リケラボ論文検索は、全国の大学リポジトリにある学位論文・教授論文を一括検索できる論文検索サービスです。

リケラボ 全国の大学リポジトリにある学位論文・教授論文を一括検索するならリケラボ論文検索大学・研究所にある論文を検索できる

リケラボ 全国の大学リポジトリにある学位論文・教授論文を一括検索するならリケラボ論文検索大学・研究所にある論文を検索できる

大学・研究所にある論文を検索できる 「Cryo-EM Structure of the Prostaglandin E Receptor EP4 Coupled to G Protein」の論文概要。リケラボ論文検索は、全国の大学リポジトリにある学位論文・教授論文を一括検索できる論文検索サービスです。

コピーが完了しました

URLをコピーしました

論文の公開元へ論文の公開元へ
書き出し

Cryo-EM Structure of the Prostaglandin E Receptor EP4 Coupled to G Protein

Nojima, Shingo 京都大学 DOI:10.14989/doctor.k23113

2021.03.23

概要

プロスタグランジン(PG)は脂質の一種であるアラキドン酸から合成される細胞間シグナル伝達物質であり、炎症や女性生殖などの様々な生理現象に関わる。PG にはPGD2、 PGE2、PGF2α、PGI2 などの種類があり、それぞれを認識する受容体(DP1-2、EP1-4、 FP、IP)が存在する。これらの受容体は細胞外から PG を受容し、細胞内側に存在する G タンパク質にシグナルを受け渡す G タンパク質共役受容体(GPCR)である。G タンパク質はα サブユニット(Gα)、β サブユニット(Gβ)、γ サブユニット(Gγ)のヘテロ三量体(Gαβγ)を形成し、 主に Gα の種類が下流のシグナル伝達を決定する。PGE2 の受容体は EP1、EP2、EP3、EP4 の4種類が存在し、リガンドが同一でありながら共役するG タンパク質の種類が異なる。このうち EP4 ではGα の一種である Gs が主に結合する。EP4 は急性心不全、潰瘍性大腸炎、骨粗鬆症などの治療薬の対象であり、その作動薬(アゴニスト)の開発が進められている。先行研究では拮抗薬(アンタゴニスト)と結合した不活性型のEP4 および、PGE2 と結合したアゴニスト結合型のEP3 の構造が明らかにされているが、G タンパク質と結合した状態の PG 受容体の構造は解かれておらず、G タンパク質との結合様式は解明されていなかった。そこで本研究では EP4 の活性機構の解明を目的とし、EP4-Gs 複合体の構造解析を行った。

まずEP4、改変型Gs、Gβ-Gγ 二量体、複合体を安定化させるための一本鎖抗体(ナノボディ)Nb35 をそれぞれ発現・精製し、精製タンパク質と PGE2 を混合することで PGE2-EP4-Gsβγ-Nb35 複合体を作製した。この複合体をクライオ電子顕微鏡(Cryo-EM)で撮影したところ、5,743 枚の画像から全部で170,433 個の良好な粒子の二次元投影像が確認された。それらに対して単粒子解析を行うことで分解能3.3 Å の電子顕微鏡像を取得し、3 次元構造モデルを構築することに成功した。

