Структурные и функциональные исследования адгезионных рецепторов раскрывают внутренний механизм активации орфанных GPCR

G-белок-сопряжённые рецепторы (GPCR) играют ключевую роль в передаче клеточных сигналов и представляют собой крупнейшее семейство белков-мишеней для лекарств. Однако более 100 GPCR остаются орфанными рецепторами, чьи лиганды и пути передачи сигнала неизвестны, что ограничивает понимание их функций.

В исследовании, опубликованном в Nature 13 апреля, команда под руководством У Бэйли и Чжао Цяна из Шанхайского института Materia Medica (SIMM) Китайской академии наук в сотрудничестве с группой Шуй Вэньцина из Шанхайского университета науки и технологий совершила прорыв в этой области. Учёные определили четыре криоэлектронно-микроскопические (крио-ЭМ) структуры двух адгезионных рецепторов, ADGRD1 и ADGRF1, в комплексе с G-белками и провели обширные функциональные исследования.

Адгезионные GPCR (aGPCR), включающие 33 рецептора, участвуют в иммунных ответах, развитии органов и клеточной коммуникации и связаны с такими заболеваниями, как шизофрения и рак. Большинство в этом семействе — орфанные рецепторы, что затрудняет разработку лекарств.

ADGRD1 и ADGRF1 были признаны онкогенами при различных раках, но их механизмы активации оставались неясными. Решённые структуры комплексов ADGRD1 и ADGRF1 с G-белками раскрыли уникальные особенности передачи сигнала. Исследователи обнаружили, что сегмент между внеклеточным (ECD) и трансмембранным (TMD) доменами рецептора, известный как «стебель» (stalk), действует как тетhered-агонист.

Стебель активирует рецептор, взаимодействуя с его TMD, что приводит к конформационным изменениям трансмембранных спиралей и последующему связыванию G-белка. Эта структурная особенность ранее не наблюдалась ни у одного GPCR и подчёркивает уникальность механизма сигналинга семейства aGPCR.

В отличие от других GPCR, aGPCR имеют протяжённый N-концевой ECD, содержащий различные адгезионные домены и высококонсервативный GAIN-домен. Большинство aGPCR подвергаются автопротеолизу в сайте GPS внутри GAIN-домена, в результате чего образуются два нековалентно связанных фрагмента. Сегмент между GPS и TMD — это стебель.

Структуры ADGRD1 и ADGRF1, связанных с G-белком, показывают, что стебель диссоциирует от GAIN-домена и проникает в связывающий карман внутри TMD. Это демонстрирует важность конформационной перестройки стебля для активации рецептора.

Ранее считалось, что автопротеолиз способствует диссоциации стебля и активации рецептора. Однако мутанты ADGRD1 и ADGRF1, дефицитные по протеолизу, показали уровень активности, аналогичный дикому типу. Более того, структура такого мутанта ADGRF1 в комплексе с G-белком показала аналогичный режим взаимодействия стебля с TMD. Эти данные убедительно свидетельствуют, что автопротеолиз не требуется для активации рецептора.

Несмотря на низкое сходство последовательностей в TMD ADGRD1 и ADGRF1, оба рецептора взаимодействуют со своими стеблями схожим образом, что предполагает консервативный паттерн связывания стебля с TMD у разных aGPCR.

Дальнейший анализ структур выявил каскад кластеров взаимодействий внутри TMD рецептора, который передаёт вызванные стеблем конформационные изменения от внеклеточной области к внутриклеточной. Функциональные исследования подтвердили важность этих взаимодействий: мутации в их ядрах существенно нарушают передачу сигнала. Эти молекулярные детали могут облегчить разработку лекарств, нацеленных на эти два aGPCR.

Ещё одним важным открытием стало то, что естественная липидная молекула специфически связывается с ADGRF1 и модулирует его функцию. С помощью липидомического анализа молекула была идентифицирована как лизофосфатидилхолин (LPC). Функциональные данные показывают, что LPC способствует активации рецептора, стабилизируя его в активном состоянии. Это первый случай ассоциации лиганда LPC с GPCR, что важно для модуляции функции рецептора.

Это исследование впервые раскрывает ключевые молекулярные факторы, управляющие внутренней активацией адгезионных рецепторов, давая важное понимание механизма передачи сигнала в этом семействе GPCR и предлагая новые возможности для дизайна лекарств.