Time-resolved cryo-EM of G-protein activation by a GPCR

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作者
Makaía M. Papasergi-Scott,Guillermo Pérez‐Hernández,Hossein Batebi,Yang Gao,Gözde Eskici,Alpay B. Seven,Ouliana Panova,Daniel Hilger,Marina Casiraghi,Feng He,Luis Maul,Peter Gmeiner,Brian K. Kobilka,Peter W. Hildebrand,Georgios Skiniotis
出处
期刊:Nature [Nature Portfolio]
卷期号:629 (8014): 1182-1191 被引量:36
标识
DOI:10.1038/s41586-024-07153-1
摘要

G-protein-coupled receptors (GPCRs) activate heterotrimeric G proteins by stimulating guanine nucleotide exchange in the Gα subunit1. To visualize this mechanism, we developed a time-resolved cryo-EM approach that examines the progression of ensembles of pre-steady-state intermediates of a GPCR–G-protein complex. By monitoring the transitions of the stimulatory Gs protein in complex with the β2-adrenergic receptor at short sequential time points after GTP addition, we identified the conformational trajectory underlying G-protein activation and functional dissociation from the receptor. Twenty structures generated from sequential overlapping particle subsets along this trajectory, compared to control structures, provide a high-resolution description of the order of main events driving G-protein activation in response to GTP binding. Structural changes propagate from the nucleotide-binding pocket and extend through the GTPase domain, enacting alterations to Gα switch regions and the α5 helix that weaken the G-protein–receptor interface. Molecular dynamics simulations with late structures in the cryo-EM trajectory support that enhanced ordering of GTP on closure of the α-helical domain against the nucleotide-bound Ras-homology domain correlates with α5 helix destabilization and eventual dissociation of the G protein from the GPCR. These findings also highlight the potential of time-resolved cryo-EM as a tool for mechanistic dissection of GPCR signalling events. Time-resolved cryo-EM is used to capture structural transitions during G-protein activation stimulated by a G-protein-coupled receptor.
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