GPCR Signaling: A Study of the Interplay Between Structure, Energy, and Function

G蛋白偶联受体 结构功能 功能(生物学) 计算生物学 信号转导 生物 化学 物理 细胞生物学 粒子物理学
作者
Yann Chalopin
出处
期刊:Proteins [Wiley]
卷期号:92 (12): 1385-1397 被引量:2
标识
DOI:10.1002/prot.26724
摘要

ABSTRACT G protein‐coupled receptors (GPCRs) exemplify sophisticated allosteric communication, transducing extracellular signals through ligand‐induced structural rearrangements that resonate through the molecular scaffold. Despite extensive study, the biophysical underpinnings of how conformational changes spread remain unclear. This work employs a novel physics‐based framework to characterize the role of energy dissipation in directing intramolecular signaling pathways. By modeling each residue as a network of coupled oscillators, we generate a localization landscape depicting the vibrational energy distribution throughout the protein scaffold. Quantifying directional energy flux between residues reveals distinct pathways for energy and information transfer, illuminating sequences of allosteric communication. Our analysis of CB1 and CCR5 crystal structures unveils an anisotropic pattern of energy dissipation aligning with key functional dynamics, such as activation‐related conformational changes. These anisotropic patterns of vibrational energy flow constitute pre‐configured channels for allosteric signaling. Elucidating the relationship between structural topology and energy dissipation patterns provides key insights into the thermodynamic drivers of conformational signaling. This methodology significantly advances our mechanistic understanding of allostery in GPCRs and presents a broadly applicable approach for rationally dissecting allosteric communication pathways, with potential implications for structure‐based drug design targeting these critical receptors.
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