P2Y2受体激活机制大揭秘：解锁生命信号密码的关键钥匙

嘌呤能 P2Y2受体（P2Y2R）的配体识别和 G 蛋白偶联机制不明。研究人员测定其与 G 蛋白复合物的冷冻电镜结构，发现其配体识别特征、G 蛋白偶联选择性及 N 端自激活机制，为理解其激活机制和药物设计奠定基础。

　　在生命的微观世界里，细胞之间的通信至关重要，而嘌呤能信号通路就是其中一条关键的 “信息高速公路”。嘌呤能 P2Y₂受体（P2Y₂R）作为这条通路中的重要 “信号兵”，能够感知细胞外的 ATP 和 UTP，进而介导嘌呤能信号传递。它在人体多个器官和组织中广泛表达，对维持组织稳态和调节细胞功能起着不可或缺的作用，比如参与血管舒张、氯离子分泌、中性粒细胞趋化、皮肤伤口愈合以及心脏中胚层诱导等生理过程。

然而，就像神秘的宝藏被迷雾笼罩一样，P2Y₂R 的一些关键机制一直未被完全揭示。尽管它作为药物靶点具有重要意义，但由于缺乏结构信息，其配体识别和 G 蛋白偶联的分子机制一直是个谜。此外，P2Y₂R 的组成型活性也参与了多种生理过程的调节，却不清楚体内除了 ATP 的自分泌外，是否还有其他内源性刺激物在发挥作用。为了解开这些谜团，来自清华大学等研究机构的研究人员踏上了探索之旅。

研究人员开展了一系列深入研究，最终取得了重要成果，相关论文发表在《Cell Discovery》上。他们的研究为理解 P2Y₂R 的激活机制提供了关键线索，也为基于结构的药物设计奠定了坚实基础。

在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。首先是冷冻电镜（cryo-EM）技术，通过该技术测定了 P2Y₂R 在不同状态下与 G 蛋白复合物的结构，直观地展示了受体与配体、G 蛋白的结合方式。其次是分子动力学（MD）模拟，这一技术帮助研究人员深入分析受体在不同状态下的结构动态变化。此外，还进行了功能测定实验，如 NanoBiT - 基于的 G 蛋白解离测定和 cAMP 积累测定，用于评估受体的信号传导和活性。

