БИОХИМИЯ, 2022, том 87, вып. 7, с. 933–945

УДК 577.112

Агонисты в вытянутой конформации стабилизируют активированное состояние бета-адренорецепторов

© 2022 А.В. Ефимов 1*efimov@protres.ru, О.В. Мещерякова 2, А.Г. Рязанов 3

1 Институт белка РАН, 142290 Пущино, Московская обл., Россия

2 Институт биологии КарНЦ РАН, 185910 Петрозаводск, Россия

3 Медицинская школа имени Рутгерса Роберта Вуда Джонсона, кафедра фармакологии, 08854 Пискатауэй, Нью-Джерси, США

Поступила в редакцию 21.03.2022
После доработки 21.06.2022
Принята к публикации 21.06.2022

DOI: 10.31857/S0320972522070089

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: β-адренорецептор, GPCR, агонист, антагонист, механизм активации.

Статья на английском языке опубликована в режиме Open Access (открытого доступа) на сайте издательства Springer. DOI: 10.1134/S0006297922070057.

Аннотация

В настоящей работе проведён сравнительный анализ структур агонистов и антагонистов, их взаимодействий с трансмембранными (ТМ) β‑адренорецепторами, а также предложен механизм активации этих рецепторов. Характерной особенностью молекулы агониста и антагониста является то, что она имеет гидрофобную «головку» (чаще всего это одно или два ароматических кольца) и «хвостик» с положительно заряженной аминогруппой. Во всех агонистах β‑адренорецепторов между ароматическим кольцом «головки» и атомом азота аминогруппы находятся два атома углерода. В молекулах антагонистов это расстояние уменьшено или увеличено до четырёх атомов за счёт дополнительных атомов углерода и кислорода. «Головка» агониста, как правило, имеет два донора или акцептора водородных связей в пара– и мета-положениях ароматических колец. В «головке» антагониста таких доноров/акцепторов нет или они находятся в неподходящих положениях. Как показывает анализ известных пространственных структур комплексов агонистов и β‑адренорецепторов, «головка» агониста образует две водородные связи со спиралью ТМ5, а «хвостик» образует ионную связь с остатком аспарагиновой кислоты D3.32 спирали ТМ3 и одну или две Н‑связи со спиралью ТМ7. «Хвостик» антагониста может образовывать аналогичные связи, однако его «головка» и спираль ТМ5 взаимодействуют намного слабее. В результате этих взаимодействий молекула агониста приобретает вытянутую конформацию в виде «натянутой струны», в отличие от молекулы антагониста, которая имеет более длинный, изогнутый и гибкий «хвостик». «Натянутая струна» агониста взаимодействует со спиралью ТМ6 (прежде всего с остатком триптофана W6.48) и поворачивает её, что приводит к открыванию центра связывания G‑белка на внутриклеточной стороне рецептора. Гибкая и бо́льшая по размерам молекула антагониста такого эффекта не оказывает.

Текст статьи

Пожалуйста, введите код, чтобы получить PDF файл с полным текстом статьи:

captcha

Сноски

* Адресат для корреспонденции.

Финансирование

Работа поддержана Российским фондом фундаментальных исследований (проект № 20-04-00453).

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов в финансовой и иных сферах.

Соблюдение этических норм

Настоящая статья не содержит описания исследований с участием людей или животных в качестве объектов исследования.

Список литературы

1. Drews, J. (2000) Drug discovery: a historical perspective, Science, 287, 1960-1964, doi: 10.1126/science.287.5460.1960.

2. Eiger, D. S., Pham, U., Gardner, J., Hicks, C., and Rajagopal, S. (2022) GPCR systems pharmacology: a different perspective on the development of biased therapeutics, Am. J. Physiol. Cell. Physiol., 322, 887-895, doi: 10.1152/ajpcell.00449.2021.

3. Costanzi, S., Siegel, J., Tikhonova, I. G., and Jacobson, K. A. (2009) Rhodopsin and the others: a historical perspective on structural studies of G protein-coupled receptors, Curr. Pharm. Des., 15, 3994-4002, doi: 10.2174/138161209789824795.

