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1.
Nat Commun ; 12(1): 6805, 2021 11 23.
Artigo em Inglês | MEDLINE | ID: mdl-34815401

RESUMO

GPR158, a class C orphan GPCR, functions in cognition, stress-induced mood control, and synaptic development. Among class C GPCRs, GPR158 is unique as it lacks a Venus flytrap-fold ligand-binding domain and terminates Gαi/o protein signaling through the RGS7-Gß5 heterodimer. Here, we report the cryo-EM structures of GPR158 alone and in complex with one or two RGS7-Gß5 heterodimers. GPR158 dimerizes through Per-Arnt-Sim-fold extracellular and transmembrane (TM) domains connected by an epidermal growth factor-like linker. The TM domain (TMD) reflects both inactive and active states of other class C GPCRs: a compact intracellular TMD, conformations of the two intracellular loops (ICLs) and the TMD interface formed by TM4/5. The ICL2, ICL3, TM3, and first helix of the cytoplasmic coiled-coil provide a platform for the DHEX domain of one RGS7 and the second helix recruits another RGS7. The unique features of the RGS7-binding site underlie the selectivity of GPR158 for RGS7.


Assuntos
Subunidades beta da Proteína de Ligação ao GTP/ultraestrutura , Proteínas RGS/ultraestrutura , Receptores Acoplados a Proteínas G/ultraestrutura , Microscopia Crioeletrônica , Subunidades beta da Proteína de Ligação ao GTP/genética , Subunidades beta da Proteína de Ligação ao GTP/isolamento & purificação , Subunidades beta da Proteína de Ligação ao GTP/metabolismo , Células HEK293 , Humanos , Proteínas RGS/genética , Proteínas RGS/isolamento & purificação , Proteínas RGS/metabolismo , Receptores Acoplados a Proteínas G/genética , Receptores Acoplados a Proteínas G/isolamento & purificação , Receptores Acoplados a Proteínas G/metabolismo , Proteínas Recombinantes/genética , Proteínas Recombinantes/isolamento & purificação , Proteínas Recombinantes/metabolismo , Proteínas Recombinantes/ultraestrutura
2.
Nat Struct Mol Biol ; 28(3): 258-267, 2021 03.
Artigo em Inglês | MEDLINE | ID: mdl-33633398

RESUMO

G-protein-coupled receptors (GPCRs) are the largest superfamily of transmembrane proteins and the targets of over 30% of currently marketed pharmaceuticals. Although several structures have been solved for GPCR-G protein complexes, few are in a lipid membrane environment. Here, we report cryo-EM structures of complexes of neurotensin, neurotensin receptor 1 and Gαi1ß1γ1 in two conformational states, resolved to resolutions of 4.1 and 4.2 Å. The structures, determined in a lipid bilayer without any stabilizing antibodies or nanobodies, reveal an extended network of protein-protein interactions at the GPCR-G protein interface as compared to structures obtained in detergent micelles. The findings show that the lipid membrane modulates the structure and dynamics of complex formation and provide a molecular explanation for the stronger interaction between GPCRs and G proteins in lipid bilayers. We propose an allosteric mechanism for GDP release, providing new insights into the activation of G proteins for downstream signaling.


Assuntos
Microscopia Crioeletrônica , Proteínas Heterotriméricas de Ligação ao GTP/metabolismo , Proteínas Heterotriméricas de Ligação ao GTP/ultraestrutura , Bicamadas Lipídicas , Nanoestruturas/química , Receptores de Neurotensina/metabolismo , Receptores de Neurotensina/ultraestrutura , Regulação Alostérica , Subunidades alfa Gi-Go de Proteínas de Ligação ao GTP/química , Subunidades alfa Gi-Go de Proteínas de Ligação ao GTP/metabolismo , Subunidades alfa Gi-Go de Proteínas de Ligação ao GTP/ultraestrutura , Subunidades beta da Proteína de Ligação ao GTP/química , Subunidades beta da Proteína de Ligação ao GTP/metabolismo , Subunidades beta da Proteína de Ligação ao GTP/ultraestrutura , Subunidades gama da Proteína de Ligação ao GTP/química , Subunidades gama da Proteína de Ligação ao GTP/metabolismo , Subunidades gama da Proteína de Ligação ao GTP/ultraestrutura , Guanosina Difosfato/metabolismo , Proteínas Heterotriméricas de Ligação ao GTP/química , Humanos , Bicamadas Lipídicas/química , Bicamadas Lipídicas/metabolismo , Micelas , Modelos Moleculares , Neurotensina/química , Neurotensina/metabolismo , Conformação Proteica , Receptores de Neurotensina/química , Transdução de Sinais
3.
FEBS J ; 288(8): 2490-2501, 2021 04.
Artigo em Inglês | MEDLINE | ID: mdl-33085809

