Structural insights into the activation mechanism of the human metabolite receptor HCAR1

兴奋剂 化学 配体(生物化学) 受体 代谢物 生物物理学 G蛋白偶联受体 细胞生物学 血浆蛋白结合 信号转导 生物化学 小分子 功能选择性 结合位点 反激动剂 细胞外 变构调节 蛋白质结构 药物发现 HEK 293细胞 立体化学 跨膜蛋白 细胞信号 受体-配体动力学 结构生物学 生物 机制(生物学) 细胞表面受体
作者
Mengru Gao,ShaoKun Zang,Yanqing Zhu,Kun Xi,Yage Du,Shizhuo Cheng,Luwei Miao,Yanhui Lu,Chunyou Mao,Yan Zhang,Xin Ma
出处
期刊:Science Signaling [American Association for the Advancement of Science]
卷期号:19 (919): eadw1483-eadw1483
标识
DOI:10.1126/scisignal.adw1483
摘要

Hydroxycarboxylic acid receptor 1 (HCAR1) is a class A G protein–coupled receptor (GPCR) that is activated by the endogenous metabolite l -lactate and that plays an important role in various metabolic and inflammatory disorders. HCAR1 uses distinct ligand recognition and self-activation mechanisms to mediate specific pathophysiological functions through Gα i/o and β-arrestin signaling pathways. To support effective drug development targeting HCAR1, we investigated ligand recognition and activation mechanisms through cryo–electron microscopy (cryo-EM) structures of the HCAR1-Gα i1 complex in the apo state or with l -lactate or with the synthetic agonist CHBA. Compared with other HCARs, HCAR1 has a more compact binding pocket, which is stabilized by three unique disulfide bonds. l -lactate exhibited a flexible binding mode and relatively weak intermolecular interactions, thus requiring millimolar concentrations for receptor activation. In contrast, the binding of CHBA was more stable because of its chlorinated benzene ring, thus resulting in improved agonist potency. Structural comparisons with HCAR2 identified critical residues that restrict the size of the binding pocket of HCAR1 and influence ligand selectivity. Self-activation of HCAR1 is driven by conformational rearrangements within extracellular loop 2, with Phe168 ECL2 playing a pivotal role as the key agonist. Together, these results clarify the mechanisms underlying HCAR1 activation, self-activation, and ligand selectivity, providing a structural framework for the design of high-affinity, selective agonists and inverse agonists with minimized off-target effects.
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