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Time-resolved cryo-EM of G protein activation by a GPCR
bioRxiv - Pharmacology and Toxicology Pub Date : 2023-03-21 , DOI: 10.1101/2023.03.20.533387
Makaía M. Papasergi-Scott, Guillermo Pérez-Hernández, Hossein Batebi, Yang Gao, Gözde Eskici, Alpay B. Seven, Ouliana Panova, Daniel Hilger, Marina Casiraghi, Feng He, Luis Maul, Peter Gmeiner, Brian K. Kobilka, Peter W. Hildebrand, Georgios Skiniotis

G protein-coupled receptors (GPCRs) activate heterotrimeric G proteins by stimulating the exchange of guanine nucleotide in the G alpha subunit. To visualize this mechanism, we developed a time-resolved cryo-EM approach that examines the progression of ensembles of pre-steady-state intermediates of a GPCR-G protein complex. Using variability analysis to monitor the transitions of the stimulatory Gs protein in complex with the beta 2-adrenergic receptor (beta 2AR) at short sequential time points after GTP addition, we identified the conformational trajectory underlying G protein activation and functional dissociation from the receptor. Twenty transition structures generated from sequential overlapping particle subsets along this trajectory, compared to control structures, provide a high-resolution description of the order of events driving G protein activation upon GTP binding. Structural changes propagate from the nucleotide-binding pocket and extend through the GTPase domain, enacting alterations to G alpha Switch regions and the alpha 5 helix that weaken the G protein-receptor interface. Molecular dynamics (MD) simulations with late structures in the cryo-EM trajectory support that enhanced ordering of GTP upon closure of the alpha-helical domain (AHD) against the nucleotide-bound Ras-homology domain (RHD) correlates with irreversible alpha 5 helix destabilization and eventual dissociation of the G protein from the GPCR. These findings also highlight the potential of time-resolved cryo-EM as a tool for mechanistic dissection of GPCR signaling events.

中文翻译:

GPCR 激活 G 蛋白的时间分辨冷冻电镜

G 蛋白偶联受体 (GPCR) 通过刺激 G α 亚基中鸟嘌呤核苷酸的交换来激活异三聚体 G 蛋白。为了可视化这种机制,我们开发了一种时间分辨冷冻电镜方法,用于检查 GPCR-G 蛋白复合物的前稳态中间体的整体进展。使用可变性分析来监测刺激性 Gs 蛋白与 β2-肾上腺素能受体 (β2AR) 复合物在 GTP 添加后的短连续时间点的转变,我们确定了 G 蛋白激活和功能与受体分离的构象轨迹。与控制结构相比,从沿该轨迹的顺序重叠粒子子集生成的 20 个过渡结构,提供对 GTP 结合后驱动 G 蛋白激活的事件顺序的高分辨率描述。结构变化从核苷酸结合口袋传播并延伸通过 GTPase 域,对 G alpha 开关区域和削弱 G 蛋白受体界面的 alpha 5 螺旋进行改变。低温 EM 轨迹中具有晚期结构的分子动力学 (MD) 模拟支持在 alpha 螺旋结构域 (AHD) 关闭时增强 GTP 的排序与核苷酸结合的 Ras 同源结构域 (RHD) 与不可逆的 alpha 5 螺旋相关G 蛋白与 GPCR 的不稳定和最终解离。这些发现还强调了时间分辨冷冻电镜作为 GPCR 信号事件机制剖析工具的潜力。结构变化从核苷酸结合口袋传播并延伸通过 GTPase 域,对 G alpha 开关区域和削弱 G 蛋白受体界面的 alpha 5 螺旋进行改变。低温 EM 轨迹中具有晚期结构的分子动力学 (MD) 模拟支持在 alpha 螺旋结构域 (AHD) 关闭时增强 GTP 的排序与核苷酸结合的 Ras 同源结构域 (RHD) 与不可逆的 alpha 5 螺旋相关G 蛋白与 GPCR 的不稳定和最终解离。这些发现还强调了时间分辨冷冻电镜作为 GPCR 信号事件机制剖析工具的潜力。结构变化从核苷酸结合口袋传播并延伸通过 GTPase 域,对 G alpha 开关区域和削弱 G 蛋白受体界面的 alpha 5 螺旋进行改变。低温 EM 轨迹中具有晚期结构的分子动力学 (MD) 模拟支持在 alpha 螺旋结构域 (AHD) 关闭时增强 GTP 的排序与核苷酸结合的 Ras 同源结构域 (RHD) 与不可逆的 alpha 5 螺旋相关G 蛋白与 GPCR 的不稳定和最终解离。这些发现还强调了时间分辨冷冻电镜作为 GPCR 信号事件机制剖析工具的潜力。改变 G alpha 开关区域和削弱 G 蛋白受体界面的 alpha 5 螺旋。低温 EM 轨迹中具有晚期结构的分子动力学 (MD) 模拟支持在 alpha 螺旋结构域 (AHD) 关闭时增强 GTP 的排序与核苷酸结合的 Ras 同源结构域 (RHD) 与不可逆的 alpha 5 螺旋相关G 蛋白与 GPCR 的不稳定和最终解离。这些发现还强调了时间分辨冷冻电镜作为 GPCR 信号事件机制剖析工具的潜力。改变 G alpha 开关区域和削弱 G 蛋白受体界面的 alpha 5 螺旋。低温 EM 轨迹中具有晚期结构的分子动力学 (MD) 模拟支持在 alpha 螺旋结构域 (AHD) 关闭时增强 GTP 的排序与核苷酸结合的 Ras 同源结构域 (RHD) 与不可逆的 alpha 5 螺旋相关G 蛋白与 GPCR 的不稳定和最终解离。这些发现还强调了时间分辨冷冻电镜作为 GPCR 信号事件机制剖析工具的潜力。低温 EM 轨迹中具有晚期结构的分子动力学 (MD) 模拟支持在 alpha 螺旋结构域 (AHD) 关闭时增强 GTP 的排序与核苷酸结合的 Ras 同源结构域 (RHD) 与不可逆的 alpha 5 螺旋相关G 蛋白与 GPCR 的不稳定和最终解离。这些发现还强调了时间分辨冷冻电镜作为 GPCR 信号事件机制剖析工具的潜力。低温 EM 轨迹中具有晚期结构的分子动力学 (MD) 模拟支持在 alpha 螺旋结构域 (AHD) 关闭时增强 GTP 的排序与核苷酸结合的 Ras 同源结构域 (RHD) 与不可逆的 alpha 5 螺旋相关G 蛋白与 GPCR 的不稳定和最终解离。这些发现还强调了时间分辨冷冻电镜作为 GPCR 信号事件机制剖析工具的潜力。
更新日期:2023-03-22
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