得られた構造と不活性型 EP4 の構造を比較したところ、不活性型で観測されたリガンドの侵入経路と思われる溝が閉じていることが確認された。また EP4 の膜貫通ヘリックス6(TM6)が細胞内側で受容体の中心から外側に向けて開いた構造をしていた。これは構造既知の活性型GPCR に共通した特徴であり、G タンパク質のC 末端が結合する空間を形成していると考えられている。しかしながら、EP4 の TM6 の開き具合は他の GPCR-Gs 複合体よりも小さく、本来Gs のC 末端が結合している位置にTM6 が存在していた。一方で EP4 の TM7 は、他の GPCR-Gs 複合体よりも細胞内側で受容体中心から遠い位置に存在し、本来 TM7 がある位置で Gs のC 末端が EP4 と結合していた。これらの違いにより、これまで解明された GPCR-Gs 複合体の構造では存在しなかった、 TM2 と Gs のC 末端との結合が確認された。さらに Gs との結合残基を変異させた際のシグナル活性への影響を調べると、PG 受容体に保存された TM2 のフェニルアラニン(Phe54)がEP4 によるGs の活性化に重要であることが判明した。またTM7 の細胞内側にも PG 受容体で保存されたトリプトファン(Trp327)が存在し、外側に向いたこの側鎖がTM7 の開き方に関係することが示唆された。以上の結果から、G タンパク質との結合に関する EP4 のこれらの構造的特徴は、PG 受容体に共通していると考えられる。これらの知見は活性機構に基づいたEP4 作動薬の開発への応用が期待される。

この論文で使われている画像

参考文献

Adams, P.D., Afonine, P.V., Bunko´ czi, G., Chen, V.B., Davis, I.W., Echols, N., Headd, J.J., Hung, L.W., Kapral, G.J., Grosse-Kunstleve, R.W., et al. (2010). PHENIX: a comprehensive Python-based system for macromolecular struc- ture solution. Acta Crystallogr. Sect. D Biol. Crystallogr. 66, 213–221.

Afonine, P.V., Poon, B.K., Read, R.J., Sobolev, O.V., Terwilliger, T.C., Urzhumtsev, A., and Adams, P.D. (2018). Real-space refinement in PHENIX for cryo-EM and crystallography. Acta Crystallogr. Sect. D Struct. Biol. 74, 531–544.

Audet, M., and Stevens, R.C. (2019). Emerging structural biology of lipid G pro- tein-coupled receptors. Protein Sci. 28, 292–304.

Audet, M., White, K.L., Breton, B., Zarzycka, B., Han, G.W., Lu, Y., Gati, C., Batyuk, A., Popov, P., Velasquez, J., et al. (2019). Crystal structure of miso- prostol bound to the labor inducer prostaglandin E2 receptor. Nat. Chem. Biol. 15, 11–17.

Bao, X., Albu, D., Huang, K.-C., Wu, J., Twine, N., Nomoto, K., and Woodall- Jappe, M. (2015). Combination of EP4 antagonist and checkpoint inhibitors promotes anti-tumor effector T cells in preclinical tumor models. J. Immunother. Cancer 3, P350.

Bastien, L., Sawyer, N., Grygorczyk, R., Kathleen, M.M., and Adam, M. (1994). Cloning, functional expression, and characterization of the human prosta- glandin E, receptor EP2 subtype. J. Biol. Chem. 269, 11873–11877.

Cao, C., Tan, Q., Xu, C., He, L., Yang, L., Zhou, Y., Zhou, Y., Qiao, A., Lu, M., Yi, C., et al. (2018). Structural basis for signal recognition and transduction by platelet-activating-factor receptor. Nat. Struct. Mol. Biol. 25, 488–495.

Carpenter, B., and Tate, C.G. (2016). Engineering a minimal G protein to facil- itate crystallisation of G protein-coupled receptors in their active conformation. Protein Eng. Des. Sel. 29, 583–593.

Chrencik, J.E., Roth, C.B., Terakado, M., Kurata, H., Omi, R., Kihara, Y., Warshaviak, D., Nakade, S., Asmar-Rovira, G., Mileni, M., et al. (2015). Crystal structure of antagonist bound human lysophosphatidic acid receptor 1. Cell 161, 1633–1643.

Davis, I.W., Leaver-Fay, A., Chen, V.B., Block, J.N., Kapral, G.J., Wang, X., Murray, L.W., Arendall, W.B., Snoeyink, J., Richardson, J.S., et al. (2007). MolProbity: all-atom contacts and structure validation for proteins and nucleic acids. Nucleic Acids Res. 35, 375–383.

Emsley, P., and Cowtan, K. (2004). Coot: model-building tools for molecular graphics. Acta Crystallogr. Sect. D Biol. Crystallogr. 60, 2126–2132.

