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Sidechain dynamics in the microswitches of the a1b -AR GPCR

English title Sidechain dynamics in the microswitches of the a1b -AR GPCR
Applicant Zerbe Oliver
Number 197679
Funding scheme Project funding
Research institution Institut für Chemie Universität Zürich
Institution of higher education University of Zurich - ZH
Main discipline Structural Research
Start/End 01.02.2021 - 31.01.2025
Approved amount 551'018.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Structural Research
Biophysics

Keywords (3)

NMR; GPCR; Structural Biology

Lay Summary (German)

Lead
G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCRs) präsentieren Signalmoleküle, die Signale von außen in die Zellen übertragen. Viele Medikamente zielen auf diese Rezeptoren ab.In den letzten Jahren wurde viel strukturelles Wissen über diese Proteine gesammelt, hauptsächlich durch Röntgenkristallographie und durch Cryo-Elektronenmikroskopie (Cryo-EM). Es ist jedoch bekannt, dass GPCRs in verschiedenen Zuständen existieren. Die Bindung verschiedener Liganden, z. Agonisten, Antagonisten oder allosterische Modulatoren, besiedeln diese Zustände in unterschiedlichem Maße. Um die Wirkungsweise dieser Rezeptoren vollständig zu dechiffrieren ist es daher wichtig zu verstehen, durch welche Dynamik sich diese Rezeptoren zwischen den Zuständen umwandeln, und wie die Dynamik durch die verschiedenen Liganden beeinflusst wird.
Lay summary
Um die dynamischen Eigenschaften von GPCRs zu untersuchen, werden wir Lösungs-NMR-Techniken anwenden. Wir konzentrieren uns auf die Untersuchung des alpha 1b-GPCRs, eines Rezeptors, der für die Regulierung verschiedener physiologischer Funktionen wichtig ist, z. des Blutdrucks.

Um dieses Protein für detaillierte NMR-Studien zugänglich zu machen, haben wir es so konstruiert, dass es stabiler wird. Darüber hinaus kann es auf mit besseren Ausbeuten hergestellt werden. Wir sind noch dabei, eine Rezeptormutante zu entwickeln, die für längere NMR-Messungen unter Beibehaltung der biologischen Funktion ausreichend stabil ist. Wir charakterisieren ausserdem die Auswirkungen verschiedener Mutationen.

Um die Dynamik zu untersuchen, messen wir die Relaxation von Methylgruppen. Diese weisen günstige NMR-Eigenschaften auf, und die Methodik ermöglicht zusätzlich die Untersuchung der Seitenkettendynamik. Ein technisches Problem besteht darin, die Methylgruppen ihren einzelnen NMR-Resonanzen zuzuordnen. Dieser Prozess wird mit einer Mischung aus Mutagenese- und NMR-Experimenten durchgeführt, die die räumliche Nähe von Methylgruppen untersuchen.

Unsere Studie wird sich insbesondere auf die sogenannten Mikroschalter konzentrieren. Dies sind konservierte Regionen in den Rezeptoren, entlang derer die wichtigsten strukturellen Veränderungen stattfinden. Wir werden die Methylgruppendynamik in diesen funktionell wichtigen Teilen des Rezeptors bestimmen.

Das Projekt wird unser Verständnis der Funktion dieser physiologisch sehr wichtigen Rezeptoren verbessern. Es erfordert methodische Entwicklungen sowohl in der Spektroskopie als auch in der Biochemie. Wir sind davon überzeugt, dass NMR-Daten zur Dynamik von GPCRs die Strukturdaten anderer biophysikalischer Techniken gut ergänzen werden.
Direct link to Lay Summary Last update: 08.12.2020

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
159453 Towards the solution structure of an entire thermostabilized GPCR 01.06.2015 Project funding

Abstract

With the availability of a stabilized, yet signaling competent a1B-AR we intend to determine dynamics of side-chains in the coming period to investigate corresponding changes during activation of the receptor. In particular, we will measure dynamics of methyl groups. To this end we will attempt to obtain an extensive set of assignments for methyl groups in a methyl-protonated but otherwise perdeuterated a1B-AR. This will be derived from a combination of point mutants and 4D NOE data. We will focus but not necessarily limit to regions around microswitches.• We will continue on the development of a stabilized yet signaling-competent variant of the a1B-AR• Access to chemical shift assignments is a technical requirement to interpret structural and dynamic information. Assignments will be done by using structural information in combination with 4D 13C-resolved NOESY data, mainly by propagating unambiguous assignments from mutagenesis through NOEs to neighboring methyl groups.• We will measure dynamics of methyl groups of the a1B-AR in the presence of antagonist, agonist and allosteric modulator, and possibly G-protein (mimics). This subproject defines the core of the new proposal.• These experiments will deliver very valuable data on receptor dynamics in different states of the a1B-AR. Information about changes in conformation and, even more importantly, about changes in dynamics will be crucial for understanding the mode of action of GPCRs.
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