カテコールアミンがβ2アドレナリン受容体に結合する「誘導適合」機構

我々は、カテコール環の水酸基と相互作用することが知られている領域であるβ2アドレナリン受容体の5番目の膜貫通ドメインにあるセリン203、204、207の単一および複数の変異を操作した。このような変異体を使用して、分子のエタノールアミン尾部の置換基の存在のみが異なる 6 種類のカテコールアミン アゴニストのパネルの結合親和性を測定しました。すべてのリガンドは無傷のカテコール環を共有していましたが、変異に応じて異なる結合エネルギーの損失を示しました。すべての変異について、受容体の変異によって引き起こされる結合の喪失とリガンドの修飾によって引き起こされる結合の喪失との間に明確な関係があることがわかりました。これは、カテコール環とエタノールアミン尾部が受容体に結合する際にそれぞれの相互作用に相乗的に影響を与えることを示しています。この考えを正式な熱力学テストによって検証するために、二重変異体サイクル解析を使用しました。各受容体変異の影響を、リガンド尾部の修飾によって誘発される影響と比較しました。このような変化は、さまざまな受容体ドメインで起こる相互作用を破壊するため、累積的な損失が生じるはずです。対照的に、そのような効果間には積極的な協力性があることがわかりました。これは、カテコールアミンの各側の結合が、おそらく構造変化を介して伝播される効果によって、もう一方の結合を強化できることを意味します。私たちは、アゴニスト結合ポケットは剛直ではなく、リガンドが受容体との接触回数を増やすにつれて動的に形成されることを示唆しています。

We engineered single and multiple mutations of serines 203, 204, and 207 in the fifth transmembrane domain of the beta(2)-adrenergic receptor, a region known to interact with hydroxyl groups of the catechol ring. Using such mutants, we measured the binding affinities of a panel of six catecholamine agonists differing only in the presence of substituents in the ethanolamine tail of the molecule. Although all ligands shared an intact catechol ring, they exhibited different losses of binding energy in response to the mutations. For all mutations, we found a clear relationship between the loss of binding caused by receptor mutation and that caused by the ligand modification. This indicates that the catechol ring and the ethanolamine tail synergistically influence their respective interactions when binding to the receptor. To verify this idea by a formal thermodynamic test, we used a double-mutant cycle analysis. We compared the effects of each receptor mutation with those induced by the modifications of the ligand's tail. Because such changes disrupt interactions occurring at different receptor domains, they should produce cumulative losses. In contrast, we found positive cooperativity between such effects. This means that the binding of each side of the catecholamine can enhance the binding of the other, through an effect that is probably propagated via a conformational change. We suggest that the agonist-binding pocket is not rigid but is dynamically formed as the ligand builds an increasing number of contacts with the receptor.