Exploring functional motions of muscarinic acetylcholine M2 receptor

Abstract

G-protein bağlı reseptörler (GPRs) en büyük sinyal protein ailesidir ve bu yüzden işleyiş mekanızmalarının altında yatan dinamik etkenlerin anlaşılması ilaç tasarımında büyük bir öneme sahiptir. Bu güne kadar yapılan pek çok çalışma olmasına rağmen, inaktif ve aktif yapılar arasında gerçekleşen kolektif konformasyonel değişimlerin özellikleri ve dinamikleri hala belirsizdir. Bu çalışmada, G-protein bağlı reseptörler ailesine ait olan Muskarinik asetilkolin M2 reseptörünün aktivasyon mekanızması ANM-LD metodu kullanılarak aydınlatılmaya çalışılmıştır. ANM-LD metodu, Anizotropik ağyapı modelinin (ANM) yavaş modlarının Langevin Dinamiği (LD) simülasyonları ile yönlen-dirilmesiyle elde edilen hibrit bir metoddur. M2 reseptörünün aktivasyon mekanızma-sının anlaşılması için inaktif yapı (3UON), başlangıç yapısı olarak kullanılarak aktif yapıya (4MQS, 4MQT) ulaşılması hedeflenmiştir ve iki yapı arasında oluşturulan geçiş patikaları proteinin iç dinamiği kullanılarak incelenmiştir. Çalışmada belirli kolektif modların aktivasyon mekanizmasında etkin rol aldıkları ve bu modların hareketi hedef yapı doğrultusunda yönlendirdiği; aynı zamanda bu modlara ait menteşe rezidülerinin bilinen fonksiyonel rezidüler (DRY ve NPxxY motifleri, R121 ve E382 arasındaki tuz köprüsü, R121 ve T386 rezidüleri arasındaki mesafe (TM3-TM6 uzaklığı)) ile örtüştüğü sonucuna varılmıştır. Ayrıca transmembran domainlerin arasında yer alan hidrofobik bölgelerin, fonksiyonel öneme sahip rezidülerin yaptığı konformasyonel geçişlerle örtüştüğü ve su girişine izin verdiği; böylece aktivasyon için önemli olan sürekli su patikasının oluşabildiği görülmüştür.

G-Protein Coupled Receptors (GPCRs) are the largest family of signaling proteins and a better understanding of dynamics underlying functional mechanism is essential in drug design. Although many studies have been performed to date, characterizing conformational changes and dynamics in-between inactive and active states remains elusive. Here, the activation mechanism of Muscarinic acetylcholine receptor M2, which belongs to the GPCRs family and responsible from decreasing heart rate to normal rhythm by inhibiting cAMP (cyclic adenosine mono phosphate), has been explored by ANM-LD computational methodology that combines anisotropic network model (ANM) with all-atom Langevin dynamics (LD) simulations. The predicted physically plausible multiple conformational transition pathways from the inactive (3UON) towards the active states (4MQS, 4MQT) disclosed the dynamic determinants underlying the M2's activation process. It was observed that certain collective ANM modes are essential for the activation and the hinge sites that coordinate the motion defined by these modes of motion aligns with the known functional important sites acting as molecular switches such as (DRY and NPxxY motifs, TM3-TM6 distance, salt bridge between R121 and E382). Furthermore, the two hydrophobic layers in TM domains display the coupling of the conformational changes with these switches and the continuous water pathway from extracellular side through intracellular side providing a continuous path from the ligand binding site to the G-protein binding site in the activation.