計算科学的手法を用いたムスカリン性アセチルコリン受容体のGタンパク質選択性の理解

Understanding G Protein Selectivity of Muscarinic Acetylcholine Receptors Using Computational Methods.

• Luis Jaimes Santiago
• Ravinder Abrol

抄録

神経伝達物質分子であるアセチルコリンは、Gタンパク質共役型受容体（GPCR）のスーパーファミリーに属する5つのムスカリン性アセチルコリン受容体（M1～M5）を活性化することができる。これら5つの受容体は高い配列と構造の相同性を持っていますが、M1、M3、M5受容体のサブタイプはGタンパク質のGαq/11サブセットを介して優先的にシグナルを伝達し、M2とM4受容体のサブタイプはGタンパク質のGαi/oサブセットを介してシグナルを伝達し、結果として細胞内シグナル伝達カスケードと生理学的効果が非常に異なっています。本研究では、GαiとGαqの両方に結合したM1とM2受容体の熱力学的解析と分子動力学（MD）シミュレーションを用いて、M1受容体がGαqタンパク質を好むことと、M2受容体がGαiタンパク質を好むことの構造的基盤を理解することを目的とした。MD研究では、M1とM2の受容体は両方のGαタンパク質と結合し、M1受容体は2つのGαタンパク質とわずかに異なる向きで結合し、M2受容体は2つのGαタンパク質と同じ向きで結合することが示されました。受容体とGαタンパク質との結合の自由エネルギーを熱力学的に調べたところ、M1とM2受容体は非認知体と比較して認知体のGαタンパク質とより強く結合しており、これはM3受容体に関する以前の実験研究と一致している。受容体-Gタンパク質相互作用の詳細な解析により、M2:Gαi複合体では、いくつかの認知体-複合体特異的な相互作用が示されたが、Gタンパク質の選択性の決定因子は、多くの残基が重複している部分集合に広がっている。Gタンパク質結合受容体界面から遠く離れた膜貫通らせん5と6の間の保存された相互作用は、2つのコグネート複合体でのみ見出され、非コグネート複合体では見出されませんでした。これまでGタンパク質の選択性に関与していた残基を、コグネートと非コグネートの構造を踏まえて解析したところ、Gタンパク質の選択性に影響を与える残基の役割がより明確になりました。認知体と非認知体の両方の受容体-Gタンパク質複合体のシミュレーションは、非認知体複合体の構造決定の難しさによる構造的ギャップを埋め、ほとんどのGPCRが示すGタンパク質選択性のメカニズムを探るための強化されたフレームワークを提供します。

The neurotransmitter molecule acetylcholine is capable of activating five muscarinic acetylcholine receptors, M1 through M5, which belong to the superfamily of G-protein-coupled receptors (GPCRs). These five receptors share high sequence and structure homology; however, the M1, M3, and M5 receptor subtypes signal preferentially through the Gαq/11 subset of G proteins, whereas the M2 and M4 receptor subtypes signal through the Gαi/o subset of G proteins, resulting in very different intracellular signaling cascades and physiological effects. The structural basis for this innate ability of the M1/M3/M5 set of receptors and the highly homologous M2/M4 set of receptors to couple to different G proteins is poorly understood. In this study, we used molecular dynamics (MD) simulations coupled with thermodynamic analyses of M1 and M2 receptors coupled to both Gαi and Gαq to understand the structural basis of the M1 receptor's preference for the Gαq protein and the M2 receptor's preference for the Gαi protein. The MD studies showed that the M1 and M2 receptors can couple to both Gα proteins such that the M1 receptor engages with the two Gα proteins in slightly different orientations and the M2 receptor engages with the two Gα proteins in the same orientation. Thermodynamic studies of the free energy of binding of the receptors to the Gα proteins showed that the M1 and M2 receptors bind more strongly to their cognate Gα proteins compared to their non-cognate ones, which is in line with previous experimental studies on the M3 receptor. A detailed analysis of receptor-G protein interactions showed some cognate-complex-specific interactions for the M2:Gαi complex; however, G protein selectivity determinants are spread over a large overlapping subset of residues. Conserved interaction between transmembrane helices 5 and 6 far away from the G-protein-binding receptor interface was found only in the two cognate complexes and not in the non-cognate complexes. An analysis of residues implicated previously in G protein selectivity, in light of the cognate and non-cognate structures, shaded a more nuanced role of those residues in affecting G protein selectivity. The simulation of both cognate and non-cognate receptor-G protein complexes fills a structural gap due to difficulties in determining non-cognate complex structures and provides an enhanced framework to probe the mechanisms of G protein selectivity exhibited by most GPCRs.