$M_1$과 $M_2$ 무스카린성 수용체에서 아미노산 Triplet Repeat의 Site-Mutagenesis가 수용체기능에 미치는 영향

Effects of Site-Mutagenesis of an Amino Acid Triplet Repeat at $M_1$ and $M_2$ Muscarinic Receptors on Receptor Function

$M_1$과 $M_2$ 무스카린성 수용체의 두 번째 transmembrane domain의 C-말단에는 leucine(L), tyrosine(Y), threonine(T)로 구성된 3중체(triplet)가 있다. 이 3중체는 $M_2$ 무스카린성 수용체에서는 두 번째 transmembrane domain과 첫 번째 세포외 고리사이의 연접부위에서 LYT-LYT의 반복구조로 존재하며 $M_1$ 무스카린성 수용체에서는 흥미롭게도 LYT-TYL의 역상구조로 존재한다. 본 연구에서는 site-directed mutagenesis방법을 사용하여 이와 같은 특이한 구조적차이가 두 subtype의 수용체의 기능상 차이와 관련한 역할을 가지고 있는지를 확인하고자 하였다. $M_1$ 수용체에서는 LYTTYL서열을 $M_2$ 수용체의 서열에 해당하는 LYTLYT로 mutation시켰으며 $M_2$ 수용체에서는 LYTLYT8서열을 $M_1$ 수용체의 서열에 해당하는 LYTTYL로 mutation시켰다. 이와같은 mutation은 $M_1$과 $M_2$ 수용체에서 효능제 carbachol의 수용체 결합친화력에 유의한 변화를 주지 않았다. 또한 $M_1$ 수용체에서의 mutation은 cyclic AMP 증가작용에 대한 coupling은 변화시키지 않고 phosphoinositides (PI) hydrolysis 촉진작용과 세포내 $Ca^{2+}$ 농도 상승을 현저히 증가시켰다. 또한 $M_2$ 수용체에서의 mutation은 adenylate cyclase 억제에 대한 coupling은 변화시키지 않고 PI hydrolysis 촉진을 약간 증가 시켰다. 이상의 결과는 $M_1$과 $M_2$ 수용체에서 LYTTYL/LYTLYT 아미노산 서열의 차이는 두 수용체의 PI hydrolysis에 대한 coupling을 조절하는 역할을 하지만, 두 수용체 사이에서 ligand 결합과 신호전달계의 차이를 구분하는데 중요한 역할을 하지는 않는다.

Both $M_1$ and $M_2$ muscarinic receptors contain a triplet of amino acid residues consisting of leucine (L), tyrosine (Y) and threonine (T) at C-terminus ends of the second putative transmembrane domains. This triplet is repeated as LYT-LYT in $M_2$ receptors at the interface between the second transmembrane domain and the first extracellular loop. Interestingly, however, it is repeated in a transposed fashion (LYT-TYL) in the sequence of $M_1$ receptors. In this work, we employed site-directed mutagenesis to investigate the possible significance of this unique sequence diversity for determining the distinct differential cellular function at the two receptor subtypes. Mutation of the LYTTYL sequence of $M_1$ receptors to the corresponding $M_2$ receptor LYTLYT sequence did not result in a significant change in the binding affinity of the agonist carbachol. The reverse mutation at the $M_2$ receptor also did not modify agonist affinity. Surprisingly, the LYTLYT $M_1$ receptor mutant demonstrated markedly enhanced coupling to activation of phospholipase C without a change in its coupling to increased cyclic AMP formation. There was also an enhanced receptor sensitivity in transducing elevation of intracellular $Ca^{2+}$. On the other hand, the reverse $LYTLYT{\rightarrow}LYTTYL$ mutation in the $M_2$ receptor did not alter its coupling to inhibition of adenylate cyclase, but slightly enhanced its coupling to stimulation of phosphoinositide (PI) hydrolysis. Our data suggest that the LYTTYL/LYTLYT sequence differences between $M_1$ and $M_2$ muscarinic receptors are not important for specifying ligand binding and coupling of various subtypes of muscarinic receptors to different cellular signaling pathways although they might play a role in the modulation of muscarinic reseptor coupling to PI hydrolysis.