Letters (Selected Paper)
Molecular Dynamics Simulation of the Interaction between Taste Receptor Proteins and their Ligands
2022 Volume 21 Issue 4 Pages 94-95
Details
2022 Volume 21 Issue 4 Pages 94-95
We used molecular dynamics simulations to analyze the structural changes of medaka fish taste receptor proteins T1r2a-T1r3 and three ligands, L-glutamine, L-glutamic acid, and L-alanine, and the movement of water molecules around the ligands. L-glutamic acid, which had a low affinity in the experiment, showed many water molecules after the MD simulation, although the number of crystalline water molecules around the ligand was small in the crystal structure. We were also able to identify similar hydrogen bonds between residues and ligands that are conserved in other class C G protein-coupled receptors. In addition, several water molecules were observed to be alternately hydrogen-bonded to the side chain of the ligand with no characteristic lifetime.
We used molecular dynamics simulations to analyze the structural changes of medaka fish taste receptor proteins T1r2a-T1r3 and three ligands, L-glutamine, L-glutamic acid, and L-alanine, and the movement of water molecules around the ligands. L-glutamic acid, which had a low affinity in the experiment, showed many water molecules after the MD simulation, although the number of crystalline water molecules around the ligand was small in the crystal structure. We were also able to identify similar hydrogen bonds between residues and ligands that are conserved in other class C G protein-coupled receptors. In addition, several water molecules were observed to be alternately hydrogen-bonded to the side chain of the ligand with no characteristic lifetime.
メダカの味覚受容体T1r2a-T1r3は，クラスCのGタンパク質共役受容体に属する．その結晶構造は2017年に解明され [1]，次のような考察がなされている．(1) 親和性の低いリガンドの周囲の結晶水の数は，親和性の高いリガンドの場合に比べ有意に少ない．(2) 味覚の感知はT1r2aが優勢であり，アミノ酸リガンドのα-アミノ基とカルボキシル基がT1r2aでの受容体応答の鍵となっている．(3) リガンドポケットの水和シェル内の構造化された水によって，タンパク質の構造を大きく変えることなく多様なリガンドを認識することが可能となっている．
アポ型のT1r2a-T1r3については，1μ秒の分子動力学シミュレーションが行われ [2]，T1r2aとT1r3は複数の準安定構造を持ち，各モノマーのリガンド結合能力を反映していると考察されている．本研究では，リガンドが結合しているホロ型T1r2a-T1r3の分子動力学シミュレーションを行うことで，その構造変化や水分子の動きの観察を行い，リガンドとタンパク質の親和性や水素結合などの観点からT1r2a-T1r3の性質を探った．
T1r2a-T1r3の結晶構造 [1] (PDB ID: 5X2M, 5X2P, 5X2N) の欠損部分をModeller [3]で補正した後，親和性や側鎖の構造の観点から選んだ3種類のリガンドL-グルタミン・L-グルタミン酸・L-アラニンを結合させた状態で，それぞれ水・Naイオン・Clイオンを配置した構造を作成した(水分子の数は33800個∼36150個)．エネルギー最小化の後，1Kから300Kへの昇温を200 psで行い，200 psのNVT計算で平衡化させた．さらに，セルの大きさを決定するためのNPT計算を400 ps実行した後，2 nsのNVT計算を行った．分子動力学シミュレーションにはmyPresto [4, 5]を使用した．周期境界条件の下で，静電相互作用にはZero-multipole summation法 [6]を適用し，力場はAMBER99 [7]を用いた．リガンドのプロトン化状態は水中での解離定数を参考に決定し，電荷はAM1-BCC法によって計算した．考察は，味覚の感知で優勢であるとされるT1r2aを中心に行った．
受容体への親和性の低いL-グルタミン酸は，結晶構造においてはリガンド周囲の結晶水の数が他のリガンドの場合より明確に少なかったにも関わらず，MD計算後には他のリガンドの場合と同様に多数の水分子がリガンドポケット内に侵入することが観察された(Figure 1)．これは，グルタミン酸側鎖が親水性であることを考えれば自然な結果であり，むしろ結晶水が少なかったことには，何らかの実験条件が影響していると推察される．
A snapshot from the MD simulation of the ligand L-glutamic acid (cyan) and surrounding amino-acid residues in the ligand-binding domains 1 (magenta) and 2 (green) of the T1r2a subunit of the fish taste receptor.
さらに，10 psごとにリガンド周囲3Å内の残基及び水分子との水素結合を観察した．クラスCのGタンパク質共役型受容体ではSer142，Gly163，Ser165の残基が保存され，リガンド主鎖と直接水素結合を形成するが，T1r2a-T1r3においても，2 nsの間安定して同様の水素結合が確認された(Figure 1)．
結晶構造では，リガンド側鎖は周囲の残基と直接的な水素結合を形成せず，水分子を介して水素結合しているとされる．これらの水分子により，ポケットの構造を大きく変えることなく多様なリガンド認識を可能にしていると議論されている [1]．Figure 2は，リガンドL-グルタミンの側鎖O原子と水分子のH原子間の距離変化を示す．水分子が入れ替わりつつリガンドの側鎖と水素結合している様子が見られる．水素結合の寿命や，組み替えの時間スケールは多様であり，特徴的な時定数のようなものは確認されなかった．このような水分子の置き換えは，T1r2a-T1r3受容体が多様なリガンドを認識できることに関与していると予測されるが，その詳細の解析は今後の課題である．
Time evolution of the distance between the two oxygen atoms of the ligand L-glutamine side chain and the hydrogen atoms of the solvent water molecules.
T1r2a-T1r3の結晶構造についての質問に丁寧にご回答いただきました岡山大学の山下敦子教授に感謝申し上げます．