4. Kahsai, A. W., Xiao, K., Rajagopal, S., Ahn, S., Shukla, A. K., et al. (2011) Multiple ligand-specific conformations of the β2-adrenergic receptor, Nat. Chem. Biol., 7, 692-700, doi: 10.1038/nchembio.634.

5. Katritch, V., Cherezov, V., and Stevens, R. C. (2012) Diversity and modularity of G protein-coupled receptor structures, Trends Pharmacol. Sci., 33, 17-27, doi: 10.1016/j.tips.2011.09.003.

6. Nygaard, R., Zou Y., Dror, R. O., Mildorf, T. J., Arlow, D. H., et al. (2013) The dynamic process of β(2)-adrenergic receptor activation, Cell, 152, 532-542, doi: 10.1016/j.cell.2013.01.008.

7. Weis, W. I., and Kobilka, B. K. (2018) The molecular basis of G protein-coupled receptor activation, Annu. Rev. Biochem., 87, 897-919, doi: 10.1146/annurev-biochem-060614-033910.

8. Frei, J. N., Broadhurst, R. W., Bostock, M. J., Solt, A., Jones, A. J. Y., et al. (2020) Conformational plasticity of ligand-bound and ternary GPCR complexes studied by 19F NMR of the β1-adrenergic receptor, Nat. Commun., 11, 669, doi: 10.1038/s41467-020-14526-3.

9. Lebon, G., Warne, T., and Tate, C. G. (2012) Agonist-bound structures of G protein-coupled receptors, Curr. Opin. Struct. Biol., 22, 482-490, doi: 10.1016/j.sbi.2012.03.007.

10. Wang, C., Jiang, Y., Ma, J., Wu, H., Wacker, D., et al. (2013) Structural basis for molecular recognition at serotonin receptors, Science, 340, 610-614, doi: 10.1126/science.1232807.

11. Standfuss, J., Edwards, P. C., D’Antona, A., Fransen, M., Xie, G., et al. (2011) The structural basis of agonist-induced activation in constitutively active rhodopsin, Nature, 471, 656-660, doi: 10.1038/nature09795.

12. Venkatakrishnan, A. J., Deupi, X., Lebon, G., Tate, C. G., Schertler, G. F., et al. (2013) Molecular signatures of G-protein-coupled receptors, Nature, 494, 185-194, doi: 10.1038/nature11896.

13. Granier, S., and Kobilka, B. (2012) A new era of GPCR structural and chemical biology, Nat. Chem. Biol., 8, 670-673, doi: 10.1038/nchembio.1025.

14. The UniProt Consortium (2021) UniProt: the universal protein knowledgebase in 2021, Nucleic Acids Res., 49, D480-D489, doi: 10.1093/nar/gkaa1100.

15. Berman, H. M, Westbrook, J., Feng Z., Gilliland, G., Bhat, T. N., et al. (2000) The protein data bank, Nucleic Acids Res., 28, 235-242, doi: 10.1093/nar/28.1.235.

16. Sayle, R. A., and Milner-White, E. J. (1995) RASMOL: biomolecular graphics for all, Trends Biochem. Sci., 20, 374, doi: 10.1016/s0968-0004(00)89080-5.

17. Ballesteros, J. A., and Weinstein, H. (1995) Integrated methods for the construction of three-dimensional models and computational probing of structure-function relations in G protein-coupled receptors, in Methods in Neurosciences (Sealfon S. C., ed.) Academic Press, USA, pp. 366-428.

18. Warne, T., Moukhametzianov, R., Baker, J. G., Nehmé, R., Edwards, P. C., et al. (2011) The structural basis for agonist and partial agonist action on a β(1)-adrenergic receptor, Nature, 469, 241-244, doi: 10.1038/nature09746.

19. Warne, T., Edwards, P. C., Doré, A. S., Leslie, A. G. W., and Tate, C. G. (2019) Molecular basis for high-affinity agonist binding in GPCRs, Science, 364, 775-778, doi: 10.1126/science.aau5595.

20. Ring, A. M., Manglik, A., Kruse, A. C., Enos, M. D., Weis, W. I., et al. (2013) Adrenaline-activated structure of β2-adrenoceptor stabilized by an engineered nanobody, Nature, 502, 575-579, doi: 10.1038/nature12572.

