G protein-coupled receptors: providing mechanistic explanations to ligand-receptor and receptor-receptor interactions through in silico studies

Abstract

Els receptors acoblats a proteïnes G (GPCR) constitueixen la família més gran de proteïnes de membrana del genoma humà. Aquestes proteïnes de membrana estan formades per set hèlixs transmembrana connectades per bucles intracel·lulars i extracel·lulars. Aquesta superfamília es pot classificar en cinc famílies o classes, amb moltes implicacions en la regulació del sistema nerviós central (SNC). Per tant, representen principals dianes farmacològiques per regular terapèuticament trastorns neurològics com l’Alzheimer, la demència frontotemporal, la malaltia de Parkinson, la malaltia de Huntington, l’esquizofrènia, el dolor i l’addicció. Aquests receptors transmembrana han guanyat un interès creixent per tal de dilucidar els determinants moleculars de la seva activació i l’efecte que l’entorn de la membrana té sobre la seva funcionalitat. Mitjançant l’ús de tècniques computacionals, aquest estudi examina l’efecte que té la unió del lligand sobre el receptor, així com la seva oligomerització dins el panorama conformacional dels GPCR. Les simulacions de dinàmica molecular permeten l’estudi temps-dependent a un nivell atòmic dels receptors. Les trajectòries poden permetre la descripció mecànica de les interaccions atòmiques que tenen lloc a l’estructura del receptor en una escala de temps de microsegons i que en determinen l’estat d’activació i funcionalitat. Els resultats obtinguts a través d’aquestes tècniques computacionals tenen com a objectiu proporcionar explicacions estructurals teòriques a l’evidència funcional dels GPCR. Aquest estudi inclou diversos GPCR. Breument, s’analitza la viabilitat de formació, l’estabilitat molecular i la modulació creuada receptor-receptor per a: heterotetràmers del receptor d’angiotensina 1 (AT1R) i del receptor d’adenosina 2A (A2AR), el receptor de serotonina 2A (5-HT2AR) i el receptor metabotròpic de glutamat 2 (mGlu2R), així com heterooligòmers i protòmers del receptor de dopamina D2 (D2R) dins de complexos homodimèrics. A més d’aquests estudis sobre l’oligomerització dels GPCR, es realitza un anàlisi detallat de l’activació del receptor opioide μ en forma monomèrica, comparant dos agonistes estructuralment i funcionalment diferents, morfina i fentanil. Els resultats presentats en aquesta tesi mostren la influència temps-dependent de les interaccions lligant-proteïna i proteïna-proteïna en la modulació del paisatge conformacional i la funcionalitat dels GPCR de classe A i classe C. El treball computacional s’ha fet en col·laboració amb grups experimentals o de manera independent. Els resultats mostren la contribució del modelatge molecular, les simulacions de dinàmica molecular i altres tècniques computacionals en la comprensió mecànica de la funció dels GPCR. Aquests enfocaments computacionals complementen els experimentals sobre el disseny de fàrmacs dirigits als GPCR, basat el coneixement en estructures i mecanismes moleculars.

