Structural basis of stepwise G protein activation by the viral chemokine receptor US28
Utilizzando la criomicroscopia elettronica e un superagonista ingegnerizzato per risolvere tre distinti stati strutturali del complesso tra il recettore delle chemochine virali US28 e Gq, questo studio elucida un meccanismo a tappe, conservato, per l'attivazione della proteina G che colma il divario tra il riconoscimento della proteina G e il rilascio di GDP.
Articolo originale sotto licenza CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Questa è una spiegazione generata dall'IA di un preprint non sottoposto a revisione paritaria. Non è un consiglio medico. Non prendere decisioni sulla salute basandoti su questo contenuto. Leggi il disclaimer completo
All'interno di ogni cellula, una vasta rete di interruttori molecolari controlla il modo in cui il corpo risponde al mondo. Questi interruttori sono proteine chiamate recettori accoppiati a proteine G, o GPCR per brevità. Essi si trovano sulla superficie delle cellule, agendo come antenne che captano segnali quali ormoni, luce o odori. Quando arriva un segnale, il recettore cambia forma e aziona un interruttore su una proteina partner all'interno della cellula, dando il via a una reazione a catena che dice alla cellula cosa fare. Poiché questi recettori gestiscono tutto, dal battito cardiaco alla visione, sono l'obiettivo di circa un terzo di tutti i farmaci moderni. Per decenni, gli scienziati hanno saputo che aspetto hanno questi recettori quando sono a riposo e che aspetto hanno quando sono completamente attivati. Tuttavia, il momento effettivo della transizione — il breve istante in cui il recettore afferra la proteina partner e la costringe a lasciare il suo combustibile interno — è rimasto un mistero. Senza vedere questo processo, la meccanica esatta di come il segnale viene trasmesso è rimasta nascosta.
Un team di ricercatori ha ora catturato una serie di scatti ad alta risoluzione che rivelano questo passaggio mancante. Studiando un recettore unico presente in un virus, sono stati in grado di congelare il macchinario molecolare in tre posizioni distinte mentre passava da uno stato di riposo a uno attivo. Questo lavoro fornisce la prima visione chiara del processo passo dopo passo che permette a una cellula di ricevere un messaggio e agire di conseguenza. Le scoperte suggeriscono che il modo in cui queste proteine funzionano non è un salto improvviso, ma una sequenza di movimenti meccanici precisi che è probabilmente condivisa da molti diversi tipi di recettori umani.
I ricercatori si sono concentrati su un recettore chiamato US28, prodotto da un virus noto come citomegalovirus umano. Sebbene questo virus utilizzi il recettore per dirottare le cellule umane, il recettore stesso è sorprendentemente simile a quelli presenti nei nostri corpi. Gli scienziati hanno ingegnerizzato una versione specifica di una molecola di segnalazione, una chemochina, che si lega saldamente a questo recettore virale. Hanno mescolato questa con il recettore e la sua proteina partner, una proteina G, all'interno di una soluzione che imita l'ambiente di una membrana cellulare. Utilizzando una potente tecnica di imaging chiamata criomicroscopia elettronica, che consente agli scienziati di vedere le singole molecole con un dettaglio quasi atomico, hanno esaminato il complesso. Poiché la miscela conteneva proteine in varie fasi di attività, i ricercatori hanno potuto setacciare milioni di immagini per trovare gruppi distinti, ciascuno rappresentante un momento diverso del processo di attivazione.
Hanno identificato tre stati chiave. Il primo, che chiamano stato di incontro, mostra il recettore e la proteina G che si incontrano appena. In questa fase, la proteina G sta ancora trattenendo una molecola di GDP, una forma di energia chimica che la mantiene inattiva. Il recettore ha afferrato la proteina G, ma il macchinario interno non è ancora stato forzato ad aprirsi. Il secondo stato è una fase di transizione. Qui, la proteina G è stata tirata più a fondo nella morsa del recettore e una parte specifica della proteina ha iniziato a raddrizzarsi, ma il GDP è ancora intrappolato all'interno. Il terzo stato è lo stato canonico, in cui la proteina G è pienamente impegnata, il GDP è stato espulso e la proteina è pronta a legare una nuova molecola di GTP per svolgere il proprio compito.
La scoperta più significativa risiede nei dettagli di come il recettore costringe la proteina G a rilasciare il suo GDP. I ricercatori hanno scoperto che il processo è guidato da una parte specifica della proteina G, un'elica alla sua estremità caudale, che agisce come una leva. Mentre il recettore tira questa leva, innesca una reazione a catena di spostamenti interni. Primo, una connessione critica tra due parti della proteina, che funge da blocco di sicurezza, viene spezzata. Questa rottura provoca un effetto a cascata che allenta la presa sulla molecola di GDP. Infine, una parte diversa della proteina si sposta lateralmente, spingendo fisicamente fuori il GDP dalla sua tasca. Questa sequenza di eventi, dal tiro iniziale all'espulsione finale, avviene in un ordine specifico che i ricercatori sono stati in grado di mappare dettagliatamente.
Per garantire che queste osservazioni non fossero solo artefatti del processo di imaging, il team ha eseguito simulazioni al computer che modellavano il movimento di queste proteine nel tempo. Queste simulazioni hanno confermato che lo stato intermedio osservato era stabile e poteva transire naturalmente nella forma pienamente attiva. Hanno anche testato le loro scoperte apportando piccole modifiche alla struttura del recettore. Quando hanno alterato parti specifiche del recettore coinvolte nelle prime fasi del processo, la segnalazione si è interrotta. Quando hanno modificato parti coinvolte nelle fasi successive, il segnale è stato interrotto in un punto diverso. Questi esperimenti hanno confermato che i tre stati catturati rappresentano un percorso reale e funzionale che la proteina utilizza per trasmettere i segnali.
Lo studio evidenzia anche un meccanismo conservato che probabilmente si applica anche ai recettori umani. Il particolare blocco chimico che è stato rotto nel recettore virale si trova in molte proteine G umane, suggerendo che questo metodo di attivazione a tappe sia una regola fondamentale della biologia. Sebbene i ricercatori abbiano notato che il loro lavoro è stato condotto in un ambiente di laboratorio controllato e che l'esatta tempistica di questi eventi in una cella vivente possa variare, l'evidenza strutturale fornisce un quadro solido per comprendere come funzionano queste macchine molecolari. Rivelando i passaggi nascosti tra il segnale e la risposta, questa ricerca offre un quadro più chiaro della logica molecolare che governa la vita a livello cellulare.
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