Структуры рецептора глюкагона раскрывают новый механизм взаимодействия с аррестином

G-белок-сопряженные рецепторы (GPCR) играют ключевую роль в передаче клеточных сигналов и являются крупнейшим семейством белков-мишеней для лекарств. При активации агонистом они запускают несколько сигнальных путей, включая G-белки и аррестины, что приводит к различным физиологическим функциям. Аррестины критически важны для модуляции работы GPCR, прекращая G-белковую сигнализацию и способствуя интернализации рецептора.

К классу B GPCR относятся рецепторы, вовлеченные в тяжелые заболевания, такие как диабет, ожирение и остеопороз. Они представляют большой интерес как мишени для разработки смещенных агонистов, которые избирательно активируют либо G-белковый путь, либо рекрутирование аррестина, что может повысить эффективность и снизить побочные эффекты.

Однако до сих пор были определены структуры лишь нескольких GPCR в комплексе с аррестином, и все они принадлежали к классу A. Отсутствие молекулярных деталей взаимодействия с аррестином для рецепторов класса B ограничивало понимание их аррестин-опосредованной регуляции и тормозило разработку лекарств.

В новом исследовании, опубликованном в Nature, группа ученых под руководством У Бэйли и Чжао Цяна из Шанхайского института Materia Medica (SIMM) Китайской академии наук (CAS) впервые определила с помощью криоэлектронной микроскопии (крио-ЭМ) структуры рецептора глюкагона класса B (GCGR) в комплексе с β-аррестином 1 (βarr1) в двух состояниях: связанном с глюкагоном и свободном от лиганда. Эти структуры дают детальную картину взаимодействия рецептора класса B с аррестином и неожиданно выявляют множество уникальных особенностей.

Структуры комплекса GCGR-βarr1 демонстрируют "хвостовую" конформацию, в которой рецептор взаимодействует с βarr1 в основном через спираль VIII в своем C-концевом хвосте. Это разительно отличается от ранее определенных структур GPCR-аррестин, где аррестин принимает "ядерную" конформацию, связываясь как с трансмембранным ядром рецептора, так и с его C-концом. Хвостовой способ связывания βarr1 дополнительно определяется близким расположением C-edge петель βarr1 и трансмембранного пучка спиралей GCGR. Кроме того, производное фосфоинозитида образует мостик между βarr1 и спиралью VIII рецептора, дополнительно стабилизируя хвостовое взаимодействие.

Предполагается, что хвостовая и ядерная конформации аррестина управляют различными процессами сигнализации и клеточного транспорта рецептора, что приводит к разным клеточным ответам. Структуры GCGR-βarr1 впервые дают молекулярные детали связывания аррестина с GPCR в хвостовой конформации, что значительно расширяет знания о механизме аррестин-опосредованной регуляции передачи сигнала GPCR.

Еще одно поразительное отличие структур GCGR-βarr1 от ранее известных — рецептор демонстрирует неактивную конформацию даже в присутствии эндогенного агониста глюкагона. Агонист либо отсутствует, либо слабо связан с рецептором, занимая более мелкий сайт связывания, чем в активных структурах GCGR.

Эти структурные особенности, вероятно, обусловлены хвостовым режимом связывания аррестина, который не контактирует с ядром рецептора и не требует от рецептора сохранения активной конформации. Это открывает новые возможности для разработки смещенных лигандов, которые будут предпочтительно связываться с разными конформациями GCGR, обеспечивая селективность сигнального пути.

Для дальнейшего изучения роли хвостового взаимодействия с аррестином ученые провели обширные функциональные исследования, используя методы мутагенеза и биолюминесцентного резонансного переноса энергии (BRET). Измеряя рекрутирование аррестина к плазматической мембране и эндоцитоз для дикого типа GCGR и его мутантов в области интерфейса связывания с βarr1, они подтвердили, что хвостовая конформация комплекса GCGR-βarr играет важную роль в управлении молекулярным трафиком рецептора.