活性化されたヒトκ-オピオイド受容体のフルGiタンパク質とMP1104アゴニストの原子レベルの構造

The atomistic level structure for the activated human κ-opioid receptor bound to the full Gi protein and the MP1104 agonist.

• Amirhossein Mafi
• Soo-Kyung Kim
• William A Goddard

抄録

カッパオピオイド受容体(κOR)は、既存の薬剤のうつ病や他の有害な副作用を軽減するための疼痛治療薬の重要なターゲットである。鎮痛活性は、アデニルシクラーゼ阻害性のGiタンパク質ファミリーを介したκORシグナル伝達によって媒介されている。ここでは、ヘテロ三量体Giタンパク質とMP1104アゴニストとの複合体であるκORの活性状態の三次元構造を報告します。この構造は、活性化されたGiタンパク質とナノボディを置換した後のκOR-MP1104の3.1Å X線構造と、168個の欠落した残基を置換した後のμOR-Gi複合体の3.5Å低温電子顕微鏡構造から始まる長分子動力学(MD)とメタ動力学(メタMD)のシミュレーションから得られたものです。MDとメタMDを用いて、2つの細胞内ループとκORの膜貫通ヘリックス6への強力なアンカーを持つGiタンパク質との相互作用を発見しました。これらのアンカーは結合を強化し、結合ポケットの収縮に寄与しますが、Gタンパク質を収容するためにκORの細胞質領域の拡張に寄与します。このようなκOR の構造変化は、アンカーが活性化に必須であることを明らかにしました。

The kappa opioid receptor (κOR) is an important target for pain therapeutics to reduce depression and other harmful side effects of existing medications. The analgesic activity is mediated by κOR signaling through the adenylyl cyclase-inhibitory family of Gi protein. Here, we report the three-dimensional (3D) structure for the active state of human κOR complexed with both heterotrimeric Gi protein and MP1104 agonist. This structure resulted from long molecular dynamics (MD) and metadynamics (metaMD) simulations starting from the 3.1-Å X-ray structure of κOR-MP1104 after replacing the nanobody with the activated Gi protein and from the 3.5-Å cryo-EM structure of μOR-Gi complex after replacing the 168 missing residues. Using MD and metaMD we discovered interactions to the Gi protein with strong anchors to two intracellular loops and transmembrane helix 6 of the κOR. These anchors strengthen the binding, contributing to a contraction in the binding pocket but an expansion in the cytoplasmic region of κOR to accommodate G protein. These remarkable changes in κOR structure reveal that the anchors are essential for activation.