Los receptores acoplados a proteínas G (GPCR) constituyen la familia más grande de proteínas de membrana en el genoma humano. Estas proteínas de membrana están formadas por siete hélices transmembrana conectadas por bucles intracelulares y extracelulares. Esta superfamilia se puede clasificar en cinco familias o clases, con muchas implicaciones en la regulación del sistema nervioso central (SNC). Por lo tanto, representan principales dianas farmacológicas para regular terapéuticamente trastornos neurológicos como el Alzheimer, la demencia frontotemporal, la enfermedad de Parkinson, la enfermedad de Huntington, la esquizofrenia, el dolor y la adicción. Estos receptores transmembrana han ganado un interés creciente para dilucidar mecánicamente los determinantes moleculares de la activación del receptor y el efecto que el entorno de la membrana tiene sobre su funcionalidad. Mediante el uso de técnicas computacionales, este estudio examina el efecto que tiene la unión del ligando sobre el receptor, así como la oligomerización de estos en el panorama conformacional de los GPCR. Las simulaciones de dinámica molecular permiten el estudio tiempo-dependiente a un nivel atómico. Las trayectorias pueden permitir la descripción mecánica de las interacciones atómicas que ocurren en la estructura del receptor en una escala de tiempo de microsegundos y que determinan su estado de activación y funcionalidad. Los resultados obtenidos a través de estas técnicas computacionales, tienen como objetivo proporcionar explicaciones estructurales teóricas a la evidencia funcional de los GPCR. En este estudio se incluyen varios GPCR. Brevemente, se analiza la viabilidad de formación, la estabilidad molecular y la modulación cruzada receptor-receptor para: heterotetrámeros del receptor de angiotensina 1 (AT1R) y del receptor de adenosina 2A (A2AR), el receptor de serotonina 2A (5-HT2AR) y el receptor metabotrópico de glutamato 2 (mGlu2R), así como hetero-oligómeros y protómeros del receptor de dopamina D2 (D2R) dentro de complejos homodiméricos. Además de estos estudios sobre la oligomerización de los GPCR, se realiza un análisis detallado de la activación de los GPCR en su forma monomérica, comparando dos agonistas estructural y funcionalmente diferentes, morfina y fentanilo, sobre la activación del receptor opioide μ. Los resultados presentados en esta tesis muestran la influencia tiempo-dependiente de las interacciones ligando-proteína y proteína-proteína en la modulación del paisaje conformacional y la funcionalidad de los GPCR de clase A y clase C desde una perspectiva atómica. El trabajo computacional se ha realizado en colaboración con grupos experimentales o de forma independiente. Los resultados muestran la contribución del modelado molecular, las simulaciones de dinámica molecular y otras técnicas computacionales a la comprensión mecánica de la función GPCR. Estos enfoques computacionales complementan los experimentales sobre el diseño de fármacos GPCR basados en estructuras y las terapias moleculares basadas en mecanismos.

G protein-coupled receptors (GPCRs) constitute the largest family of membrane proteins in the human genome. These membrane proteins are made up of seven transmembrane helices connected by intracellular and extracellular loops. The GPCR superfamily can be classified into five families or classes, with many implications in the regulation of the central nervous system (CNS). Therefore, they represent main drug-targets to therapeutically regulate neurologic disorders such as Alzheimer’s disease, frontotemporal dementia, Parkinson’s disease, Huntington’s disease, schizophrenia, pain and addiction. These seven-helix transmembrane receptors have gained increasing interest to mechanistically elucidate the molecular determinants of receptor activation and the effect that the membrane environment has on their functionality. By making use of molecular computational techniques, this study examines the effect that either ligand binding or receptor oligomerization has on the conformational landscape of GPCRs. Molecular dynamics simulations enable the time-dependent study of GPCRs at an atomic level. Trajectories at a microsecond time-scale may allow the mechanistic description of dynamic atomic interactions that occur in the receptor structure and determine its activation state and functionality. Results obtained from these computational techniques were aimed to provide theoretical structural explanations to experimental functional evidence. A number of GPCRs are included in this study. Briefly, the viability of formation, molecular stability and receptor-receptor cross-modulation are analyzed for: angiotensin 1 receptor (AT1R) and adenosine 2A receptor (A2AR) heterotetramers, serotonin 2A receptor (5-HT2AR) and metabotropic glutamate receptor 2 (mGlu2R) hetero-oligomers, and dopamine D2 receptor (D2R) protomers within homodimeric complexes. In addition to these studies on GPCR oligomerization, a detailed analysis of monomeric GPCR activation is made by comparing two structurally and functionally different agonists, morphine and fentanyl, on the activation of the μ-opioid receptor. The results presented in this thesis show the influence of time-dependent ligand-protein and protein-protein interactions on the modulation of the conformational landscape and functionality of class A and class C GPCRs from an atomic perspective. The computational work has been done either in collaboration with experimental groups or independently. The results show the contribution of molecular modelling, molecular dynamics simulations and other computational techniques to the mechanistic understanding of GPCR function. These computational approaches complement experimental ones on structure-based GPCR drug design and mechanistic-based molecular therapies.