RESUMO

G protein-coupled receptors (GPCRs) represent a major group of drug targets with tremendous pharmacological value. Signals arising from GPCRs are primarily transduced via two functional components of their corresponding G proteins, the Gα subunit and the Gßγ dimer that dissociate from each other upon activation of the heterotrimer (Gαßγ). The Gßγ dimer has become an increasingly popular subject in GPCR signaling, owing to its numerous effectors and notable roles in signal integration. Because Gßγ dimers participate in a wide range of intracellular processes that regulate cellular physiology, they are often implicated in the pathology of various diseases. Yet, one caveat to the current 'Dissociation Model' on GPCR signaling is that unequivocal Gßγ signals are biasedly detected with Gi/o -coupled receptors, while Gßγ signals from Gs - or Gq -coupled receptors seem to play an auxiliary role. In this review, we revisit the evidence for or against the 'Dissociation Model' and discuss in detail several hypotheses that may explain such disparity and provide alternative interpretations to accommodate the 'biased Gßγ signals' observed in different biological systems. The issue of whether unique combinations of Gßγ dimer can confer signaling specificity is also discussed in the context of physiological relevance.


Assuntos
Subunidades beta da Proteína de Ligação ao GTP/genética , Subunidades gama da Proteína de Ligação ao GTP/genética , Proteínas de Ligação ao GTP/genética , Receptores Acoplados a Proteínas G/genética , Subunidades beta da Proteína de Ligação ao GTP/ultraestrutura , Subunidades gama da Proteína de Ligação ao GTP/ultraestrutura , Proteínas de Ligação ao GTP/ultraestrutura , Humanos , Multimerização Proteica/genética , Processamento de Proteína Pós-Traducional/genética , Receptores Acoplados a Proteínas G/ultraestrutura , Transdução de Sinais/genética
4.
Elife ; 82019 06 28.
Artigo em Inglês | MEDLINE | ID: mdl-31251171

RESUMO

One of the largest membrane protein families in eukaryotes are G protein-coupled receptors (GPCRs). GPCRs modulate cell physiology by activating diverse intracellular transducers, prominently heterotrimeric G proteins. The recent surge in structural data has expanded our understanding of GPCR-mediated signal transduction. However, many aspects, including the existence of transient interactions, remain elusive. We present the cryo-EM structure of the light-sensitive GPCR rhodopsin in complex with heterotrimeric Gi. Our density map reveals the receptor C-terminal tail bound to the Gß subunit of the G protein, providing a structural foundation for the role of the C-terminal tail in GPCR signaling, and of Gß as scaffold for recruiting Gα subunits and G protein-receptor kinases. By comparing available complexes, we found a small set of common anchoring points that are G protein-subtype specific. Taken together, our structure and analysis provide new structural basis for the molecular events of the GPCR signaling pathway.


Assuntos
Subunidades alfa de Proteínas de Ligação ao GTP/ultraestrutura , Subunidades beta da Proteína de Ligação ao GTP/ultraestrutura , Subunidades gama da Proteína de Ligação ao GTP/ultraestrutura , Rodopsina/ultraestrutura , Animais , Bovinos , Microscopia Crioeletrônica , Subunidades beta da Proteína de Ligação ao GTP/metabolismo , Complexos Multiproteicos/ultraestrutura , Ligação Proteica , Rodopsina/metabolismo
5.
Nat Commun ; 10(1): 2008, 2019 05 01.
Artigo em Inglês | MEDLINE | ID: mdl-31043612

RESUMO

G protein-gated inwardly rectifying potassium channel (GIRK) plays a key role in regulating neurotransmission. GIRK is opened by the direct binding of the G protein ßγ subunit (Gßγ), which is released from the heterotrimeric G protein (Gαßγ) upon the activation of G protein-coupled receptors (GPCRs). GIRK contributes to precise cellular responses by specifically and efficiently responding to the Gi/o-coupled GPCRs. However, the detailed mechanisms underlying this family-specific and efficient activation are largely unknown. Here, we investigate the structural mechanism underlying the Gi/o family-specific activation of GIRK, by combining cell-based BRET experiments and NMR analyses in a reconstituted membrane environment. We show that the interaction formed by the αA helix of Gαi/o mediates the formation of the Gαi/oßγ-GIRK complex, which is responsible for the family-specific activation of GIRK. We also present a model structure of the Gαi/oßγ-GIRK complex, which provides the molecular basis underlying the specific and efficient regulation of GIRK.