21. Xu, X., Kaindl, J., Clark, M. J., Hübner, H., Hirata, K., et al. (2021) Binding pathway determines norepinephrine selectivity for the human β1AR over β2AR, Cell Res., 31, 569-579, doi: 10.1038/s41422-020-00424-2.

22. Lee, Y., Warne, T., Nehmé, R., Pandey, S., Dwivedi-Agnihotri, H., et al. (2020) Molecular basis of β-arrestin coupling to formoterol-bound β1-adrenoceptor, Nature, 583, 862-866, doi: 10.1038/s41586-020-2419-1.

23. Zhang, Y., Yang, F., Ling, S., Lv, P., Zhou, Y., et al. (2020) Single-particle cryo-EM structural studies of the β2AR-Gs complex bound with a full agonist formoterol, Cell Discov., 6, 4, doi: 10.1038/s41421-020-0176-9.

24. Yang, F., Ling, S. L., Zhou, Y. X., Zhang, Y. N., Lv, P., et al. (2021) Different conformational responses of the beta2-adrenergic receptor-Gs complex upon binding of the partial agonist salbutamol or the full agonist isoprenaline, Natl. Sci. Rev., 8, nwaa284, doi: 10.1093/nsr/nwaa284.

25. Masureel, M., Zou Y., Picard, L. P., Van der Westhuizen, E., Mahoney, J. P., et al. (2018) Structural insights into binding specificity, efficacy and bias of a β2AR partial agonist, Nat. Chem. Biol., 14, 1059-1066, doi: 10.1038/s41589-018-0145-x.

26. Rasmussen, S. G., DeVree, B. T., Zou, Y., Kruse, A. C., Chung, K. Y., et al. (2011) Crystal structure of the β2 adrenergic receptor-Gs protein complex, Nature, 477, 549-555, doi: 10.1038/nature10361.

27. Liu, X., Masoudi, A., Kahsai, A. W., Huang, L. Y., Pani, B., et al. (2019) Mechanism of β2AR regulation by an intracellular positive allosteric modulator, Science, 364, 1283-1287, doi: 10.1126/science.aaw8981.

28. Emtage, A. L., Mistry, S. N., Fischer, P. M., Kellam, B., and Laughton, C. A. (2017) GPCRs through the keyhole: the role of protein flexibility in ligand binding to β-adrenoceptors, J. Biomol. Struct. Dyn., 35, 2604-2619, doi: 10.1080/07391102.2016.1226197.

29. Wacker, D., Fenalti, G., Brown, M. A., Katritch, V., Abagyan, R., et al. (2010) Conserved binding mode of human beta2 adrenergic receptor inverse agonists and antagonist revealed by X-ray crystallography, J. Am. Chem. Soc., 132, 11443-11445, doi: 10.1021/ja105108q.

30. Ishchenko, A., Stauch, B., Han, G. W., Batyuk, A., Shiriaeva, A., et al. (2019) Toward G protein-coupled receptor structure-based drug design using X-ray lasers, IUCrJ, 24 (Pt 6), 1106-1119, doi: 10.1107/S2052252519013137.

31. Liu, X., Kaindl, J., Korczynska, M., Stößel, A., Dengler, D., Stanek, M., et al. (2020) An allosteric modulator binds to a conformational hub in the β2 adrenergic receptor, Nat. Chem. Biol., 16, 749-755, doi: 10.1038/s41589-020-0549-2.

32. Warne, T., Edwards, P. C., Leslie, A. G., and Tate, C. G. (2012) Crystal structures of a stabilized β1-adrenoceptor bound to the biased agonists bucindolol and carvedilol, Structure, 20, 841–849, doi: 10.1016/j.str.2012.03.014.

33. Moukhametzianov, R., Warne, T., Edwards, P. C., Serrano-Vega, M. J., Leslie, A. G., et al. (2011) Two distinct conformations of helix 6 observed in antagonist-bound structures of a beta1-adrenergic receptor, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 108, 8228-8232. doi: 10.1073/pnas.1100185108.