Fan, H., Chen, S., Yuan, X., Han, S., Zhang, H., Xia, W., Xu, Y., Zhao, Q., and Wu, B. (2019). Structural basis for ligand recognition of the human throm- boxane A2 receptor. Nat. Chem. Biol. 15, 27–33.

Fujino, H., and Regan, J.W. (2006). EP 4 prostanoid receptor coupling to a pertussis toxin-sensitive inhibitory G protein. Mol. Pharmacol. 69, 5–10.

Garcı´a-Nafrı´a, J., Lee, Y., Bai, X., Carpenter, B., and Tate, C.G. (2018). Cryo- EM structure of the adenosine A2A receptor coupled to an engineered hetero- trimeric G protein. eLife 7, e35946.

Gilman, A.G. (1987). G proteins: transducers of receptor-generated signals. Annu. Rev. Biochem. 56, 615–649.

Goddard, T.D., Huang, C.C., Meng, E.C., Pettersen, E.F., Couch, G.S., Morris, J.H., and Ferrin, T.E. (2018). UCSF ChimeraX: meeting modern challenges in visualization and analysis. Protein Sci. 27, 14–25.

Guan, Y., Stillman, B.A., Zhang, Y., Schneider, A., Saito, O., Davis, L.S., Redha, R., Breyer, R.M., and Breyer, M.D. (1996). Cloning and expression of the rabbit prostaglandin EP4 receptor. Am. J. Physiol. 270, F485–F493.

Gusach, A., Luginina, A., Marin, E., Brouillette, R.L., Besserer-Offroy, E´ ., Longpre´ , J.M., Ishchenko, A., Popov, P., Patel, N., Fujimoto, T., et al. (2019). Structural basis of ligand selectivity and disease mutations in cysteinyl leuko- triene receptors. Nat. Commun. 10, 5573.

Hanson, M.A., Roth, C.B., Jo, E., Griffith, M.T., Scott, F.L., Reinhart, G., Desale, H., Clemons, B., Cahalan, S.M., Schuerer, S.C., et al. (2012). Crystal structure of a lipid G protein-coupled receptor. Science 335, 851–855.

Hirata, T., and Narumiya, S. (2011). Prostanoid receptors. Chem. Rev. 111, 6209–6230.

Honda, A., Sugimoto, Y., Namba, T., Watabe, A., Irie, A., Negishi, M., Narumiya, S., and Ichikawa, A. (1993). Cloning and expression of a cDNA for mouse prostaglandin E receptor EP2 subtype. J. Biol. Chem. 268, 7759–7762.

Hori, T., Okuno, T., Hirata, K., Yamashita, K., Kawano, Y., Yamamoto, M., Hato, M., Nakamura, M., Shimizu, T., Yokomizo, T., et al. (2018). Na+- mimicking ligands stabilize the inactive state of leukotriene B4 receptor BLT1. Nat. Chem. Biol. 14, 262–269.

Hua, T., Vemuri, K., Pu, M., Qu, L., Han, G.W., Wu, Y., Zhao, S., Shui, W., Li, S., Korde, A., et al. (2016). Crystal structure of the human cannabinoid receptor CB1. Cell 167, 750–762.e14.

Hua, T., Vemuri, K., Nikas, S.P., Laprairie, R.B., Wu, Y., Qu, L., Pu, M., Korde, A., Jiang, S., Ho, J.H., et al. (2017). Crystal structures of agonist-bound human cannabinoid receptor CB1. Nature 547, 468–471.

Hua, T., Li, X., Wu, L., Iliopoulos-Tsoutsouvas, C., Wang, Y., Wu, M., Shen, L., Johnston, C.A., Nikas, S.P., Song, F., et al. (2020). Activation and signaling mechanism revealed by cannabinoid receptor-Gi complex structures. Cell 180, 655–665.e18.

