Investigation of the intracellular loop 3 and allosteric mechanisms of β2-adrenergic among G-protein coupled receptors

G-protein kenetli reseptörler insan genomunda 700'den fazla gen ile kodlanmaktadır. G-protein kenetli reseptörler ortak 7 transmembran yapısı ve değişken hücre içi ve hücre dışı düğümlerden oluşur. Transmembran reseptörleri olarak, hücrelerin hücre dışı ile iletişimlerini sağladıkları birer kapı ve kapıcı görevi sürdürmektedirler. Bu nedenle G-protein kenetli reseptörlerin işleyiş mekanizmaları güncel bilimsel sorulardan biri olarak önemli bir yer kapsamaktadır. Bu çalışmada G-protein kenetli reseptörlerin takdimi, insan β2-adrenergic proteinin karakteristikleri ve β-adrenergic reseptörlerin doğal ligandının bağlanma afinitesi araştırılmıştır. Literatürde genellikle β2-Ar'ın üçüncü hücreiçi ilmiği yapılan çalışmalarda yoksayılmaktadır. Çalışmanın ilk ayağı olarak β2-Ar üçüncü hücreiçi ilmiğinin proteinin inaktif halinden aktif halindeki konformasyona geçişi için gerekli olan enerji hesaplanmıştır. ICL3 bölgesinin aktif olmayan konformasyondan aktif konformasyonuna getirilebilmesi için gereken enerji 1629 kJ/mol olarak hesaplanmış, G-protein bağlanmasından açığa çıkan enerjinin -1455 kJ/mol olduğu farklı bir moleküler simulasyon hesabı ile desteklendiği gözlemlenmiştir. Çalışmanın ikinci ayağı olarak rezidüler arası iletişim ağları korelasyon matrislerinin analizi üzerinden tespit edilmesi hedeflenmiştir. Allosteri analizinde β3-Ar proteinin lipid hucre zari içine gömülü halde simüle edildiği iki farklı gidişiz kullanılmıştır.Gidişizlerden bir tanesi 1 μs boyunca monomeric ve herhangi bir kısıtın bulunmadığı simülasyonun sonucunda, bir tanesi ise 500 ns boyunca reseptörün aktif durumundaki yapısı tanımlanmış olan Asp113 ve Ser207 arasında 8 Å kısıt uygulanarak ligand bağlanmasının mimic edildiği simülasyonun sonucunda elde edilmiştir. 1 μs simülasyon sonucunda, birinci hücreiçi ilmiğinin (ICL1), transmembrane 6'nın hücreiçi sonlanma bölgesiyle (Cys265, Lys267) iletişim halinde olduğu gözlemlenmiştir. Birinci hücreiçi ilmiğinde yer alan Thr66'nın proteinin lipid membrane içerisindeki stabilizasyonunda rol oynadığı ve Tyr123 (TM3) ve Ile154 (TM4) üzerinden işleyişini gerçekleştirdiği gözlemlenmiştir. Birinci hücredışı ilmiğinde yer alan Trp99'un ikinci hücre dışı düğümünde yer alan Cys191 ve transmembrane 5'in membrane bölgesinde bulunan Ile214 ile yine birinci hücredışı ilmiğinde yer alan Phe101'in transmembrane 6'nın hücredışı bölgesi ile transmembran 5'in hücreiçi kısmıyla korele olduğu gözlemlenmiştir. 500 ns süren ve ligand bağlanmasını mimic eden simülasyonda ise birinci hücredışı ilmiğinde yer alan Met98'in Phe61 (ICL1), Thr68 (transmembrane 2'nin hücreiçi sonu) ve Leu339 (sitoplazmik düğüm) ile iletişim halinde olduğu gözlemlenmiştir. Yine birinci hücre dışı ilmiğinde bulunan Gly102'nin ise Glu82 (TM2 membran bölgesi), Arg131 (TM3 hücreiçi sonu), Ser143 (ikinci hücre içi ilmiği) ve Phe223 (TM5 hücreiçi sonu) ile bir iletişim ağı kurduğu gözlemlenmiştir. Üçüncü iletişim ağı ise transmembrane 3'te bulunan Ile 135 ile Ala92 (TM hücredışı bölgesi), Val160, Leu163 (TM4 membran bölgesi) ve Ala202 (TM5 membran bölgesi) arasında olduğu gözlemlenmiştir. Elde edilen bulgular birinci hücreiçi ilmiğinin (ICL1) ligand tanıma sinyalleri ile ilintili iken ECL1'in protein stabilizasyonu ve hücre içi effektörlerin tanımlanmasında rol oynayabiliyor olacağını göstermektedir. Son olarak, epinephrine'in β-adrenergic reseptörleri arasında seçiciliği β2 > β3 > β1 olarak gözlemlenmiştir.