触媒部位変異はGタンパク質活性化の複数の状態を付与する

SCIENCE SIGNALING
14 Feb 2023 Vol 16, Issue 772
DOI: 10.1126/scisignal.abq7842

Natalie Hewitt¹, Ning Ma², Nadia Arang^{3, 4}, Sarah A. Martin¹, Ajit Prakash⁵, Jeffrey F. DiBerto¹, Kevin M. Knight¹, Soumadwip Ghosh^{2, †}, Reid H. J. Olsen^{1, ‡}, Bryan L. Roth¹, J. Silvio Gutkind^{3, 4, *}, Nagarajan Vaidehi^{2, *}, Sharon L. Campbell^{5, 6, *}, Henrik G. Dohlman^{1, *}

1. ¹ Department of Pharmacology, University of North Carolina at Chapel Hill, Chapel Hill, NC 27599, USA.
2. ² Department of Computational and Quantitative Medicine, Beckman Research Institute of the City of Hope, Duarte, CA 91010, USA.
3. ³ Department of Pharmacology, University of California, San Diego, San Diego, CA 92093, USA.
4. ⁴ Moores Cancer Center, University of California, San Diego, La Jolla, CA 92093, USA.
5. ⁵ Department of Biochemistry and Biophysics, University of North Carolina at Chapel Hill, Chapel Hill, NC 27599, USA.
6. ⁶ Lineberger Comprehensive Cancer Center, University of North Carolina at Chapel Hill, Chapel Hill, NC 27599, USA.

^† Present address: Illumina Inc., 5200 Illumina Way, San Diego, CA 92037, USA.

^‡ Present address: GPCR Pharmacology, Discovery Biology, Exscientia AI, Oxford OX4 4GE, UK.

^* Corresponding author. Email: sgutkind@health.ucsd.edu (J.S.G.); nvaidehi@coh.org (N.V.); campbesl@med.unc.edu (S.L.C.); hdohlman@med.unc.edu (H.G.D.)

Gαタンパク質の活性状態

リガンドがGPCRに結合すると、α-サブユニットでのGTPによるGDPの置換と、その後のGβγからのGαの解離により、Gタンパク質が活性化される。保存されたグルタミン残基に依存するGαのGTPase活性は、GTPをGDPに加水分解し、それによりGタンパク質を不活性化する。触媒グルタミン残基のまれな突然変異がいくつかのGタンパク質に構成的活性を付与することに注目して、Hewittらは、この残基を複数のGタンパク質αサブユニットの他のすべての可能な残基に変異させた効果を解析した。生化学的、機能的、および構造的解析を通じて、著者らは、調べた可能性のあるすべての変異体がGTPase活性を示さなかった一方で、すべてが構成的に活性であったわけではなく、一部はGPCRによってさらに活性化または阻害される能力を保持し、一部は依然としてGβγに結合することを示した。さらに、異なる突然変異により、複数の活性状態のコンフォメーションが生成された。これらのデータは、この保存されたグルタミン残基の役割が触媒作用を超えてGタンパク質の構造と機能を調節することを示唆している。-JFF

要約

細胞増殖と代謝の分子スイッチとして機能するヘテロ三量体のグアニンヌクレオチド結合タンパク質（Gタンパク質）は、GTPによって活性化され、GTP加水分解によって不活性化される。ブドウ膜黒色腫では、Gタンパク質αサブユニットのGTP加水分解に重要な保存されたグルタミン残基が、Gα_qまたはGα₁₁でロイシンまたはプロリンに変異していることがしばしばある。対照的に、他のグルタミン変異または他のGαサブタイプの変異はまれである。遺伝的選択の機構とこのグルタミン残基の機能的役割を明らかにするために、複数のGαアイソフォームにおけるこの残基のすべての可能な置換を解析した。活性の細胞ベースの測定により、いくつかの変異体がGタンパク質共役受容体によってさらに活性化および不活性化されることを示した。生化学、分子動力学、および核磁気共鳴に基づく構造解析を通じて、Gα変異体が、共通してGTPを加水分解不能であるにもかかわらず、機能的に異なり、コンフォメーションが多様であることを示した。したがって、触媒グルタミン残基は、GTP加水分解を超えた機能に寄与し、これらの機能には、受容体媒介サブユニット解離のサブタイプ特異的なアロステリック調節が含まれる。われわれは、Gタンパク質が単純なオンオフスイッチとして機能しないと結論付ける。むしろ、シグナル伝達は活性状態の集合体から発生し、そのサブセットは疾患で好まれ、受容体指向性リガンドに独自に応答する可能性がある。