34. Rasmussen, S. G., Choi, H. J., Rosenbaum, D. M., Kobilka, T. S., Thian, F. S., et al. (2007) Crystal structure of the human beta2 adrenergic G-protein-coupled receptor, Nature, 450, 383-387, doi: 10.1038/nature06325.

35. Cherezov, V., Rosenbaum, D. M., Hanson, M. A., Rasmussen, S. G., Thian, F. S., et al. (2007) High-resolution crystal structure of an engineered human beta2-adrenergic G protein-coupled receptor, Science, 23, 1258-1265, doi: 10.1126/science.1150577.

36. Zou, Y., Weis, W. I., and Kobilka, B. K. (2012) N-terminal T4 lysozyme fusion facilitates crystallization of a G protein coupled receptor, PLoS One, 7, e46039, doi: 10.1371/journal.pone.0046039.

37. Huang, C. Y., Olieric, V., Ma, P., Howe, N., Vogeley, L., et al. (2016) In meso in situ serial X-ray crystallography of soluble and membrane proteins at cryogenic temperatures, Acta Crystallogr. D Struct. Biol.,72 (Pt 1), 93-112, doi: 10.1107/S2059798315021683.

38. Staus, D. P., Strachan, R. T., Manglik, A., Pani, B., Kahsai, A. W., et al. (2016) Allosteric nanobodies reveal the dynamic range and diverse mechanisms of G-protein-coupled receptor activation, Nature, 535, 448-452, doi: 10.1038/nature18636.

39. Warne, T., Serrano-Vega, M. J., Baker, J. G., Moukhametzianov, R., Edwards, P. C., et al. (2008) Structure of a beta1-adrenergic G-protein-coupled receptor, Nature, 454, 486-491, doi: 10.1038/nature07101.

40. Miller-Gallacher, J. L., Nehmé, R., Warne, T., Edwards, P. C., Schertler, G. F., et al. (2014) The 2.1 Å resolution structure of cyanopindolol-bound β1-adrenoceptor identifies an intramembrane Na+ ion that stabilises the ligand-free receptor, PLoS One, 9, e92727, doi: 10.1371/journal.pone.0092727.

41. Leslie, A. G., Warne, T., and Tate, C. G. (2015) Ligand occupancy in crystal structure of β1-adrenergic G protein-coupled receptor, Nat. Struct. Mol. Biol., 22, 941-942, doi: 10.1038/nsmb.3130.

42. Sato, T., Baker, J., Warne, T., Brown, G. A., Leslie, A. G., et al. (2015) Pharmacological analysis and structure determination of 7-methylcyanopindolol-bound β1-adrenergic receptor, Mol. Pharmacol., 88, 1024-1034, doi: 10.1124/mol.115.101030.

43. Hanson, M. A., Cherezov, V., Griffith, M. T., Roth, C. B., Jaakola, V. P., et al. (2008) A specific cholesterol binding site is established by the 2.8 Å structure of the human beta2-adrenergic receptor, Structure, 16, 897-905, doi: 10.1016/j.str.2008.05.001.

44. Rosenbaum, D. M., Zhang, C., Lyons, J. A., Holl, R., Aragao, D., et al. (2011) Structure and function of an irreversible agonist-β(2) adrenoceptor complex, Nature, 469, 236-240, doi: 10.1038/nature09665.

45. Conner, A. C., Barwell, J., Poyner, D. R., and Wheatley, M. (2011) The use of site-directed mutagenesis to study GPCRs, Methods Mol. Biol.,746, 85-98, doi: 10.1007/978-1-61779-126-0_5.

46. Rasmussen, S. G., Choi, H. J., Fung, J. J., Pardon, E., Casarosa, P., et al. (2011) Structure of a nanobody-stabilized active state of the β(2) adrenoceptor, Nature, 469, 175-180, doi: 10.1038/nature09648.

47. Chung, K. Y. (2013) Structural aspects of GPCR-G protein coupling, Toxicol. Res., 29, 149-155, doi: 10.5487/TR.2013.29.3.149.

48. Wu, Y., Zeng, L., and Zhao, S. (2021) Ligands of adrenergic receptors: a structural point of view, Biomolecules, 11, 936, doi: 10.3390/biom11070936.