cAMP生成の空間バイアスがPTH 1型受容体活性化に対する生物学的応答を決定する

SCIENCE SIGNALING
5 Oct 2021 Vol 14, Issue 703
DOI: 10.1126/scisignal.abc5944

Alex D. White^1,2,†, Karina A. Peña^1,†, Lisa J. Clark^1,3,†,‡, Christian Santa Maria⁴, Shi Liu⁵, Frédéric G. Jean-Alphonse^1,†,§, Ji Young Lee⁶, Saifei Lei^1,†,||, Zhiqiang Cheng⁴, Chia-Ling Tu⁴, Fei Fang^1,†,¶, Nicholas Szeto⁴, Thomas J. Gardella⁷, Kunhong Xiao¹, Samuel H. Gellman⁵, Ivet Bahar⁶, Ieva Sutkeviciute¹, Wenhan Chang^4,*, Jean-Pierre Vilardaga^1,*

1. ¹ Department of Pharmacology and Chemical Biology, School of Medicine, University of Pittsburgh, Pittsburgh, PA 15261, USA.
2. ² Graduate Program in Molecular Pharmacology, School of Medicine, University of Pittsburgh, Pittsburgh, PA 15261, USA.
3. ³ Graduate Program in Molecular Biology and Structural Biology, School of Medicine, University of Pittsburgh, Pittsburgh, PA 15261, USA.
4. ⁴ Endocrine Research Unit, Department of Veterans Affairs Medical Center, and University of California, San Francisco, CA 94158, USA.
5. ⁵ Department of Chemistry, University of Wisconsin-Madison, Madison, WI 53706, USA.
6. ⁶Department of Computational and Systems Biology, University of Pittsburgh School of Medicine, Pittsburgh, PA 15260, USA. 7Endocrine Unit, Massachusetts General Hospital and Harvard Medical School, Boston, MA 02114, USA.

* Corresponding author. Email: jpv@pitt.edu (J.-P.V.); wenhan.chang@ucsf.edu (W.C.)

†These authors contributed equally to this work.

‡ Present address: Department of Biological Chemistry, University of California, Los Angeles, CA 90095, USA.

§ Present address: Physiologie de la Reproduction et des Comportements (PRC), Institut National de Recherche pour l'Agriculture, l'Alimentation et l'Environnement (INRAE), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut Français du Cheval et de l'Equitation (IFCE), Université de Tours, 37380 Nouzilly, France.

|| Present address: Center for Pharmacogenetics, University of Pittsburgh, School of Pharmacy, Pittsburgh, PA 15261, USA.

¶ Present address: Department of Chemistry, Michigan State University, MI 48824, USA.

要約

副甲状腺ホルモン（PTH）1型受容体（PTHR）は、ミネラルイオン、ビタミンD、骨恒常性を調節するクラスBのGタンパク質共役受容体（GPCR）である。PTHによるPTHRの活性化は、一過性の細胞表面cAMP産生と持続性のエンドソームcAMP産生の両方を誘導する。PTHRに誘導されるcAMPの空間次元（部位）または時間次元（期間）が別個の生物学的転帰をコードするかどうかを検討するために、われわれは細胞膜でのcAMP産生を誘発するがエンドソームでのcAMP産生は誘発しない偏ったPTHRリガンド（PTH^7d）を設計した。PTH^7dは、βアレスチンとPTHRの共役を損なわせることによって、細胞膜での持続的cAMPシグナル伝達を媒介する活性PTHR特有の立体構造を安定化した。細胞およびマウスの実験では、活性ビタミンDの形成を触媒する律速ヒドロキシラーゼの存在量、活性ビタミンDおよびCa²⁺の循環量の増加、マウスにおける骨形成の促進に対する持続性エンドソームcAMP産生の薬理学的作用を、細胞表面PTHRによる持続性cAMP産生は模倣しないことが明らかになった。このように、同等の期間に細胞膜とエンドソームという異なる細胞部位でPTHRによって生成された同等量のcAMPが、別個の生理的応答を媒介する。これらの結果は、細胞内シグナル伝達部位がPTHRに媒介される生物学的転帰における特異性を獲得するための手段となることを明らかにし、GPCRシグナル伝達の時空間的操作に基づくラショナルドラッグデザインの見通しを高めるものである。

Citation: A. D. White, K. A. Peña, L. J. Clark, C. S. Maria, S. Liu, F. G. Jean-Alphonse, J. Y. Lee, S. Lei, Z. Cheng, C.-L. Tu, F. Fang, N. Szeto, T. J. Gardella, K. Xiao, S. H. Gellman, I. Bahar, I. Sutkeviciute, W. Chang, J.-P. Vilardaga, Spatial bias in cAMP generation determines biological responses to PTH type 1 receptor activation. Sci. Signal. 14, eabc5944 (2021).