Inoue, A., Ishiguro, J., Kitamura, H., Arima, N., Okutani, M., Shuto, A., Higashiyama, S., Ohwada, T., Arai, H., Makide, K., et al. (2012). TGFa shedding assay: an accurate and versatile method for detecting GPCR activation. Nat. Methods 9, 1021–2029.

Inoue, A., Raimondi, F., Kadji, F.M.N., Singh, G., Kishi, T., Uwamizu, A., Ono, Y., Shinjo, Y., Ishida, S., Arang, N., et al. (2019). Illuminating G-protein- coupling selectivity of GPCRs. Cell 177, 1933–1947.e25.

Kumar, K.K., Shalev-Benami, M., Robertson, M.J., Hu, H., Banister, S.D., Hollingsworth, S.A., Latorraca, N.R., Kato, H.E., Hilger, D., Maeda, S., et al. (2019). Structure of a signaling cannabinoid receptor 1-G protein complex. Cell 176, 448–458.e12.

Lin, X., Li, M., Wang, N., Wu, Y., Luo, Z., Guo, S., Han, G.W., Li, S., Yue, Y., Wei, X., et al. (2020). Structural basis of ligand recognition and self-activation of orphan GPR52. Nature 579, 152–157.

Luginina, A., Gusach, A., Marin, E., Mishin, A., Brouillette, R., Popov, P., Shiriaeva, A., Besserer-Offroy, E´ ., Longpre´ , J.M., Lyapina, E., et al. (2019). Structure-based mechanism of cysteinyl leukotriene receptor inhibition by antiasthmatic drugs. Sci. Adv. 5, 2518.

Morimoto, K., Suno, R., Hotta, Y., Yamashita, K., Hirata, K., Yamamoto, M., Narumiya, S., Iwata, S., and Kobayashi, T. (2019). Crystal structure of the endogenous agonist-bound prostanoid receptor EP3. Nat. Chem. Biol. 15, 8–10.

Nehme´ , R., Carpenter, B., Singhal, A., Strege, A., Edwards, P.C., White, C.F., Du, H., Grisshammer, R., and Tate, C.G. (2017). Mini-G proteins: novel tools for studying GPCRs in their active conformation. PLoS One 12, e0175642.

Pettersen, E.F., Goddard, T.D., Huang, C.C., Couch, G.S., Greenblatt, D.M., Meng, E.C., and Ferrin, T.E. (2004). UCSF Chimera—a visualization system for exploratory research and analysis. J. Comput. Chem. 25, 1605–1612.

Rasmussen, S.G.F., Devree, B.T., Zou, Y., Kruse, A.C., Chung, K.Y., Kobilka, T.S., Thian, F.S., Chae, P.S., Pardon, E., Calinski, D., et al. (2011). Crystal structure of the b2 adrenergic receptor-Gs protein complex. Nature 477, 549–555.

Rausch-Derra, L., Huebner, M., Wofford, J., and Rhodes, L. (2016). A prospec- tive, randomized, masked, placebo-controlled multisite clinical study of grapi- prant, an EP4 prostaglandin receptor antagonist (PRA), in dogs with osteoar- thritis. J. Vet. Intern. Med. 30, 756–763.

Rohou, A., and Grigorieff, N. (2015). CTFFIND4: fast and accurate defocus estimation from electron micrographs. J. Struct. Biol. 192, 216–221.

Sando, T., Usui, T., Tanaka, I., Mori, K., Sasaki, Y., Fukuda, Y., Namba, T., Sugimoto, Y., Ichikawa, A., Narumiya, S., et al. (1994). Molecular cloning and expression of rat prostaglandin E receptor EP2 subtype. Biochem. Biophys. Res. Commun. 200, 1329–1333.

Schorb, M., Haberbosch, I., Hagen, W.J.H., Schwab, Y., and Mastronarde, D.N. (2019). Software tools for automated transmission electron microscopy. Nat. Methods 16, 471–477.