Assuntos
Canais de Potássio Corretores do Fluxo de Internalização Acoplados a Proteínas G/ultraestrutura , Subunidades alfa Gi-Go de Proteínas de Ligação ao GTP/ultraestrutura , Subunidades beta da Proteína de Ligação ao GTP/ultraestrutura , Subunidades gama da Proteína de Ligação ao GTP/ultraestrutura , Ativação do Canal Iônico/fisiologia , Técnicas de Transferência de Energia por Ressonância de Bioluminescência , Canais de Potássio Corretores do Fluxo de Internalização Acoplados a Proteínas G/metabolismo , Subunidades alfa Gi-Go de Proteínas de Ligação ao GTP/isolamento & purificação , Subunidades alfa Gi-Go de Proteínas de Ligação ao GTP/metabolismo , Subunidades beta da Proteína de Ligação ao GTP/isolamento & purificação , Subunidades beta da Proteína de Ligação ao GTP/metabolismo , Subunidades gama da Proteína de Ligação ao GTP/isolamento & purificação , Subunidades gama da Proteína de Ligação ao GTP/metabolismo , Células HEK293 , Humanos , Modelos Moleculares , Ressonância Magnética Nuclear Biomolecular , Proteínas Recombinantes/isolamento & purificação , Proteínas Recombinantes/metabolismo , Proteínas Recombinantes/ultraestrutura
6.
Nature ; 567(7746): 127-131, 2019 03.
Artigo em Inglês | MEDLINE | ID: mdl-30814734

RESUMO

The GABAB (γ-aminobutyric acid type B) receptor is one of the principal inhibitory neurotransmitter receptors in the brain, and it signals through heterotrimeric G proteins to activate a variety of effectors, including G-protein-coupled inwardly rectifying potassium channels (GIRKs)1,2. GABAB-receptor signalling is tightly regulated by auxiliary subunits called KCTDs, which control the kinetics of GIRK activation and desensitization3-5. However, the mechanistic basis for KCTD modulation of GABAB signalling remains incompletely understood. Here, using a combination of X-ray crystallography, electron microscopy, and functional and biochemical experiments, we reveal the molecular details of KCTD binding to both GABAB receptors and G-protein ßγ subunits. KCTDs associate with the receptor by forming an asymmetric pentameric ring around a region of the receptor carboxy-terminal tail, while a second KCTD domain, H1, engages in a symmetric interaction with five copies of Gßγ in which the G-protein subunits also interact directly with one another. We further show that KCTD binding to Gßγ is highly cooperative, defining a model in which KCTD proteins cooperatively strip G proteins from GIRK channels to induce rapid desensitization following receptor activation. These results provide a framework for understanding the molecular basis for the precise temporal control of GABAB signalling by KCTD proteins.


Assuntos
Peptídeos e Proteínas de Sinalização Intracelular/química , Proteínas do Tecido Nervoso/química , Proteínas/química , Receptores de GABA-B/química , Receptores de GABA-B/metabolismo , Transdução de Sinais , Cristalografia por Raios X , Canais de Potássio Corretores do Fluxo de Internalização Acoplados a Proteínas G/química , Canais de Potássio Corretores do Fluxo de Internalização Acoplados a Proteínas G/metabolismo , Subunidades beta da Proteína de Ligação ao GTP/química , Subunidades beta da Proteína de Ligação ao GTP/metabolismo , Subunidades beta da Proteína de Ligação ao GTP/ultraestrutura , Subunidades gama da Proteína de Ligação ao GTP/química , Subunidades gama da Proteína de Ligação ao GTP/metabolismo , Subunidades gama da Proteína de Ligação ao GTP/ultraestrutura , Humanos , Microscopia Eletrônica , Modelos Biológicos , Modelos Moleculares , Proteínas do Tecido Nervoso/ultraestrutura , Ligação Proteica , Domínios Proteicos , Proteínas/metabolismo , Proteínas/ultraestrutura , Receptores de GABA-B/ultraestrutura
7.
Proc Natl Acad Sci U S A ; 112(8): 2413-8, 2015 Feb 24.
Artigo em Inglês | MEDLINE | ID: mdl-25675501

RESUMO

G-protein signaling depends on the ability of the individual subunits of the G-protein heterotrimer to assemble into a functional complex. Formation of the G-protein ßγ (Gßγ) dimer is particularly challenging because it is an obligate dimer in which the individual subunits are unstable on their own. Recent studies have revealed an intricate chaperone system that brings Gß and Gγ together. This system includes cytosolic chaperonin containing TCP-1 (CCT; also called TRiC) and its cochaperone phosducin-like protein 1 (PhLP1). Two key intermediates in the Gßγ assembly process, the Gß-CCT and the PhLP1-Gß-CCT complexes, were isolated and analyzed by a hybrid structural approach using cryo-electron microscopy, chemical cross-linking coupled with mass spectrometry, and unnatural amino acid cross-linking. The structures show that Gß interacts with CCT in a near-native state through interactions of the Gγ-binding region of Gß with the CCTγ subunit. PhLP1 binding stabilizes the Gß fold, disrupting interactions with CCT and releasing a PhLP1-Gß dimer for assembly with Gγ. This view provides unique insight into the interplay between CCT and a cochaperone to orchestrate the folding of a protein substrate.


