Передача сигнала с помощью битопных рецепторов типа I, таких как рецепторные тирозинкиназы (РТК) и рецепторы цитокинов (использующие Янус-киназу), привлекает внимание исследователей из-за центральной роли этих мембранных рецепторов в регуляции развития, подвижности, пролиферации, дифференцировки и апоптоза клеток в организме человека. Представители семейств рецепторов эпидермальных факторов роста (ErbB) и рецепторов инсулина (InsR), а также рецептора гормона роста (GHR) служат удобными моделями битопных рецепторов, иллюстрирующих, как лиганд-индуцированные конформационные перестройки и специфическая димеризация внеклеточных доменов приводят к аллостерической активации цитоплазматических доменов, что в конечном итоге приводит к передаче сигнала через мембрану клетки. Показано, что нарушение регуляции передачи сигналов данными рецепторами играет важную роль в развитии ряда заболеваний человека, а ингибиторы этих рецепторов на сегодняшний день являются одними из наиболее успешных примеров таргетной терапии. За последние годы были выяснены многие важные аспекты передачи сигналов рецепторами ErbB, InsR и GHR на молекулярном уровне. Тем не менее, есть несколько нерешённых вопросов, включая особую роль одиночного спирального трансмембранного домена (TМД) и гибких примембранных участков в переключении активности рецептора с точки зрения слабой связи между структурными перестройками внеклеточных и цитоплазматических доменов.

В работе были экспериментально определены альтернативные димерные конформации ТМД рецепторов ErbB, InsR и GHR в различных средах, имитирующих мембрану, с использованием ЯМР-спектроскопии высокого разрешения в сочетании с MД-релаксацией в явно заданном липидном бислое. На основе данных мутагенеза было определено, что наблюдаемые конформации соответствуют спящему и активному состояниям рецепторов. Из структурно-динамических исследований следует, что адаптация межмолекулярных (белок-белок и белок-липид) полярных и гидрофобных контактов сопровождает переключения между альтернативными модами димеризации TMД рецепторов ErbB, наблюдаемыми в мицеллах детергентов и липидных бицеллах. Это предполагает, что определенные физико-химические свойства липидного бислоя могут управлять упаковкой ТМД спиралей и, таким образом, их изменение может переключать функциональное состояние рецептора. Было также обнаружено, что конформационная изменчивость TMД рецепторов InsR семейства и их взаимодействие с окружающими липидами значительно различаются между тремя представителями семейства, что свидетельствует об уникальном молекулярном механизме активации инсулиновых рецепторов, отличном в ряде деталях от других РTK. В то же время, две различные моды димеризации TMД рецептора GHR, наблюдаемые одновременно в мицеллах, указывают на функциональную роль конформационных перестроек примембранных участков с переключением белок-белковых и белок-липидных взаимодействий, которые могут быть инициированы связыванием лиганда. Таким образом, из совокупности биофизических и биохимических данных следует, что функционирование рецепторов ErbB, InsR и GHR обусловливается не только белок-белковыми взаимодействиями, но и состоянием локального липидного окружения как одного из главных компонентов самосогласованной сигнальной системы. Предложенный липид-опосредованный механизм передачи межклеточного сигнала через мембрану дополняет существующие молекулярные схемы функционирования битопных рецепторов и объясняет ряд парадоксов, наблюдаемых при активации рецепторов дикого типа и рецепторов с патогенными мутациями.

Работа выполнена при поддержке Российского Научного Фонда (проект № 23-44-10021).

Signal transduction by bitopc receptors of type I, such as receptor tyrosine kinases (RTK) and cytokine receptors (utilizing Janus kinase), has been in the spotlight of scientific interest owing to the central role of these single-spanning membrane receptors in the regulation of development, cell motility, proliferation, differentiation, and apoptosis. The representatives from the epidermal growth factor receptor (ErbB) and insulin receptor (InsR) families, as well as growth hormone receptor (GHR) serve as excellent models of bitopic receptor to illustrate how ligand-induced conformational rearrangements and specific dimerization of extracellular domains lead to the allosteric activation of the cytoplasmic domains, resulting in signal propagation across the membrane. Dysregulated signaling from these receptors has been shown to play significant roles in promotion of number of human diseases, and inhibitors of these receptors have been among the most successful examples of targeted therapies to date. Many essential aspects of ErbB, InsR and GHR signal transduction at the molecular level have been elucidated lately. Nevertheless, there are several issues yet to be resolved, including the particular role of single-span helical transmembrane domain (TMD) and flexible juxtamembrane regions in the receptor activity switching in terms of an apparent loose coupling between structural rearrangements of the extracellular and intracellular regions.

In this work the alternative dimeric conformations of the ErbB, InsR and GHR TMDs were experimentally determined in different membrane-mimicking environments using high-resolution NMR spectroscopy combined with MD-relaxation in explicit lipid bilayer. Based on the available mutagenesis data, observed conformations correspond to the dormant and active states of the receptors. Fine adaptation of intermolecular polar and hydrophobic contacts that was found to accompany the different ErbB TMD dimerization modes (observed in detergent micelles or in lipid bicelles) suggests that certain membrane properties can govern the TMD helix-helix packing and, thus, their alteration can trigger the receptor state. The conformational variability of TMDs among insulin family receptors and their interactions with surrounding lipids were found to differ significantly between these three representatives, suggesting a unique molecular mechanism of the receptor activation distinct in some details from other RTKs. Whereas two distinct dimeric modes of GHR TMD (coexisting in micellar environment) revealed the functional role of juxtamembrane region rearrangements in alternation between protein-protein and protein-lipid interactions that can be initiated by ligand binding. Observed the TMD helix-helix packing diversity appears in favor of the lipid-mediated activation mechanism, which implies that the sequence of structural rearrangements of ErbB, InsR and GHR domains is associated with perturbations of the lipid bilayer in the course of ligand-induced receptor activation, considering the receptor together with its lipid environment as a self-consistent signal transduction system. The proposed mechanism explains a number of paradoxes observed during the activation of wild-type receptors, as well as receptors with pathogenic mutations.

The work is supported by the Russian Science Foundation (project no. 23-44-10021).