並行して、ICL3 の突然変異誘発により、19F-NMR 分光法を使用して測定されるように、受容体の構造動態が変化します6。 これらの洞察を基礎として、我々は、その構造アンサンブルを決定することにより、β2ARの活性化およびシグナル伝達におけるICL3の機能の機構モデルを構築することを目的とした。