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09月03日

GPCR偏置性信号传导的分子机制

作者 : admin | 分类 : 生物医学 | 超过 11 人围观 | 已有 0 人发表了看法
原标题:GPCR偏置性信号传导的分子机制

G蛋白偶联受体(G protein–coupledreceptor, GPCRs)是人类基因组中最大的膜蛋白家族,常见的结构特征为七次跨膜(7TM)结构域,可被各种刺激,如光子、离子、神经递质和激素激活,负责将细胞外信号转移到胞浆中,发挥不同的生理作用。超过30%的已批准药物以GPCRs为靶标,它们仍然是药物发现中最成功和最有希望的一类靶标蛋白。

GPCRs与G蛋白结合并水解鸟苷5 ' -三磷酸(GTP),介导下游信号转导。与GPCRs相关的g蛋白是异三聚体,由三个亚基组成,Gα, Gβ, and Gγ,Gα蛋白:进一步分为Gαs, Gαi/o, Gαq/11, and Gα12/13。根据特定GPCR偶联的G蛋白类型,受体激活可导致特定二级信使,如肌醇三磷酸(Gq)或环腺苷单磷酸(cAMP) (Gs/Gi)。GPCRs在其相关的G蛋白被释放和激活后,G -蛋白偶联受体激酶(GPCR kinases, GRKs)的蛋白激酶家族会磷酸化的细胞内区域,磷酸化的GPCRs会招募β-arrestins, 介导GPCR信号的脱敏、内化,从而起到信号“关闭”的作用,导致G蛋白依赖的GPCR信号的负反馈。β-arrestins不仅是介导G蛋白信号脱敏的蛋白,其本身也具有信号转导的能力,多种介质如增殖蛋白激酶(MAPKs), SRC,核因子-κB (NF -κB)和磷酸肌醇3-kinase (PI3K)。

GPCR偏置性信号传导的分子机制

最初认为,大多数与GPCRs结合的配体具有平衡或不偏的活性,可通过Arrestins和G蛋白途径发出信号;也就是说它们通过两者发出的信号是相等的。然而有些受体配体系统倾向于一个途径而不是另一个途径;也就是说,它们优先通过G蛋白或Arrestins蛋白介导的途径发出信号,偏置配体倾向于一个反应而不是另一个反应, GPCRs的这种信号转导方式称为“偏置信号”(biased signaling)。

GPCR偏置性信号传导的分子机制

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而目前关于偏置信号转导的详细分子机制尚不清楚,但已有报道称偏置GPCR配体诱导了一种独特的受体构象,反过来通过结合G蛋白或βaresstin激活一个独特的信号。关于偏置配体稳定的这些构象是什么,以及配体如何稳定的GPCRs采用什么样的特定构象一直未知,阻碍了GPCR偏置信号配体的发现和优化。近日,斯坦福大学的研究人员报道了他们对GPCR偏置信号分子机制的探索发现,此项工作中他们利用大规模的分子动力学模拟研究方法对CPCR偏置信号研究中的经典受体模型—血管紧张素II受体1(AT1R)的Gq和β-arrestin偏置信号的分子机制进行了探索,并根据研究结果设计了Gq和β-arrestin偏置信号特定配体,在体外细胞实验中进行了验证,为GPCR偏置信号研究奠定了基础。

首先他们根据已报到的AT1R与平衡受体(Balance Ligand)—血管紧张素II(AngII)的晶体结构设计进行了5μs的动力模拟,通过分析模拟轨迹发现了AT1R在配体激活后存在两种不同的构象,命名为备选构象(alternative conformation)和经典构象(canonical conformation),通过比对发现二者的主要结构差异位于受体的TM7螺旋的胞内端。

GPCR偏置性信号传导的分子机制

从胞外角度看,从备选构象到经典构象,TM7自脯氨酸扭结上方逆时针翻转,导致TM7胞内部分远离TM2和TM3,导致N1.50(ASN46)将其首选的氢键受体由N7.46(Asn295)到C7.47(Cys296)。构象转变也导致侧链重排:Y7.35和R3.50的侧链在备选构象中指向胞内(向下的),而在经典构象中指向胞外(向上的)。经典构象采取广泛的CPCR活性构象特征,并且与实验上报道的一种CPCR活性结构特征十分相似。虽然没有找到与备选构象十分相似的实验结构,但是在备选构象中的TM7的构象特征与实验上报道的血清素受体2B受体(5-HT2BR)与arrestin偏置配体的复合体结构中的TM7构象十分相似。

通过统计学分析也发现他们所观察到的TM7在两种构象特征也能够与目前所报道的GPCR晶体结构匹配,表明了他们观察到的TM7构象特征的科学存在。研究人员大胆推测两种构象与G蛋白和arrestis信号偶联存在不同,备选构象可能负责arrstins信号偏置。为了验证这个猜想,研究人员首先根据已报到的GPCR-G protein和GPCR-arrestins结构对AT1R的两种构象结构与不同G蛋白和arrstins复合体进行了建模,结果发现,经典构象能够很好地叠合Gq和β-arrestin,而备选构象在叠合Gq蛋白时显示出明显的空间位阻,分析表明AT1R的Gq偏置信号可能主要由经典构象负责,而β-arrestin信号可能主要由备选构象负责。

