（様式 20）成果報告書

TSUBAME 共同利用 令和５年度 学術利用 成果報告書

利用課題名 GPCR とシグナル分子の相互作用機構の分子動力学シミュレーション
英文： Molecular dynamics simulations for the interaction mechanisms between GPCRs and signalingmolecules
井上飛鳥
Auska Inoue
東北大学大学院薬学研究科
Graduate School of Pharmaceutical Sciences, Tohoku University

http://www.pharm.tohoku.ac.jp
邦文抄録（300 字程度）
G タンパク質共役受容体（GPCR）は細胞膜上に発現し、細胞外から細胞内へのシグナル伝達を担う。βアレスチンは
GPCR によって活性化される細胞内シグナル分子のひとつであり、細胞膜に含まれるホスファチジルイノシトール 4,5ビスリン酸（PIP2)と相互作用し、アロステリックに活性制御されることが報告されている。本課題研究において、PIP2 がβアレスチンに与える影響を GPCR-βアレスチン複合体の分子動力学シミュレーションによって調べたところ、PIP2 分子がβアレスチンの既知 PIP2 結合部位と結合することが観察された。さらに、既知の結合部位とは別の部位に PIP2 が結合する様子が観察され、この部位と PIP2 の相互作用の滞留時間は既知 PIP2 結合部位よりも長いことがわかった。
英文抄録（100 words 程度）
G-protein-coupled receptors (GPCRs) are expressed in the plasma membrane and transmit signals
from the extracellular side to the intracellular side. GPCRs activate many intracellular signaling
molecules including β-arrestins, which interact with phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate (PIP2) molecules
contained in the plasma membrane. Here, we used molecular dynamics simulations to study the effects of PIP 2 on
β-arrestin in a model GPCR–β-arrestin complex system. PIP2 molecules were immediately bound to the known
PIP2-binding site of β-arrestin, and another PIP2-binding site was observed with longer retention time than the known
PIP2-binding site.

Keywords: βアレスチン、PIP2、GPCR、MD シミュレーション

背景と目的アレスチンの活性化の制御因子であることが報告されてG タンパク質共役受容体（GPCR）は細胞膜上に発現いる。ホスファチジルイノシトール 4,5 ビスリン酸（PIP2)する膜タンパク質であり、ヒトゲノム上に約 800 種類存在はこのような膜脂質のひとつであり、細胞膜に近づいたする最大のタンパク質ファミリーである。GPCR は光・匂βアレスチンと結合することで GPCR と結合していないい・ホルモンなどといった細胞外からの刺激を細胞内へβアレスチンを弱く活性化できることが本研究者らの先伝える役割をもっており、細胞内の様々なシグナル分子行研究で明らかとなっている。

を活性化する。そのうちのひとつとしてβアレスチンが酸性脂質である PIP2 によるβアレスチンの活性化に知られており、G タンパク質シグナルの終結に関わるととはβアレスチン表面上に存在する３つの塩基性アミノ酸もにβアレスチン依存的なシグナルの起点となる。

から構成される結合部位が関わっている（図１）。一方で、

GPCR-βアレスチンのシグナル経路は創薬上重要であ

この部位のアミノ酸残基を中性アミノ酸に置換して PIP2り、GPCR を標的とした薬剤の効果に多大な影響を及ぼとの結合能を失わせたβアレスチン変異体でも PIP2 とのす。

結合は残存しており、βアレスチンには他の部位でもリガンド結合により活性型となった GPCR は、細胞質PIP2 と結合しうることが示唆されていた。に存在するβアレスチンを細胞膜へとリクルートする。

本研究課題においては、βアレスチンと PIP2 の相互

βアレスチンの活性化にはリン酸化 GPCR との相互作作用様式を理解することを目的として分子動力学（Ｍ用が重要であるが、近年、脂質二重膜と相互作用もβＤ）シミュレーションを行い、新規 PIP2 結合部位の同定を（様式 20）成果報告書試みた。
概要
本研究ではβアレスチンと結合する GPCR としてバソプレシン V2 受容体（V2R）をモデルとした。脂質二重膜の内葉に PIP2 を 10%mol の割合で含む 1-パルミトイル-2-オレイル-sn-グリセロ-3-ホスホコリン（POPC）二重膜を用意し、V2R-βアレスチン複合体を埋め込んだ（図２）。βアレスチンが V2R と結合し、活性型構造を取る初期状態から分子動力学シミュレーションを開始し、その動態を観察した。その際、PIP2 の初期配置が及ぼす影響を取り除くため、PIP2 の初期配置をランダムにした脂質二重膜を作製し、計 3 回のシミュレーション結果を解析した。

図１ 活性型βアレスチンと PIP2 の結合結果および考察

ニューロテンシン受容体１（NTSR1）-βアレスチン 1 複シミュレーション中では PIP2 と既知 PIP2 結合部位との結合が見られた（図３）。これは界面活性剤ミセル中の合体のクライオ電子顕微鏡構造（PDBID: 6UP7）。一分子の PIP2 がβアレスチンと結合している。

実験構造（図１）で見られたのと同様の部位であり、シミュレーション中における二重膜中でも同様に結合することがわかった。さらに、βアレスチンは別の箇所でも PIP2と結合していることを見出した（図３）。この新規 PIP2 結合箇所と既知 PIP2 結合部位を構成する各残基が PIP2 と相互作用距離にある時間の割合を調べたところ、この新規結合部位は既知結合部位よりも長い時間 PIP2 と相互作用していることがわかった（図４）。4 残基からなる当該部位を新規の PIP2 結合部位と位置付けた。

図２ PIP2 と活性化βアレスチンのシミュレーション系まとめ、今後の課題

MD シミュレーションにおける初期配置の一例。初期状

本課題研究ではβアレスチンの新規 PIP2 結合部位をMD シミュレーションによって同定した。今後、不活性化状態のβアレスチンと PIP2 の結合・解離過程をシミュレーションすることで、PIP2 によってβアレスチンが活性化状態へと至る全過程を捉えることができる可能性がある。
また、本研究により見出した新規の PIP2 結合部位について、変異体を用いた機能解析を計画しており、βアレスチンの GPCR シグナル制御における PIP2 の重要性の実験的実証が望まれる。

態では既知 PIP2 結合部位（図１）とβアレスチンの相互作用は存在しない。

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図３ シミュレーション中でβアレスチンに結合した PIP2
既知 PIP2 結合部位と比べて GPCR（V2R）からより離れた位置で PIP2 と結合している。

図４ βアレスチンの残基と PIP2 と相互作用時間
βアレスチン表面に存在する塩基性アミノ酸と PIP2 の相互作用時間は新規 PIP2 結合部位が既知部位よりも長い。