Mudanças estruturais ultrarrápidas direcionam os primeiros eventos moleculares da visão

Nature volume 615, páginas 939–944 (2023) Citar este artigo

23k acessos

3 Citações

392 Altmétrico

Detalhes das métricas

A visão é iniciada pela família rodopsina de receptores acoplados à proteína G sensíveis à luz (GPCRs)1. Um fóton é absorvido pelo cromóforo retinal 11-cis da rodopsina, que se isomeriza em 200 femtossegundos para a conformação all-trans2, iniciando assim os processos de transdução de sinal celular que, por fim, levam à visão. No entanto, o mecanismo intramolecular pelo qual o retinal fotoativado induz os eventos de ativação dentro da rodopsina permanece experimentalmente obscuro. Aqui, usamos a cristalografia ultrarrápida resolvida no tempo à temperatura ambiente3 para determinar como um retinal totalmente trans torcido isomerizado armazena a energia do fóton necessária para iniciar as alterações conformacionais da proteína associadas à formação do estado de sinalização de ligação à proteína G. O retinal distorcido em um atraso de 1 ps após a fotoativação se afastou da metade de suas numerosas interações com seu bolso de ligação, e o excesso de energia do fóton é liberado por meio de um movimento respiratório de proteína anisotrópica na direção do espaço extracelular. Notavelmente, os movimentos estruturais muito iniciais nas cadeias laterais da proteína da rodopsina aparecem em regiões que estão envolvidas em estágios posteriores do mecanismo de ativação conservada do GPCR de classe A. Nosso estudo lança luz sobre os estágios iniciais da visão em vertebrados e aponta para aspectos fundamentais dos mecanismos moleculares da ativação de GPCR mediada por agonistas.

A rodopsina, o receptor vertebrado para visão na penumbra, está concentrada dentro das membranas do disco dos bastonetes na retina. A rodopsina transforma a absorção de luz em um sinal fisiológico por meio de mudanças conformacionais que ativam a transducina da proteína G intracelular - um membro da família Gi/o/t - iniciando uma cascata de sinalização, resultando em impulsos elétricos enviados ao cérebro e, finalmente, levando a alterações visuais. percepção. A estrutura da rodopsina consiste em sete α-hélices transmembrana (TM) com um cromóforo retinal 11-cis ligado covalentemente através de uma base de Schiff protonada (PSB) a Lys2967.43 de TM7 (os valores sobrescritos nos aminoácidos contendo a localização do domínio TM referem-se ao esquema de Ballesteros-Weinstein, explicado na seção 'Numeração de resíduos' dos Métodos). Este ligante enterrado está localizado dentro do feixe TM em direção ao lado extracelular, como em muitos GPCRs classe A. O retinal também contata o loop extracelular 2 (ECL2), que forma uma tampa sobre o cromóforo e contém uma ponte dissulfeto altamente conservada (Cys1103.25–Cys187ECL2) conectando-se à hélice central TM3 (ver caixa 1 da ref. 1). Glu1133.28 fornece um contra-íon4 carregado negativamente que forma uma ponte salina com o PSB (Fig. 1a–c) e assim participa da estabilização do estado de repouso do receptor5. Pelo nosso entendimento da evolução dos pigmentos visuais6,7, sabemos que, originalmente, o Glu181ECL2 era o único resíduo capaz de neutralizar a carga positiva da base de Schiff. Este 'counterion ancestral'8, que ainda funciona como um counterion complexo em invertebrados6, permanece conectado através de uma rede de ligações de hidrogênio mediada por água ao PSB de rodopsinas de vertebrados (Fig. 1b). O segundo contra-íon principal Glu1133.28 apareceu durante a evolução e ambos os resíduos são importantes para o mecanismo de ativação. Estruturas de rodopsina ativada por luz aprisionadas em baixa temperatura9,10, estruturas do estado ativo Meta II tardio11,12,13 e abundantes estudos computacionais14, bioquímicos e espectroscópicos15,16,17 forneceram informações importantes sobre o mecanismo de transdução de sinal na rodopsina . No entanto, métodos que fornecem uma alta resolução espacial e temporal são necessários para obter uma imagem completa derivada experimentalmente do mecanismo de ativação na escala atômica de femtossegundos a milissegundos.

a, A estrutura geral da rodopsina, arco-íris colorido pelo número de resíduos de azul (N terminal) a vermelho (C terminal). O feixe seven-TM contém dois domínios de N-glicosilação (GLYC) e grupos palmitato (PLM) que ancoram a hélice anfipática H8 à membrana (linhas cinzas). As moléculas de água (esferas vermelhas) formam as principais redes1 entre as regiões extracelulares (bolsa de ligação do ligante da retina) e regiões intracelulares (sítio de ligação da proteína G) do receptor. O retinal 11-cis (vermelho escuro) está ligado covalentemente a Lys296 (inserção) através do PSB. A bolsa de ligação da retina é ainda composta por aminoácidos que envolvem o PSB (o contraíon Glu113 e Met44, Phe91, Thr94, Ala292 e Phe293), a cadeia alifática da retina (Ala117, Thr118, Tyr191, Trp265 e Glu181/Ser186 através da água W01 ) e o anel β-ionona (Gly120, Gly121, Glu122, Phe212, Met207, Phe261 e Ala269; para maior clareza, apenas os resíduos selecionados no bolso de ligação são mostrados). b,c, Exemplos de moléculas bem resolvidas nas redes mediadas por água conectando os resíduos na rede ancestral do contraíon Glu181 (b) e o contraíon Glu113 a Met86 de TM2 (e Ala1173.32, não mostrado) (c). As moléculas de água têm densidades eletrônicas bem definidas (malhas cinza e azul, 2Fobs − Fcalc densidade eletrônica contornada em 2,2 e 0,7σ, respectivamente).