Shao, Z., Yin, J., Chapman, K., Grzemska, M., Clark, L., Wang, J., and Rosenbaum, D.M. (2016). High-resolution crystal structure of the human CB1 cannabinoid receptor. Nature 540, 602–606.

Su, M., Zhu, L., Zhang, Y., Paknejad, N., Dey, R., Huang, J., Lee, M.-Y., Williams, D., Jordan, K.D., Eng, E.T., et al. (2020). Structural basis of the acti- vation of heterotrimeric Gs-protein by isoproterenol-bound b1-adrenergic re- ceptor. Mol. Cell. 80, 59–71.e4.

Taniguchi, R., Inoue, A., Sayama, M., Uwamizu, A., Yamashita, K., Hirata, K., Yoshida, M., Tanaka, Y., Kato, H.E., Nakada-Nakura, Y., et al. (2017). Structural insights into ligand recognition by the lysophosphatidic acid recep- tor LPA6. Nature 548, 356–360.

Toyoda, Y., Morimoto, K., Suno, R., Horita, S., Yamashita, K., Hirata, K., Sekiguchi, Y., Yasuda, S., Shiroishi, M., Shimizu, T., et al. (2019). Ligand bind- ing to human prostaglandin E receptor EP4 at the lipid-bilayer interface. Nat. Chem. Biol. 15, 18–26.

Trzaskowski, B., Latek, D., Yuan, S., Ghoshdastider, U., Debinski, A., and Filipek, S. (2012). Action of molecular switches in GPCRs—theoretical and experimental studies. Curr. Med. Chem. 19, 1090–1109.

Wang, L., Yao, D., Deepak, R.N.V.K., Liu, H., Xiao, Q., Fan, H., Gong, W., Wei, Z., and Zhang, C. (2018). Structures of the human PGD2 receptor CRTH2 reveal novel mechanisms for ligand recognition. Mol. Cell. 72, 48–59.

Ward, C.L., Jamieson, V., Nabata, T., Sharpe, J., Dozono, K., Suto, F., Hashimoto, Y., and Gussak, I. (2016). First clinical experience with ONO- 4232: a randomized, double-blind, placebo-controlled healthy volunteer study of a novel lusitropic agent for acutely decompensated heart failure. Clin. Ther. 38, 1109–1121.

Watanabe, Y., Murata, T., Amakawa, M., Miyake, Y., Handa, T., Konishi, K., Matsumura, Y., Tanaka, T., and Takeuchi, K. (2015). KAG-308, a newly-iden- tified EP4-selective agonist shows efficacy for treating ulcerative colitis and can bring about lower risk of colorectal carcinogenesis by oral administration. Eur. J. Pharmacol. 754, 179–189.

Yokoyama, U., Iwatsubo, K., Umemura, M., Fujita, T., and Ishikawa, Y. (2013). The prostanoid EP4 receptor and its signaling pathway. Pharmacol. Rev. 65, 1010–1052.

Yoshida, K., Oida, H., Kobayashi, T., Maruyama, T., Tanaka, M., Katayama, T., Yamaguchi, K., Segi, E., Tsuboyama, T., Matsushita, M., et al. (2002). Stimulation of bone formation and prevention of bone loss by prostaglandin E EP4 receptor activation. Proc. Natl. Acad. Sci. U S A 99, 4580–4585.

Zhang, Y., Yang, F., Ling, S., Lv, P., Zhou, Y., Fang, W., Sun, W., Zhang, L., Shi, P., and Tian, C. (2020). Single-particle cryo-EM structural studies of the b2AR- Gs complex bound with a full agonist formoterol. Cell Discov. 6, 45.

Zivanov, J., Nakane, T., Forsberg, B.O., Kimanius, D., Hagen, W.J.H., Lindahl, E., and Scheres, S.H.W. (2018). New tools for automated high-resolution cryo- EM structure determination in RELION-3. Elife 7, e42166.

参考文献をもっと見る

全国の大学の
卒論・修論・学位論文

一発検索!

この論文の関連論文を見る