The full activation mechanism of the adenosine A <sub>1</sub> receptor revealed by GaMD and Su-GaMD simulations

G蛋白偶联受体 细胞外 化学 腺苷 腺苷受体 受体 计算生物学 生物物理学 生物 生物化学 兴奋剂
作者
Yang Li,Jixue Sun,Dongmei Li,Jianping Lin
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [Proceedings of the National Academy of Sciences]
卷期号:119 (42)
标识
DOI:10.1073/pnas.2203702119
摘要

The full activation process of G protein-coupled receptor (GPCR) plays an important role in cellular signal transduction. However, it remains challenging to simulate the whole process in which the GPCR is recognized and activated by a ligand and then couples to the G protein on a reasonable simulation timescale. Here, we developed a molecular dynamics (MD) approach named supervised (Su) Gaussian accelerated MD (GaMD) by incorporating a tabu-like supervision algorithm into a standard GaMD simulation. By using this Su-GaMD method, from the active and inactive structure of adenosine A1 receptor (A1R), we successfully revealed the full activation mechanism of A1R, including adenosine (Ado)-A1R recognition, preactivation of A1R, and A1R-G protein recognition, in hundreds of nanoseconds of simulations. The binding of Ado to the extracellular side of A1R initiates conformational changes and the preactivation of A1R. In turn, the binding of Gi2 to the intracellular side of A1R causes a decrease in the volume of the extracellular orthosteric site and stabilizes the binding of Ado to A1R. Su-GaMD could be a useful tool to reconstruct or even predict ligand-protein and protein-protein recognition pathways on a short timescale. The intermediate states revealed in this study could provide more detailed complementary structural characterizations to facilitate the drug design of A1R in the future.
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