Molecular Dynamics Refinement of Open State Serotonin 5-HT3A Receptor Structures

跨膜结构域 化学 跨膜蛋白 离子通道 生物物理学 5-HT3受体 分子动力学 门控 受体 结晶学 立体化学 计算化学 5-羟色胺受体 生物 生物化学 血清素
作者
Zoe Li,Chun Chan,Jonathan D. Nickels,Xiaolin Cheng
出处
期刊:Journal of Chemical Information and Modeling [American Chemical Society]
卷期号:63 (4): 1196-1207
标识
DOI:10.1021/acs.jcim.2c01441
摘要

Pentameric ligand-gated ion channels play an important role in mediating fast neurotransmissions. As a member of this receptor family, cation-selective 5-HT3 receptors are a clinical target for treating nausea and vomiting associated with chemotherapy and radiation therapy (Thompson and Lummis, 2006). Multiple cryo-electron microscopy (cryo-EM) structures of 5-HT3 receptors have been determined in distinct functional states (e.g., open, closed, etc.) (Basak et al., 2018; Basak et al., 2018; Polovinkin et al., 2018; Zhang et al., 2015). However, recent work has shown that the transmembrane pores of the open 5-HT3 receptor structures rapidly collapse and become artificially asymmetric in molecular dynamics (MD) simulations. To avoid this hydrophobic collapse, Dämgen and Biggin developed an equilibration protocol that led to a stable open state structure of the glycine receptor in MD simulations (Dämgen and Biggin, 2020). However, the protocol failed to yield open-like structures of the 5-HT3 receptor in our simulations. Here, we present a refined equilibration protocol that involves the rearrangement of the transmembrane helices to achieve stable open state structures of the 5-HT3 receptor that allow both water and ion permeation through the channel. Notably, channel gating is mediated through collective movement of the transmembrane helices, involving not only pore lining M2 helices but also their cross-talk with the adjacent M1 and M3 helices. Thus, the successful application of our refined equilibration protocol underscores the importance of the conformational coupling between the transmembrane helices in stabilizing open-like structures of the 5-HT3 receptor.
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