Strukturelle und funktionelle Studien von Adhäsionsrezeptoren offenbaren intrinsische Aktivierungsmechanismen von Orphan-GPCRs

G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCRs) spielen eine entscheidende Rolle bei der Signaltransduktion in Zellen und bilden die größte Zielproteinfamilie für Arzneimittel. Trotz neuerer Durchbrüche bei strukturellen und pharmakologischen Studien dieser Rezeptoren bleiben mehr als 100 GPCRs Orphan-Rezeptoren, dh ihre Liganden und Signalwege sind unbekannt. Dies schränkt das vollständige Verständnis der physiologischen Funktionen und Signalmechanismen der GPCR-Superfamilie ein. Als „Neuland“ der Arzneimittelforschung bieten Orphan-Rezeptoren somit neue Möglichkeiten für die Arzneimittelentwicklung, indem sie als potenzielle Arzneimittelziele dienen.

In einer Studie veröffentlicht in Natur Am 13. April gelang einem Forschungsteam unter der Leitung von Wu Beili und Zhao Qiang vom Shanghai Institute of Materia Medica (SIMM) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in Zusammenarbeit mit einer Gruppe unter der Leitung von Shui Wenqing von der ShanghaiTech University ein Durchbruch auf diesem Gebiet von Orphan-Rezeptoren durch die Bestimmung von vier kryo-elektronenmikroskopischen (Kryo-EM) Strukturen von zwei Adhäsionsrezeptoren, ADGRD1 und ADGRF1, im Komplex mit G-Proteinen und durch die Durchführung umfangreicher funktioneller Studien.

Adhäsions-GPCRs (aGPCRs), die 33 Rezeptoren umfassen, sind an einer Vielzahl von physiologischen Prozessen wie Immunantworten, Organentwicklung und Zellkommunikation beteiligt. Diese Rezeptoren sind an vielen Krankheiten beteiligt, einschließlich Schizophrenie und Krebs. Die aGPCR-Familie ist jedoch bei weitem die am wenigsten verstandene Klasse von GPCRs, wobei Orphan-Rezeptoren die Mehrheit der Familie darstellen, was die Arzneimittelentdeckung behindert.

ADGRD1 und ADGRF1 waren beide als Onkogene bei verschiedenen Krebsarten erkannt worden, aber ihre Aktivierungs- und Modulationsmechanismen waren noch schwer fassbar. Diesmal machten die Forscher jedoch aufregende Fortschritte, indem sie die komplexen Strukturen von ADGRD1 und ADGRF1, die an G-Proteine ​​​​gebunden sind, lösten. Diese Strukturen offenbaren viele einzigartige Merkmale der Rezeptorsignaltransduktion und Funktionsmodulation. Insbesondere fanden die Forscher heraus, dass ein Segment zwischen der extrazellulären Domäne (ECD) und der Transmembrandomäne (TMD) des Rezeptors – bekannt als „Stiel“ – als angebundener Agonist fungiert.

Der Stiel aktiviert den Rezeptor, indem er mit dem Rezeptor TMD interagiert, was zu Konformationsänderungen der Transmembranhelices und anschließender G-Protein-Kopplung führt. Dieses Strukturmerkmal wurde in keiner anderen GPCR-Struktur beobachtet und unterstreicht die Einzigartigkeit des Signalmechanismus der aGPCR-Familie.

Im Gegensatz zu anderen GPCRs haben die aGPCRs eine erweiterte N-terminale ECD, die verschiedene Adhäsionsdomänen und eine gut konservierte GPCR-Autoproteolyse-induzierende (GAIN) Domäne enthält. Die meisten aGPCRs werden an einer hochkonservierten GPCR-Proteolysestelle (GPS) in der GAIN-Domäne autoproteolytisch gespalten, was zu zwei nicht kovalent assoziierten Fragmenten führt.

Das Segment zwischen GPS und TMD ist der Stiel. Die G-Protein-gebundenen Strukturen von ADGRD1 und ADGRF1 zeigen, dass der Stiel von der GAIN-Domäne dissoziiert und dann in eine Bindungstasche innerhalb der TMD eindringt. Dieser Befund demonstriert die Bedeutung der konformativen Umordnung des Stiels bei der Rezeptoraktivierung.

Ursprünglich wurde angenommen, dass die Autoproteolyse die Stieldissoziation und die Rezeptoraktivierung erleichtert. Die Proteolyse-defizienten Mutanten von ADGRD1 und ADGRF1 zeigten jedoch ein Wildtyp-Aktivitätsniveau. Noch interessanter ist, dass die Forscher die G-Protein-gebundene Struktur des Proteolyse-defizienten ADGRF1 bestimmten und einen Stiel-TMD-Wechselwirkungsmodus beobachteten, der dem im selbstgespaltenen Rezeptor ähnlich war. Diese Daten implizieren stark, dass Autoproteolyse für die Rezeptoraktivierung nicht erforderlich ist.

Trotz geringer Sequenzähnlichkeit in den TMD-Regionen von ADGRD1 und ADGRF1 passen diese beiden Rezeptoren ihre Stiele durch ähnliche Wechselwirkungen an, was auf ein konserviertes Stiel-TMD-Bindungsmuster in verschiedenen aGPCRs hindeutet.

Eine weitere Untersuchung der Strukturen offenbarte eine Kaskade von Interaktionsclustern innerhalb des Rezeptor-TMD, die Stiel-induzierte Konformationsänderungen in der extrazellulären Region des Rezeptors auf die intrazelluläre Seite weiterleitet. Die Bedeutung dieser Interaktionen wird durch funktionelle Studien unterstützt, die zeigen, dass Mutationen innerhalb der Interaktionskerne die Rezeptorsignalisierung wesentlich beeinträchtigen. Diese molekularen Details würden die Arzneimittelentwicklung erleichtern, die auf diese beiden aGPCRs abzielt.

Ein weiteres wichtiges Ergebnis dieser Studie ist, dass ein natürliches Lipidmolekül spezifisch an ADGRF1 bindet und die Rezeptorfunktion moduliert. Mittels Lipidomics-Analyse wurde dieses Lipidmolekül als Lysophosphatidylcholin (LPC) identifiziert. Unterstützt durch funktionelle Daten erleichtert das LPC-Molekül die Rezeptoraktivierung, indem es den Rezeptor im aktiven Zustand stabilisiert. Dies ist der erste Fall, in dem ein LPC-Ligand mit einem GPCR assoziiert ist, und ist wichtig für die Modulation der Rezeptorfunktion.

Diese Studie deckt zum ersten Mal molekulare Schlüsselfaktoren auf, die die intrinsische Aktivierung von Adhäsionsrezeptoren steuern, und liefert so wesentliche Einblicke in den Signaltransduktionsmechanismus dieser GPCR-Familie und bietet neue Hinweise für das Design und die Entdeckung von Arzneimitteln.