アロステリック薬によるGタンパク質共役受容体の変調の構造的基礎

現代の医薬品研究の活性領域であるGタンパク質共役受容体（GPCR）アロステリックモジュレーターの設計は、そのような薬物の結合モードも分子メカニズムも知られていないため、挑戦的であることが証明されています。ここでは、M2ムスカリン性アセチルコリン受容体（M2受容体）のいくつかのアロステリックモジュレーターの結合部位、結合構造、およびプロトタイプファミリーA GPCRのいくつかのアロステリックモジュレーターのための特定の薬物受容体相互作用を決定します。実質的な構造の多様性にもかかわらず、すべてのモジュレーターは、古典的な「オルソステリック」リガンド結合部位から約15Åの受容体外側前庭内の芳香族残基のクラスターと陽イオン-π相互作用を形成します。シミュレーションに基づいて設計された受容体変異体の放射性リガンド結合実験を介して、変調器の親和性を増加または減少させるために、観察された変調器結合モードを検証します。シミュレーションは、2つの結合部位の共役立体構造変化や、これらの部位のリガンド間の静電相互作用を含む、古典的なリガンド結合の陽性および負のアロステリック調節に寄与するメカニズムも明らかにしました。これらの観察により、変調器のアロステリック効果を大幅に変更する化学修飾の設計が可能になりました。したがって、私たちの調査結果は、ムスカリン性およびおそらく他のGPCRを標的とするアロステリックモジュレーターの合理的な設計の構造的基盤を提供します。

The design of G-protein-coupled receptor (GPCR) allosteric modulators, an active area of modern pharmaceutical research, has proved challenging because neither the binding modes nor the molecular mechanisms of such drugs are known. Here we determine binding sites, bound conformations and specific drug-receptor interactions for several allosteric modulators of the M2 muscarinic acetylcholine receptor (M2 receptor), a prototypical family A GPCR, using atomic-level simulations in which the modulators spontaneously associate with the receptor. Despite substantial structural diversity, all modulators form cation-π interactions with clusters of aromatic residues in the receptor extracellular vestibule, approximately 15 Å from the classical, 'orthosteric' ligand-binding site. We validate the observed modulator binding modes through radioligand binding experiments on receptor mutants designed, on the basis of our simulations, either to increase or to decrease modulator affinity. Simulations also revealed mechanisms that contribute to positive and negative allosteric modulation of classical ligand binding, including coupled conformational changes of the two binding sites and electrostatic interactions between ligands in these sites. These observations enabled the design of chemical modifications that substantially alter a modulator's allosteric effects. Our findings thus provide a structural basis for the rational design of allosteric modulators targeting muscarinic and possibly other GPCRs.