Decoding Structural Determinants of Efficacy and Specificity in a GPCR Subfamily

解码 GPCR 亚家族中功效和特异性的结构决定因素

基本信息

  • 批准号:
    10572310
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 10.62万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2023
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2023-01-01 至 2024-12-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Project Summary G protein–coupled receptors (GPCRs), the largest family of membrane proteins and a major class of drug targets, convert extracellular stimuli into intracellular responses by undergoing conformational changes that enable them to bind and activate signaling proteins. Identifying the mechanisms that underly activation––the atomic-level rearrangements that propagate from the ligand-binding pocket to induce large-scale motions on the intracellular surface––can powerfully impact drug discovery but requires measurement of conformational change at multiple temporal and spatial scales. Thus, activation mechanisms for only a small number of GPCRs have been carefully mapped at the atomic level, hindering the rational design of therapeutics with high selectivity and few side effects. Uncovering these mechanisms for those therapeutically promising GPCRs that operate as multimers, with large extracellular domains, requires biophysical approaches that can bridge multiple scales. From my Ph.D., I have expertise in using physics-based simulations to capture conformational change in membrane proteins with high spatial and temporal resolution, but the computational cost of molecular dynamics (MD) limits accessible timescales and investigation of many members of a protein family. As a postdoctoral fellow at UC-Berkeley, I have pursued experimental studies to fill in the gaps associated with classical MD simulations. I have learned to carry out hydrogen-deuterium exchange–mass spectrometry (HDX-MS) under the supervision of Dr. Susan Marqusee, enabling me to quantify the local stability of structural elements in a protein. More recently, I have pursued an additional strategy, single-molecule Förster Resonance Energy Transfer (smFRET), to quantify the relative populations of states in a protein conformational landscape, under the guidance of Dr. Ehud Isacoff. I will pursue computational and experimental studies of a difficult-to-drug class of GPCRs, the metabotropic glutamate receptors (mGluRs). The mGluRs have a complex topology: the ligand-binding domains (LBD) of these GPCRs transmit a ligand's effects laterally, to the neighboring subunit, and intracellularly, to the transmembrane domain. In Aim 1, I will determine the mechanisms by which ligand binding affects conformational changes within a single subunit; across the dimer interface; and below, to the transmembrane domain. In Aim 2, I will investigate how sequence variation in the mGluR family leads to the strikingly broad range of glutamate affinity and efficacy previously observed for the eight mGluR subtypes. In Aim 3, I will investigate how endogenous extracellular binding partners modulate mGluRs to affect downstream activation. This work will provide a general strategy for investigating mechanisms of conformational change for multi-domain proteins and will enable discovery of allosteric ligands that can selectively target a particular receptor while eliciting a specific signaling output. The rich scientific environment of UC-Berkeley, along with the support of my outstanding mentors, will enable me to train in experimental biophysics while preparing for an academic career.
项目摘要 G蛋白 - 偶联受体(GPCR),最大的膜蛋白家族和主要类药物 靶标,通过经历构象变化,将细胞外刺激转化为细胞内反应 使它们能够结合并激活信号蛋白。确定在激活下的机制 - 原子级重排从配体结合口袋传播,以引起大规模运动 细胞内表面 - 可以有力影响药物发现,但需要测量构象变化 在多个临时和空间尺度上。那就是,只有少数GPCR的激活机制具有 在原子水平上仔细映射,以高选择性和 很少的副作用。发现这些机制的这些机制,用于那些以热的gpcr为单位的 具有较大细胞外域的多聚体需要可以桥接多个尺度的生物物理方法。 从我的博士学位上,我有使用基于物理的模拟来捕获构象变化的专业知识 具有高空间和临时分辨率的膜蛋白,但分子动力学的计算成本 (MD)限制了可访问的时间尺度和对蛋白质家族的许多成员的调查。作为博士后研究员 在UC-Berkeley,我进行了实验研究,以填补与经典MD模拟相关的空白。 我学会了在监督下执行氢 - 居民交换 - 质谱法(HDX-MS) Susan Marqusee博士使我能够量化蛋白质中结构元素的局部稳定性。更多的 最近,我采用了另外的策略,即单分子förster共振能量转移(SMFRET), 在蛋白质构象领域中量化状态的相对种群,在博士的指导下 Ehud Isacoff。我将购买一类GPCR类的计算和实验研究, 代谢性谷氨酸受体(mglurs)。 mglurs具有复杂的拓扑:配体结合域 这些GPCR的(LBD)将配体的效果横向传递到相邻的亚基,并细胞内传递到 跨膜结构域。在AIM 1中,我将确定配体结合影响的机制 单个亚基内的构象变化;跨二聚体接口;下面,到跨膜 领域。在AIM 2中,我将研究MGLUR家族的序列变化如何导致惊人的广泛 先前观察到八个mglur亚型的谷氨酸亲和力和效率的范围。在AIM 3中,我会 研究内源性细胞外结合伴侣如何调节mglurs以影响下游激活。 这项工作将为调查多域构象变化机制提供一般策略 蛋白质并将启用可以选择可以选择性靶向特定接收器的变构配体 引发特定的信号输出。 UC-Berkeley的丰富科学环境,以及我的支持 杰出的导师将使我能够在为学术生涯做准备的同时培训实验性生物物理学。

项目成果

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