Одномолекулярные методы проливают свет на механизмы активации GPCR

Ученые из Детской исследовательской больницы Сент-Джуд и Колумбийского университета/Психиатрического института штата Нью-Йорк изучают G-белок-сопряженные рецепторы (GPCR) — мембранные белки, являющиеся мишенью для трети одобренных лекарств. Используя методы одномолекулярной визуализации, исследователи получили новое представление о процессе передачи клеточных сигналов через GPCR. Эта работа может помочь в разработке новых препаратов, манипулируя тем, как они активируют определенные пути. Статья опубликована сегодня в журнале Cell.

Геном человека кодирует около 800 GPCR, которые экспрессируются по всему телу и контролируют множество физиологических функций. GPCR являются важными мишенями для лекарств при широком спектре заболеваний.

GPCR передают сигналы внутрь клетки при активации агонистами (химическими сигналами, такими как нейротрансмиттеры, гормоны, цитокины или синтетические препараты). β-аррестины — это белки, которые связываются с GPCR, чтобы остановить G-белок-опосредованную передачу сигнала, а также могут запускать множество других нижестоящих сигнальных путей.

Взаимодействие GPCR с β-аррестином частично опосредовано специфической областью GPCR, обычно его C-концевым хвостом. Этот хвост подвергается активационно-зависимому фосфорилированию. Фосфорилированный хвост GPCR стыкуется в бороздку на β-аррестине. Однако, когда β-аррестин не связан с GPCR, эта бороздка занята собственным C-концевым хвостом β-аррестина. Исследователи хотели понять, как C-концевой хвост β-аррестина высвобождается, чтобы освободить место для фосфорилированного хвоста GPCR.

История двух хвостов

Используя метод одномолекулярного флуоресцентного резонансного переноса энергии (smFRET), исследователи отслеживали конформационную динамику (изменения формы) C-концевого хвоста β-аррестина. Большая часть работ в этой области выполнена ансамблевыми методами, усредняющими сотни тысяч белков. Такие усреднения не могут показать, что делает конкретный белок. В отличие от этого, одномолекулярный подход может предоставить прямые доказательства поведения индивидуального белка и позволить изучать, как оно меняется со временем.

Результаты группы показывают, что β-аррестин в покое обычно существует в стабильном аутоингибированном состоянии. В этом состоянии C-концевой хвост плотно связан с бороздкой. Чтобы C-концевой хвост высвободился и освободил место для фосфорилированного хвоста GPCR, агонист должен связаться с GPCR, что, в свою очередь, «щекочет» β-аррестин, запуская высвобождение. Метод smFRET позволил исследователям разделить вклад фосфорилированного состояния GPCR и его состояния, активированного агонистом — свойства, которые нельзя разделить и изучить в клетке. Возможность различать эти состояния привела к открытию, что сам хвост рецептора также играет аутоингибирующую роль, которая должна быть снята связыванием агониста.

Баланс между аутоингибированным и активированным состояниями контролирует интенсивность и продолжительность сигналинга GPCR, что, в свою очередь, определяет физиологические реакции. Эти выводы могут сыграть роль в разработке лекарств, поскольку позволяют систематически исследовать результаты паттерна и степени фосфорилирования GPCR.