Molecaular mechanisms underlying the activation of muscarinic M1-, M3- and M5-receptors by the membrane potential
Anatomy and Physiology
Final Report Abstract
Muskarinische Rezeptoren (MR) für Acetylcholin (ACh) werden nach Binden eines orthosterischen Agonisten aktiviert. Neuere Untersuchungen zeigen, dass ihre Funktion auch durch das Membranpotential moduliert wird. Dieses Forschungsprojekt hat die Aktivität von M1R und M3R in zellulären Experimenten mit Hilfe eines optischen Biosensors für die Gq-Proteinaktivierung bei verschiedenen Membranpotentialen analysiert. Zusätzlich wurde das Aktivierungsverhalten der Rezeptoren mit Hilfe von Molecular Dynamics (MD) Simulationen untersucht. Folgende neue Erkenntnisse zur Spannungsabhängigkeit von MR sind aus dem Projekt gewonnen worden: (1) Das Membranpotential wirkt auf die Rezeptorfunktion unter Beteiligung der extrazellulären allosterischen Seite. Die Analyse der Spannungsabhängigkeit von Rezeptorchimären, bei denen diese Region zwischen M1R und M3R ausgetauscht wurde, führte dabei zu Rezeptoren, bei denen die Aktivierung nicht mehr spannungsabhängig war. (2) Die Interaktion der extrazellulären allosterischen Seite mit der orthosterischen Seite ist spezifisch für jeden Rezeptor. An der Interaktion sind der zweite extrazelluläre Loop, die Aminosäure W7.35 an der Grenzfläche zwischen beiden Seiten und der Tyrosindeckel der orthosterischen Seite beteiligt. Im aktiven M1R führte diese Interaktion zu einem vollständig geschlossenen Tyrosindeckel der orthosterischen Seite, der sich wie ein Dach über den Agonisten legte. Im aktiven M3R war der Tyrosindeckel hingegen teilweise geöffnet, was zu einer flexibleren Rezeptorkonformation führte. Diese Unterschiede wirkten sich nicht nur auf die Spannungsabhängigkeit beider Rezeptoren aus (M1R: Aktivierung, M3R: Deaktivierung), sie könnten auch die molekulare Grundlage für unterschiedlich ausgeprägte Wirkungen von chemischen allosterischen Modulatoren an beiden Rezeptoren sein. (3) Mutationsexperimente haben gezeigt, dass ein Spannungssensor in MR weder in der allosterischen Seite noch im Bereich des Tyrosindeckels der orthosterischen Seite zu finden ist. Die genaue Identität eines Spannungssensors in MR bleibt daher nach wie vor unklar. (4) Volle Agonisten (ACh, Carbachol) und Partialagonisten (Pilocarpin) unterscheiden sich in ihrer molekularen Interaktion mit den Rezeptoren innerhalb der orthosterischen Bindetasche. Diese unterschiedlichen Bindemodi zeigten sich im Experiment durch unterschiedlichen Polaritäten der Spannungsabhängigkeit. (5) Die Modulation der Rezeptorfunktion geschieht im Bereich physiologischer Membranpotentialänderungen. Intrazelluläre Ca2+-Messungen haben gezeigt, dass eine physiologische Aufgabe des Membranpotentials in der Feinregulation von muskarinergen Signalen in elektrisch erregbaren Zellen besteht.
Publications
- (2018) The allosteric site regulates the voltage sensitivity of muscarinic receptors. Cellular signalling 42 114–126
Hoppe, Anika; Marti-Solano, Maria; Drabek, Matthäus; Bünemann, Moritz; Kolb, Peter; Rinne, Andreas
(See online at https://doi.org/10.1016/j.cellsig.2017.10.011) - (2015) The mode of agonist-binding to a G protein-coupled receptor switches the effect that voltage changes have on signaling. Science Signaling 8, ra110
Rinne A., Mobarec JC., Mahaut-Smith M, Kolb P. and Bünemann M.
(See online at https://doi.org/10.1126/scisignal.aac7419)