GPCR偏置性信号传导的分子机制

为了进一步验证,研究人员采用复制交换分子动力模拟(REMD)增加模拟构象交换取样,设计了平衡信号(AngII),Gq偏置信号(TRV055,TRV066),β-arrestin(TRV023,TRV026,TRV027)偏置信号体系三组模拟体系进行模拟分析,统计学分析表明,与β-arrestin偏置配体结合的TM7比平衡配体更容易采用替代构象,而平衡配体比Gq偏置配体结合的TM7更容易采用替代构象(图7C)。作者综合前文的观察,得出结论arrestin偏置配体通过备选构象达到arrestin信号偏置,而G蛋白偏置配体主要通过经典构象达到偏置信号。

GPCR偏置性信号传导的分子机制

而后,研究人员对配体接合引起TM7胞内端变化的变构网络机制进行了探索,通过模拟分析发现主要有三个区域残基发生重排,耦合信号传递:从备选构象过渡到经典构象过程中,首先是L3.36靠近TM2,N3.35从螺旋束向外翻转(绿色区域);N3.35的向外位移为F2.53提供了与Y7.43互换位置的空间(橙色区域);Y7.43的运动导致TM7在其脯氨酸扭结上方扭曲,导致N7.46取代C7.47称为N1.50的氢键伙伴(紫色区域)

GPCR偏置性信号传导的分子机制

研究人员想要根据发现结果设计出诱导AT1R偶联Gq和arrestin信号偏置的配体。于是他们采用力学限制方法使得AT1R胞内端残基保持活性状态,探究配体结合口袋残基的变化来寻找设计思路。通过轨迹分析,他们发现配体口袋中的L3.36与TM2的距离与偏置信号差异有关,平衡信号配体体系比arrestin体系更加频繁地靠近TM2,三个体系中,最靠近TM2的是Gq体系。进一步分析他们发现导致这种差异的主要原因有三点:1)arrestin偏置配体要比其他两个配体延伸到口袋的深度要小得多,AngII和Gq偏置配体在8位(F8)有较大的苯丙氨酸,因此有将L3.36推向TM2的趋势;2)模拟分析表明F8残基苯环的取向与L3.36-TM2的距离有关,当苯环采取垂直取向时,导致L3.36-TM2距离增大,当苯环采取水平取向时,L3.36-TM2距离减小;3)配体2号位残基的带电性影响了苯环取向,同时也会影响结合口袋处TM6的的外移引起偶联Gq信号差异,当2号位的残基为带正电的精氨酸是,其会通过电荷作用使得TM4与TM6螺旋间距离减小,使得F8苯环更倾向于垂于取向。Gq配体上,2号位为非带电氨基酸,使得TM4与TM6间的距离保留足够远,F8苯环倾向于水平取向,TM6呈现出更多的外移比例。

GPCR偏置性信号传导的分子机制

最后,基于模拟分析他们得到了设计偏置信号配体的思路,他们认为当使得F8参加苯环更多时间上保持垂直取向时会有利于arrestin信号偏置,当对2号位氨基酸进行不带电荷氨基酸替换时有利于Gq信号偏置。于是,他们分别对平衡信号配体AngII(全激动剂)和S1I8(部分激动剂)按照以上思路进行了分子改造,通过体外细胞实验发现,所设计的偏置信号配体复合预期设想,对AngII进行取代改造后,能够提高苯环保持垂直取向的比例,进而增加其偶联arrestin的能力。而当将S1I8的2号位氨基酸替换成丙氨酸后,发现其仅在偶联Gq信号的能力上得到提升。综上所述,他们根据自己的分子机制发现较为成功地改造设计出了AT1R不同偏置信号配体,为GPCR偏置信号研究提供了重大帮助。

GPCR信号的研究开辟了一个GPCR-targeted药物发现新时代,在许多情况下,偏置配体的治疗优势已在临床前动物模型或临床试验中得到研究。本项研究工作对偏置信号分子机制的研究奠定了基础。另外,在文末作者也指出,他们的研究中还发现另外两种不同于本文所报道的两种构象,猜测其可能是另外两种负责G蛋白信号偶联的构象。GPCR的构象总体呈现出动态多变的特点,在不同种类间其活性构象也会存在差异,实验报道中也指出其偶联G蛋白和arrestins构象的多元性,因此,针对GPCR偏置信号的探索研究仍然是未完待续的。

参考文献

1. Suomivuori CM, Latorraca NR, Wingler LM, et al. Molecular mechanism of biased signaling in a prototypical G protein-coupled receptor. Science. 2020;367(6480):881-887.

2. Rajagopal S, Rajagopal K, Lefkowitz RJ. Teaching old receptors new tricks: biasing seven-transmembrane receptors. Nat Rev Drug Discov. 2010;9(5):373-386.

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