研究结果

1. P2Y₂R 和 P2Y₄R 的信号特征和整体结构：研究人员利用 NanoBiT - 基于的 G 蛋白解离测定，全面研究了 P2Y₂R 对不同配体的信号传导及其与各种 G 蛋白亚型的偶联情况。结果显示，ATP 和 UTP 激活 P2Y₂R 的经典 G_q信号的效力相当，而 ADP 的效力较弱。P2Y₂R 具有广泛的 G 蛋白偶联特性，与 G_q、G₁₂、G₁₃和 G_o有较强的结合，与其他一些 G 蛋白亚型则无结合或结合较弱。同时，研究人员通过冷冻电镜确定了 P2Y₂R 和 P2Y₄R 的活性状态结构，发现它们在与 G_q蛋白结合时构型相似，但也存在一些差异，比如 P2Y₂R 的 TM1 和 ICL1 向跨膜螺旋束中心有位移。
2. P2Y₂R 的激活状态：由于缺乏 P2Y₂R 和 P2Y₄R 的非活性状态结构，研究人员以 MRS2500 结合的 P2Y₁R 的非活性状态结构为参考。研究发现，P2Y₂R 在与 G_q或 G_o偶联时，TM6 会发生向外移动，且 TM6 和 TM7 中的一些关键残基对其激活至关重要，相应的丙氨酸突变会显著降低 ATP 诱导的 G_q激活效力。
3. P2Y₂R 对 ATP 的识别：研究人员对 P2Y₂R - G_q复合物进行研究，发现 P2Y₂R 的 ATP 结合口袋相对较浅，由多个跨膜螺旋、N 端和 ECL2 的残基形成。ATP 的结合涉及与多个残基的相互作用，包括与 5'- 三磷酸基团的广泛极性接触，以及与碱基和核糖部分的特异性识别。破坏这些相互作用的突变会显著损害 P2Y₂R 的激活。
4. P2YRs 核苷酸识别模式的比较：通过对不同 P2YRs 的结构分析，发现 P2Y₁R、P2Y₂R 和 P2Y₄R 具有相似的 “碱基向上” 的配体结合模式，而 P2Y₁₂R 则采用 “碱基向下” 的模式。P2Y₂R 和 P2Y₄R 在 N 端序列上的差异，导致它们对 ATP 和 UTP 的识别特异性不同，突变实验进一步证实了 N 端在决定配体识别特异性中的重要作用。
5. P2Y₂R 和其他 P2Y₁R - 样受体的 G_q偶联机制：P2Y₁R - 样亚家族的受体具有与 G_q偶联的能力。P2Y₂R 与 G_q的偶联通过一系列保守的相互作用实现，包括与 G_q的 α5 螺旋的相互作用。一些关键残基的突变会显著影响 P2Y₂R 的 G_q激活效力，揭示了这些相互作用在偶联过程中的重要性。
6. P2Y₂R 中不同的 G_q和 G_o偶联机制：P2Y₂R 除了与 G_q偶联外，还能与 G_o偶联，且对 G_o的激活效力更高。通过比较 ATP - P2Y₂R - G_q和 ATP - P2Y₂R - G_o复合物的结构，发现细胞内区域的构象变化，尤其是 TM6、TM7、ICL2 和 ICL3 的变化，以及受体与 G 蛋白界面的特定相互作用，决定了其与不同 G 蛋白的偶联选择性。
7. N 端导致 P2Y₂R 的自激活：研究发现 P2Y₂R 在没有内源性配体时也具有较高的组成型 G_q偶联活性。通过对 apo 状态下 P2Y₂R - G_q复合物的结构分析，发现 N 端的螺旋状片段占据了正构结合位点，起到 “内置激动剂” 的作用，促进了受体的自激活。突变实验表明，破坏 N 端与受体其他区域的相互作用会显著降低其组成型活性。
8. P2Y₂R 自激活状态与完全激活状态的比较：P2Y₂R 的 N 端占据正构结合位点使其呈现出活性状态的结构特征，但与 ATP 诱导的完全激活状态相比，仍存在一些差异。自激活状态下，受体的细胞外部分如 TM6、TM7 和 ECL3 表现出更高的灵活性，且与 G_q的相互作用也有所不同，这些差异可能解释了自激活程度相对较低的原因。

研究结论与讨论

这项研究通过多种研究方法，全面揭示了 P2Y₂R 的激活机制，包括核苷酸识别、G 蛋白亚型选择性和 N 端诱导的自激活等方面。研究结果不仅加深了我们对 P2Y₂R 功能的理解，还为基于结构的药物设计提供了重要的理论依据。

在核苷酸识别方面，不同 P2YRs 的结构差异为开发具有更高亚型选择性的药物提供了可能。通过对 G 蛋白偶联机制的研究，发现 ICL2 和 ICL3 在介导不同 G 蛋白偶联中的关键作用，这为开发针对特定 G 蛋白通路的药物提供了潜在的靶点。而 P2Y₂R 的自激活机制的发现，为理解其在生理和病理过程中的作用提供了新的视角，也为设计调节其活性的肽类疗法提供了方向。

此外，研究还发现 P2Y₂R 的组成型活性可能与体内的生理调节密切相关，其 N 端序列在哺乳动物中的保守性暗示了这种自激活机制在进化过程中的重要性。然而，关于 P2Y₂R 自激活在体内的具体生理功能，以及其与其他因素的相互作用，仍有待进一步研究。

总之，这项研究在 P2Y₂R 的研究领域取得了重要突破，为未来的药物研发和生理功能研究开辟了新的道路，有望为相关疾病的治疗带来新的希望。