Evolutionary identification of residues related to G protein coupling selectivity in aminergic gpcrs

Abstract

G protein kenetli reseptörler (GPCR) dört farklı G protein ailesiyle seçici bir şekilde etkileşme geçip aktifleşirler (Gs, Gi, Gq ve G12/13). Fakat, reseptörlerde bu seçiciliği belirleyen pozisyonlar ve G protein spesifik aktivasyon mekanizmaları yeterince ortaya çıkarılmamışır. Biz bu çalışmada aminerjik reseptörler ve onların ortologlarını evrimsel olarak inceleyip her bir G protein için özel olarak korunmuş pozisyonları tespit ettik. Ortaya çıkardığımız bu pozisyonları yapısal olarak incelediğimizde Gs, Gi1,Go ve Gq için spesifik aktivasyon mekanizmaları olduğunu tespit ettik. Bulduğumuz aktivasyon mekanizmalarının G protein seçiciliği ile ilişkili olduğunu göstermek için Gs spesifik mekanizmayı daha detaylı inceledik. Moleküler dinamik simülasyonlarının yardımıyla G7x41'in reseptör aktivasyonu ve Gs kenetlenme seçicilğini TM6'nın dışa doğru hareketini destekleyerek kontrol edebileceğini gösterdik. Son olarak, bulgularımızı sıralı aktivasyon anahtarları isimli, G protein ve reseptör arasındaki seçiciliği özetleyen bir modelde birleştirdik. Modelimiz GPCR aktivasyonunu açıkayan üç farklı anahtarı açıklıyor: ligand bağlanması, G protein seçici aktivasyon mekanizması ve G protein kontağı.

G protein-coupled receptors (GPCRs) are coupled to four different subfamilies of G proteins namely Gs, Gi, Gq, and G12/13, in a selective way. However, receptor-wide determinants of selective G protein coupling and G protein specific activation mechanisms remained under investigated. Here, we analyzed aminergic receptors and its orthologs from different phylogenetic levels to reveal positions that are specifically evolved and conserved for the receptors that are coupled to similar G proteins. By co-analyzing these evolutionary conserved amino acids with available structures of the receptors, we revealed specific activation mechanisms for Gs, Gi1, Go, and Gq. To verify that these pathways could play role in determining coupling selectivity we investigated Gs-specific activation mechanism further. By the help of molecular dynamics simulations, we demonstrated that G7x41 is important for receptor activation and it might determine Gs coupling selectivity by promoting outwards movement of TM6. Lastly, we summarized our findings into a model of G protein selectivity called `sequential switches of activation` explaning three major molecular switches controlling GPCR activation: ligand binding, G protein selective activation mechanisms, and G protein contact.