Assuntos
Proteínas de Transporte/química , Chaperonina com TCP-1/química , Subunidades beta da Proteína de Ligação ao GTP/química , Subunidades gama da Proteína de Ligação ao GTP/química , Proteínas do Tecido Nervoso/química , Multimerização Proteica , Aminoácidos/metabolismo , Animais , Benzofenonas , Proteínas de Transporte/ultraestrutura , Chaperonina com TCP-1/ultraestrutura , Reagentes de Ligações Cruzadas/metabolismo , Microscopia Crioeletrônica , Subunidades beta da Proteína de Ligação ao GTP/ultraestrutura , Subunidades gama da Proteína de Ligação ao GTP/ultraestrutura , Humanos , Espectrometria de Massas , Modelos Moleculares , Proteínas do Tecido Nervoso/ultraestrutura , Fenilalanina/análogos & derivados , Estrutura Secundária de Proteína
8.
Hippocampus ; 23(12): 1231-45, 2013 Dec.
Artigo em Inglês | MEDLINE | ID: mdl-23804514

RESUMO

In the hippocampus, signaling through G protein-coupled receptors is modulated by Regulators of G protein signaling (Rgs) proteins, which act to stimulate the rate of GTP hydrolysis, and consequently, G protein inactivation. The R7-Rgs subfamily selectively deactivates the G(i/o)-class of Gα subunits that mediate the action of several GPCRs. Here, we used co-immunoprecipitation, electrophysiology and immunoelectron microscopy techniques to investigate the formation of macromolecular complexes and spatial relationship of Rgs7/Gß5 complexes and its prototypical signaling partners, the GABAB receptor and Girk channel. Co-expression of recombinant GABAB receptors and Girk channels in combination with co-immunoprecipitation experiments established that the Rgs7/Gß5 forms complexes with GABAB receptors or Girk channels. Using electrophysiological experiments, we found that GABAB -Girk current deactivation kinetics was markedly faster in cells coexpressing Rgs7/Gß5. At the electron microscopic level, immunolabeling for Rgs7 and Gß5 proteins was found primarily in the dendritic layers of the hippocampus and showed similar distribution patterns. Immunoreactivity was mostly localized along the extrasynaptic plasma membrane of dendritic shafts and spines of pyramidal cells and, to a lesser extent, to that of presynaptic terminals. Quantitative analysis of immunogold particles for Rgs7 and Gß5 revealed an enrichment of the two proteins around excitatory synapses on dendritic spines, virtually identical to that of Girk2 and GABAB1 . These data support the existence of macromolecular complexes composed of GABAB receptor-G protein-Rgs7-Girk channels in which Rgs7 and Gß5 proteins may preferentialy modulate GABAB receptor signaling through the deactivation of Girk channels on dendritic spines. In contrast, Rgs7 and Girk2 were associated but mainly segregated from GABAB1 in dendritic shafts, where Rgs7/Gß5 signaling complexes might modulate Girk-dependent signaling via a different metabotropic receptor(s).


Assuntos
Região CA1 Hipocampal/citologia , Canais de Potássio Corretores do Fluxo de Internalização Acoplados a Proteínas G/metabolismo , Subunidades beta da Proteína de Ligação ao GTP/metabolismo , Neurônios/metabolismo , Proteínas RGS/metabolismo , Receptores de GABA/metabolismo , Animais , Biofísica , Linhagem Celular Transformada , Espinhas Dendríticas/metabolismo , Espinhas Dendríticas/ultraestrutura , Estimulação Elétrica , Canais de Potássio Corretores do Fluxo de Internalização Acoplados a Proteínas G/genética , Subunidades beta da Proteína de Ligação ao GTP/genética , Subunidades beta da Proteína de Ligação ao GTP/ultraestrutura , Humanos , Imageamento Tridimensional , Imunoprecipitação , Potenciais da Membrana/efeitos dos fármacos , Potenciais da Membrana/genética , Camundongos , Microscopia Imunoeletrônica , Neurônios/ultraestrutura , Técnicas de Patch-Clamp , Proteínas RGS/genética , Proteínas RGS/ultraestrutura , Receptores de GABA/genética , Receptores de GABA/ultraestrutura , Transfecção
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