Gタンパク質共役型受容体b2ARのシグナル選択性を制御する動的構造基盤の解明

2022 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 21H02619
• 研究機関: 国立研究開発法人理化学研究所
• 研究代表者: 今井 駿輔 国立研究開発法人理化学研究所, 生命機能科学研究センター, 上級研究員 (20894413)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2024-03-31
• キーワード: GPCR / 溶液NMR / バイアスリガンド

研究実績の概要

昨年度までに帰属を行ったLeuのアミド基由来シグナル、Alaのメチル基由来シグナルの解析の結果、バランスリガンドであるisoproterenol結合状態とアレスチンバイアスリガンドであるisoetharine結合状態ではリガンド結合部近傍および細胞内側の残基に化学シフト差が観測されることが示されていた。今年度は、メチオニンメチル基の解析を行った。その結果、両リガンド結合状態では膜貫通領域中央に存在するM82に0.06ppmの顕著な化学シフト変化があることが示された。これまでのバランスリガンド結合状態での解析から、M82を含む領域はNMRの化学シフト差よりも速いタイムスケールと遅いタイムスケールの化学交換が関わる3状態間の構造平衡にあり、その存在比によって活性を規定することが示されている。以上のことから、isoetharineは、リガンド結合部、膜貫通領域中央部、細胞内側領域に渡る分子全体の構造平衡をisoproterenol結合時とは変調することによってバイアスシグナル活性を発揮することが示された。これまでに報告されているb2ARの立体構造解析の結果から、b2ARへのisoproterenolおよびisoetharine結合状態では、isoetharineのエチル基が細胞外側に突出し、F193と接触すると予想される。そこで、この接触を軽減することを目的としてF193をTrpに置換したF193W変異体を作製し、そのGタンパク質活性可能を解析したところ、F193W変異体は、isoproterenol結合状態においても野生型のieostharine結合時と同等のGタンパク質活性化能しか示さないことが明らかとなった。このことは、b2ARのバイアスシグナル伝達に、リガンド結合部位細胞外側の領域が関わることを示している。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

Isoproterenol結合状態とisoetharine結合状態においてb2ARの立体構造に大きな差があることを示すような化学シフト差がLeu, Ala, Metのいずれにおいても観測されなかった一方で、構造平衡を反映するプローブであるM82に顕著な化学シフト差が見出されたことから、両リガンドの活性の際が構造平衡の変調に起因することが明らかとなった。さらに、リガンド結合部位の構造とリガンドの分子構造を比較することによって、isoproterenolとisoetharineの活性の差に関わる重要な残基F193を同定することに成功したため、研究は当初計画通り順調に進展しているといえる。

今後の研究の推進方策

リガンドがb2ARの動的構造を変化させる機構を明らかとするため、F193をTrp以外の残基にも変異させ、活性やNMRスペクトルの違いを評価する。これらの情報を統合することによって、リガンド結合によるb2ARのどのような変化が細胞内側の動的構造を変化させるのか、その機構を解明する。さらに、その理解の実証のため、変異導入などによって予想される動的構造平衡の変化とそれに対応するシグナル選択性が観測されることを確認し、これを制御するための方針を示す。

研究成果

• [雑誌論文] Function-Related Conformational Dynamics of GPCRs Revealed by Solution NMR (2022)
  • 著者名/発表者名: UEDA Takumi、KOFUKU Yutaka、TAKEUCHI Koh、IMAI Shunsuke、SHIRAISHI Yutaro、SHIMADA Ichio
  • 雑誌名: Nihon Kessho Gakkaishi 巻: 64 ページ: 279～284
  • DOI: 10.5940/jcrsj.64.279
• [学会発表] Structural equilibrium underlying ligand-dependent activation of beta2-adrenoreceptor (2023)
  • 著者名/発表者名: Shunsuke Imai
  • 学会等名: IPR x RIKEN (BDR) Symposium 2023
• [学会発表] Gタンパク質共役受容体（GPCR）の作動薬・拮抗薬をスクリーニングするネイティブ質量分析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 田尻 道子、今井 駿輔、小沼 剛、島本 啓子、嶋田 一夫、明石 知子
  • 学会等名: 第70回質量分析総合討論会
• [学会発表] Structural equilibrium underlying ligand-dependent activation of b2-adrenoreceptor (2022)
  • 著者名/発表者名: Shunsuke Imai, Tomoki Yokomizo, Yutaka Kofuku, Yutaro Shiraishi, Takumi Ueda, Ichio Shimada
  • 学会等名: 29th International Conference on Magnetic Resonance in Biological Systems
  • 国際学会
• [学会発表] Activation mechanism of the μ-opioid receptor by an allosteric modulator (2022)
  • 著者名/発表者名: Shun Kaneko, Shunsuke Imai, Nobuaki Asao, Yutaka Kofuku, Takumi Ueda, Ichio Shimada
  • 学会等名: the 29th International Conference on Magnetic Resonance in Biological Systems
  • 国際学会
• [学会発表] Structural equilibrium underlying ligand-dependent activation of beta2-adrenoreceptor (2022)
  • 著者名/発表者名: Shunsuke Imai
  • 学会等名: The 7th International Symposium on Drug Discovery and Design by NMR
  • 国際学会
• [学会発表] ミューオピオイド受容体のアロステリックモジュレーターによる活性化機構の解明 (2022)
  • 著者名/発表者名: 金子 舜、今井 駿輔、浅尾 信央、幸福 裕、上田 卓見、嶋田 一夫
  • 学会等名: 第61回NMR討論会
• [学会発表] Gタンパク質共役型受容体b2ARのリガンド依存的活性化機構 (2022)
  • 著者名/発表者名: 今井 駿輔、横溝 智貴、幸福 裕、白石 勇太郎、上田 卓見、嶋田 一夫
  • 学会等名: 第61回NMR討論会
• [学会発表] ネイティブ質量分析によるGタンパク質共役受容体（GPCR）の作動薬・拮抗薬スクリーニング (2022)
  • 著者名/発表者名: 田尻 道子、今井 駿輔、小沼 剛、島本 啓子、嶋田 一夫、明石 知子
  • 学会等名: 第95回日本生化学会大会