Site-Directed Mutagenesis and Time-Resolved Fluorescence Spectroscopy Reveal That Two Hydrogen-Bonded Carboxylic Side Chains Are Essential for GPR68 Proton Sensing and G Protein Binding

化学 组氨酸 突变 细胞外 生物化学 突变体 生物物理学 定点突变 盐桥 结合位点 立体化学 G蛋白偶联受体 HEK 293细胞 羧酸 费斯特共振能量转移 组氨酸激酶 血浆蛋白结合 信号转导 侧链 突变 蛋白质结构 细胞生物学 联轴节(管道) 机制(生物学) 结构生物学 化学生物学 蛋白质结构域 肽序列 分子模型 变构调节 受体 荧光
作者
B.M. Kapur,Eva M. Garrido‐Martín,Ana‐Nicoleta Bondar,Michael Schuler,Esther Schmidt,Herbert Nar,Gisela Schnapp
出处
期刊:ACS pharmacology & translational science [American Chemical Society]
卷期号:8 (11): 4107-4121
标识
DOI:10.1021/acsptsci.5c00516
摘要

GPR68 is a pH-sensing G protein-coupled receptor widely expressed throughout the body. It has been implicated in various diseases, including neurodegeneration, chronic inflammation, and cancer, emphasizing its role in pathophysiology. The identities of the structural elements essential for pH sensing have been controversial, as experiments and sequence analyses have been interpreted to suggest that an extracellular histidine cluster or, by contrast, an internal carboxylic triad, senses the extracellular pH. Recent molecular simulations and hydrogen-bond network analyses suggested instead a unifying mechanism whereby the extracellular histidine residues and the internal carboxylic triad couple to each other via a protonation-sensitive hydrogen-bond network that includes a fourth internal carboxylic group, E103 3.34 . However, without experimental verification, there remains a gap in our understanding of the mechanism by which GPR68 is activated by protons. To this aim, here we have studied 16 GPR68 mutations, which we selected based on the hydrogen-bond network analyses and conservation of key residues. We implemented a cell-based homogeneous time-resolved fluorescence assay to monitor the Gα q/11 and Gα s coupled signaling pathways. We used this assay to study how each mutation alters the basal activity levels, half-maximal activation values, and reactivation at lower pH values. Our data identify E103 3.34 Q as a gain-of-function mutant essential for the proton-sensing mechanism of GPR68. We further discovered that E149 4.53 Q, a constitutively active mutant, prefers Gα s coupling over Gα q/11 and that wild-type GPR68 is more sensitive toward Gα q/11 coupling over Gα s .
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