Nature报道G蛋白偶联受体家族又一重要突破

【字体: 时间:2017年04月11日 来源:生物通

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  来自南加州大学(USC)的科学家们发现一个神秘蛋白质有着令人惊讶的功能,这项发现揭示了许多慢性疾病药物开发的新途径。

  

生物通报道:最近发表在Nature杂志上的这篇文章向我们展示了一个与血压、神经生长、疼痛控制、以及心脏组织再生相关的关键蛋白,它的发现为控制心血管疾病和疼痛疾病打通了一条新路径。

这个蛋白名叫AT2,是血管紧缩素II(angiotensin II)受体之一,能够调节血压。血管紧缩素受体蛋白是很多疾病的关键因素,如糖尿病、高血压、心脏病、充血性心力衰竭、和猝死。

AT2也是G蛋白偶联受体(G Protein-Coupled Receptors,GPCRs)家族成员之一,GPCRs能够跨越细胞膜,响应细胞外的不同刺激(如营养素、激光、甚至日光),然后触发细胞内部反应。由于它们介导了包括正常和疾病在内的众多生理反应,因此像AT2一样的其他GPCRs都是生物医学领域重点开发的药物靶标。

根据人的基因组进行序列分析,人们预测出了近千种G蛋白耦联受体的基因。这些G蛋白耦联受体可以被划分为六个类型,分属其中的GPCRs的基因序列之间没有同源关系——A类(或第一类,视紫红质样受体);B类(或第二类,分泌素受体家族);C类(或第三类,代谢型谷氨酸受体);D类(或第四类,真菌交配信息素受体);E类(或第五类,环腺苷酸受体);F类(或第六类,Frizzled/Smoothened家族)。其中第一类即视紫红质样受体包含了绝大多数种类的G蛋白耦联受体。它被进一步分为了19个子类A1-A19。

一些基于生物信息学的研究着眼于预测那些具体功能尚未明了的GPCRs的分类。研究者使用被称为伪氨基酸组成的方法利用GPCRs的氨基酸系列来预测它们在生物体内可能的功能以及分类。

纸上得来终觉浅,绝知此事要躬行

虽然科研人员早已知道AT2的生理效果,但是它是如何介导这些作用发生的呢?仍然是个谜。

“我们已经观察到了AT2在器官和组织水平上的活动,但是分子水平上的作用机理仍未阐明,”USC Dornsife文理学院的化学、生物科学、物理学和天文学教授Vadim Cherezov说。“部分原因是AT2表现的并不像其它GPCRs。”


G蛋白偶联受体的下游信号通路有多种。与配体结合的G蛋白耦联受体会发生构象变化,从而表现出鸟苷酸交换因子(GEF)的特性,通过以三磷酸鸟苷(GTP)交换G蛋白上本来结合着的二磷酸鸟苷(GDP)使G蛋白的α亚基与β、γ亚基分离。这一过程使得G蛋白(特别地,指其与GTP结合着的α亚基)变为激活状态,并参与下一步的信号传递过程。

生物科学和化学副教授Vsevolod Katritch补充道:“AT2的工作方式并不是典型的GPCRs信号通路,它既不激活G蛋白,也不通过视紫红质(继G蛋白偶联受体激酶,GRK之后发现的另一个中介受体脱敏的重要可溶性蛋白)行使功能。”

在大多数情况下,G蛋白和视紫红质主要与活化后的GPCRs位于细胞内部的一个小裂缝发生相互作用。当细胞外的刺激信号触发GPCRs的激活后,GPCRs便会接连激活一个细胞内部的G蛋白或一个视紫红质,从而向细胞内传递信号,触发细胞内部的级联反应。

然而,AT2向细胞内传递信号的的工作原理至今未明。

为了更好地了解AT2,Cherezov和 Katritch 以及其他科研机构(亚利桑那州立大学、Merck公司、斯坦福线性加速器中心)的科学家们展开了一项合作,目标是彻底阐明AT2的蛋白结构,从而推测分子水平的工作原理。

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这个联合研究小组首先给AT2绑定了两个分子。其中一个只能与AT2相互作用;另一个既可以与AT2相互作用也可以与其近亲AT1相互作用。

随后,科学家们用X射线晶体学手段,在关键性的X射线自由电子激光(X-ray free-electron laser,XFEL)技术支持下,解析了AT2的蛋白结构。

“直线性连续加速器光源(Linac Coherent Light Source ,LCLS)技术最擅长在室温条件下解析跨膜蛋白,”斯坦福线性加速中心的科学家Mark Hunter说。“高分辨率的膜蛋白结构一直是一项难以掌控的研究目标。有些研究员甚至会花费许多年的时间,只为了结晶出大而有序的蛋白质结晶,从而,方能有一定几率在常规光源下被成功解析。”

欲穷千里目,更上一层楼

X射线晶体解析结果产生了三组喜人的成果。

首先,原本用来抑制和中和AT2的两个结合分子,实际上似乎在做相反的事情。“这些分子原本来自AT1受体阻滞剂,我们原本推测它们同样也有阻滞AT2受体的作用,然而事实上,它们反而将AT2受体转化为活跃状态了。”Cherezov说道。

研究人员还看到AT2蛋白的螺旋结构域将原本与G蛋白和视紫红质相互作用的位点堵住了。对大多数GPCRs来说,这种定位于细胞膜内表面的皮瓣蛋白质被称作螺旋VIII。Cherezov说:“AT2蛋白的螺旋VIII却死死的守在G蛋白和视紫红质结合位点上,这就解释了为什么过去使用G蛋白和视紫红质来研究AT2的研究都告以失败。”

最后,AT2的细致晶体结构,向我们揭示了许多未知的AT2和AT1的小分子(如药物)结合位点的细微差别。

“我们过去总认为同源受体,由于DNA层面的亲缘关系较近,所以信号肽的结合口袋(pocket)也应该大致相同。所以以往研究AT2时所使用的化学药物都是直接用AT1的,”Katritch说。“通过了解这些AT2和AT1配体口袋的具体区别,将有助于我们重新设计适合AT2的药物分子。”

事不凝滞,理贵变通

Cherezov指出进一步研究是当务之急。目前的发现无论对非典型GPCRs的机理阐明,还是对潜在的临床新疗法都是关键性的一步。

“结构给了我们第一条线索,接下来我们需要进一步搞清楚AT2与其他蛋白质的相互作用和传递细胞信号的方式,”Cherezov说。“搞清楚这些作用机制后,就可以针对性地设计和选择AT2(不是AT1,更不是其他GPCRs)靶点药物。对很多慢性疾病,如糖尿病、心血管疾病、以及疼痛都是一个利好的消息。”

原文标题:Structural basis for selectivity and diversity in angiotensin II receptors

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