Study on GPCR signaling: Coevolutionary basis of GPCR-G protein selectivity and global conformational changes of GRKs

Abstract

G protein-coupled receptors (GPCRs) are critical for regulating diverse physiological processes, making them prominent targets in drug development. GPCRs transmit signals through G proteins, which subsequently activate intracellular pathways. Despite extensive research, the precise mechanisms underlying GPCR-G protein selectivity and interaction remain poorly understood. In this study, I applied statistical coupling analysis (SCA) to analyze coevolutionary relationships in model GPCRs, such as serotonin (HTR) and dopamine (DAR) receptors, along with their associated Gα proteins. Our findings reveal conserved and coevolved residues in both GPCRs and G proteins contribute to their functional roles. Additionally, I identified specific coevolutionary pairs that may play crucial roles in GPCR-G protein selectivity, offering new insights into the molecular mechanisms governing their interaction. Furthermore, G protein-coupled receptor kinases (GRKs) play an essential role in modulating GPCR signaling by driving receptor phosphorylation, which influences functional selectivity and biased signaling. To better understand the structural dynamics of GRKs, I analyzed 47 GRK structures retrieved from the Protein Data Bank, focusing on the conformational transitions between their open and closed states. By assigning consistent labels to topologically equivalent positions, I characterized both general and subfamily-specific dynamic movements and quantify these transitions through a detailed conformational change score. These findings provide a deeper understanding of the regulatory mechanisms underlying GRK function and their role in GPCR-mediated signaling. Together, this study contributes to the broader understanding of GPCR-G protein and GRK, highlighting the significance of coevolved residues and structural transitions in modulating functions.|G 단백질 결합 수용체는 다양한 생리적 과정을 조절하는 데 중요한 역할을 하며, 이로 인해 약물 개발에서 중요한 표적이 되고 있다. G 단백질 결합 수용체는 G 단백질을 통해 신호를 전달하며, 그 후 G 단백질은 세포 내 경로를 활성화한다. 오랜 기간의 광범위한 연구에도 불구하고, G 단백질 결합 수용체와 G 단백질 사이의 상호작용과 선택성의 정확한 메커니즘에 관한 의문은 여전히 남아있다. 본 연구에서는 세로토닌(HTR) 및 도파민(DAR) 수용체와 이들의 하위 Gα 단백질에서의 공진화적 관계를 분석하기 위해 Statistical coupling analysis 를 적용했다. 본 연구 결과는 G 단백질 결합 수용체와 G 단백질 모두에서 기능적 역할을 할 가능성이 있는 보존된 공진화 잔기들을 보여주고, 두 단백질 사이의 선택성에 중요한 역할을 할 수 있는 특정 공진화 쌍을 확인하였다. 본 연구를 통해 이들 사이의 상호작용을 규명하는 분자적 메커니즘에 대한 새로운 이해를 가능하게 한다. 또한, G 단백질 결합 수용체 인산화효소는 G 단백질 결합 수용체의 인산화를 유도하여 기능적 선택성에 영향을 미치게 되고, 이로써 하위 신호 전달을 조절하는 데 핵심적인 역할을 한다. G 단백질 결합 수용체 인산화효소의 구조적 특성을 더 잘 이해하기 위해, 본 연구에서는 47개의 G 단백질 결합 수용체 인산화 효소의 구조를 분석하고, 열린 상태와 닫힌 상태 사이의 형태 변화를 중심으로 연구를 진행하였다. 위상적으로 동등한 위치에 라벨을 지정하여 서로 다른 아류형에 대한 일반적인 동적 움직임을 찾았으며, 세부적인 형태 변화 점수를 통해 형태 변화를 정량화 했다. 이 결과는 G 단백질 결합 수용체 인산화 효소의 기능의 조절 메커니즘과 효소 매개 신호 전달에서의 역할을 더 깊이 이해하는 데 기여한다. 결론적으로, 본 연구는 G 단백질의 선택성과 G 단백질 결합 수용체 인산화 효소의 구조적 움직임에 관한 정량적 확인에 관해 다양한 방법으로 접근하였고, 이에 G 단백질 결합 수용체의 신호전달에 관한 여러가지 질문에 대한 새로운 통찰을 제공하고 있다.