アセチルコリン受容体活性化の鍵を発見~次世代薬剤設計の可能性を拡げるGPCRメカニズム解明の新たな一歩~

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2025-03-17 京都大学

京都大学大学院医学研究科の岩田想教授らの研究グループは、振動分光法を用いて、心拍数の調節に関与するムスカリン性アセチルコリン受容体(M₂R)が内因性アゴニストであるアセチルコリンによって活性化される仕組みを解明しました。 本研究では、M₂Rのリガンド結合部位を構成するアミノ酸の1つであるアスパラギン残基(Asn404)とアセチルコリンの間の精密な相互作用が、M₂Rの活性化に極めて重要であることを突き止めました。また、Asn404とアセチルコリンの相互作用を支える水分子が、柔軟かつ精密な水素結合ネットワークを形成し、膜貫通ヘリックス6(TM6)の構造変化を引き起こすことを発見しました。さらに、アセチルコリン分子の特定部位を化学修飾してこの水素結合ネットワークを破壊すると、M₂Rを正常に活性化できないことを確認しました。これらの結果から、Asn404はアセチルコリンの結合を感知し、M₂Rの活性化を誘導する鍵となる重要な残基であることが示されました。この研究成果は、Gタンパク質共役型受容体(GPCR)の活性化メカニズムの全貌解明に向けた新たな道を拓くだけでなく、次世代の薬剤設計における革新的な指針となる可能性があります。本研究成果は、2025年3月14日に、国際学術誌「Journal of the American Chemical Society」に掲載されました。

アセチルコリン受容体活性化の鍵を発見~次世代薬剤設計の可能性を拡げるGPCRメカニズム解明の新たな一歩~
ムスカリン受容体にアセチルコリンが結合する過程の赤外分光法による観測イメージ

<関連情報>

M2ムスカリン受容体における重要な活性化ホットスポットの発見 Discovering Key Activation Hotspots in the M2 Muscarinic Receptor

Yuya Sugiura,Tatsuya Ikuta,Yuji Sumii,Hirokazu Tsujimoto,Kohei Suzuki,Ryoji Suno,Putri Nur Arina Binti Mohd Ariff,So Iwata,Norio Shibata,Asuka Inoue,Takuya Kobayashi,Hideki Kandori,Kota Katayama
Journal of the American Chemical Society  Published March 14, 2025
DOI:https://doi.org/10.1021/jacs.4c14385

Abstract

The M2 muscarinic receptor (M2R) is a prototypical G protein-coupled receptor (GPCR) that serves as a model system for understanding ligand recognition and GPCR activation. Here, using vibrational spectroscopy, we identify the mechanisms governing M2R activation by its native agonist, acetylcholine. Combined with mutagenesis, computational chemistry, and organic synthetic chemistry, our analyses found that the precise distance between acetylcholine and Asn404, one of the amino acids constituting the ligand-binding site, is important for M2R activation and that the N404Q mutant undergoes partial active state-like conformational changes. We discovered that a water molecule bridging acetylcholine and Asn404 forms a precise and flexible hydrogen bond network, triggering the outward movement of transmembrane helix 6 in M2R. Consistent with this observation, disruptions in this hydrogen bond network via chemical modification at the α- or β-position of acetylcholine failed to activate M2R. Collectively, our findings pinpoint Asn404 as a critical residue that both senses acetylcholine binding and induces M2R activation.

有機化学・薬学
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