Autorregulação da sinalização GPCR através da terceira alça intracelular

Nature volume 615, páginas 734–741 (2023)Cite este artigo

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A terceira alça intracelular (ICL3) da dobra do receptor acoplado à proteína G (GPCR) é importante para o processo de transdução de sinal a jusante da ativação do receptor . Apesar disso, a falta de uma estrutura definida do ICL3, combinada com a sua alta divergência de sequências entre os GPCRs, complica a caracterização do seu envolvimento na sinalização do receptor . Estudos anteriores com foco no receptor β2 adrenérgico (β2AR) sugerem que o ICL3 está envolvido no processo estrutural de ativação e sinalização do receptor5,6,7. Aqui derivamos insights mecanísticos sobre o papel da ICL3 na sinalização β2AR, observando que a ICL3 autorregula a atividade do receptor através de um equilíbrio conformacional dinâmico entre estados que bloqueiam ou expõem o sítio de ligação à proteína G do receptor. Demonstramos a importância deste equilíbrio para a farmacologia do receptor, mostrando que os efetores miméticos da proteína G influenciam os estados expostos da ICL3 para ativar alostericamente o receptor. Nossas descobertas revelam adicionalmente que o ICL3 ajusta a especificidade da sinalização inibindo o acoplamento do receptor aos subtipos de proteína G que se acoplam fracamente ao receptor. Apesar da diversidade de sequências do ICL3, demonstramos que este mecanismo negativo de seleção da proteína G através do ICL3 se estende aos GPCRs em toda a superfamília, expandindo a gama de mecanismos conhecidos pelos quais os receptores medeiam a sinalização seletiva do subtipo da proteína G. Além disso, nossas descobertas coletivas sugerem ICL3 como um sítio alostérico para ligantes específicos de receptores e vias de sinalização.

O acúmulo de dados estruturais está permitindo cada vez mais o mapeamento de resolução atômica dos mecanismos de ativação dos GPCRs. Este pequeno detalhe pode ser usado para projetar agentes terapêuticos que tenham como alvo GPCRs específicos implicados em diversos estados de doença8. Embora a ativação do GPCR seja melhor compreendida através de alterações conformacionais nas sete hélices transmembranares do receptor, os domínios terminais e de alça que conectam essas hélices também são críticos para a função e regulação do receptor em um contexto celular9. Devido à inacessibilidade destas regiões aos métodos estruturais tradicionais, falta uma visão sobre como elas contribuem para os mecanismos de sinalização do GPCR. A caracterização focada da dinâmica dessas regiões refinaria nossa compreensão de seus papéis na sinalização de GPCR, com potencial para identificar novas estratégias terapêuticas .

Aqui nos concentramos no ICL3, que é a maior das três alças intracelulares em muitos GPCRs classe A, variando de 10 a 240 aminoácidos em tamanho. O ICL3 conecta as hélices transmembrana cinco e seis, que são responsáveis ​​pelas mudanças estruturais entre os estados inativo e ativo do receptor, e é adjacente ao sítio de ligação ao efetor de sinalização do receptor. A localização física do ICL3 corrobora um grande conjunto de estudos de mutagênese que implicam esta região na ativação e sinalização do receptor (Tabela Suplementar 1). No entanto, as alterações na farmacologia do receptor após a mutagênese do ICL3 variam amplamente entre os receptores, bem como entre as localizações dos locais mutados em receptores individuais (Extended Data Fig. 1). Dada esta falta de consenso, os mecanismos pelos quais o ICL3 influencia a ativação do receptor através dos receptores permanecem pouco compreendidos. Isto é exacerbado pela diversidade de sequências do ICL3, mesmo entre receptores intimamente relacionados11. Além disso, a desordem intrínseca prevista e a falta de resolução estrutural do ICL3 na maioria das estruturas publicadas limitam a caracterização estrutura-função . Neste estudo, abordamos esta lacuna de conhecimento avançando uma estrutura conceitual fundamental para o papel do ICL3 na sinalização GPCR.

Focamos nosso estudo mecanístico inicial no ICL3 de β2AR, um protótipo estrutural para estudo de GPCR . A modelagem molecular de β2AR sugere que seu ICL3 pode ser compactado na cavidade intracelular do receptor, regulando potencialmente a ativação de efetores de sinalização a jusante do receptor5. Foi proposto que esta conformação compactada de ICL3 se comunica alostericamente com o domínio extracelular do receptor, levando a uma coordenação estreita entre o estado de ativação do receptor e a conformação de ICL3 . Paralelamente, a mutagênese do ICL3 altera a dinâmica conformacional do receptor, medida por espectroscopia de RMN de 19F6. Com esses insights como base, pretendemos construir um modelo mecanístico para a função ICL3 na ativação e sinalização de β2AR, determinando seu conjunto conformacional.