综述：B1类G蛋白偶联受体激活和信号传导位置的变构调节

《Current Opinion in Structural Biology》：Allosteric modulation of Class B1 G protein-coupled receptor activation and signaling location in the cell

本综述深入探讨了B1类GPCRs（以PTH1R为模型）的变构调控机制，揭示了配体结合如何通过变构效应（如PAMs/NAMs）影响受体构象，进而决定cAMP信号在质膜（瞬时）或内体（持续）的空间位置偏向，为靶向GPCRs的药物设计（如治疗骨质疏松、糖尿病）提供了新视角。

　　

引言

G蛋白偶联受体（GPCRs）是细胞膜上最大的受体家族，负责响应细胞外信号分子（如激素、神经递质）并调控多种生理过程。传统观点认为，GPCRs激活后仅在质膜上产生第二信使环磷酸腺苷（cAMP）。然而，近十年的研究，特别是对甲状旁腺激素1型受体（PTH₁R）的研究，揭示了cAMP也可以在受体内化后的内体中通过不同途径持续产生。这篇综述以B1类GPCRs（分泌素家族）为重点，特别是PTH₁R作为典型代表，探讨了变构调节如何影响其激活、信号传导以及信号在细胞内的空间位置偏向。

B1类GPCRs的构象景观

截至目前，蛋白质数据库中已有149个B1类GPCRs的结构。对这些结构进行主成分分析（PCA）发现，它们的构象空间可以清晰地划分为活性状态和非活性状态。激活的关键结构变化在于跨膜螺旋6（TM6）细胞质端的向外摆动，这暴露了用于结合G蛋白的细胞内腔。同时，细胞外结构域（ECD）的α₁螺旋也会发生协同重排。这些变化是受体本身结构所编码的固有动力学特性。

结构变化驱动的功能分化

通过比较PTH₁R与不同配体（如完全激动剂LA-PTH和部分激动剂ePTH）结合的结构，可以发现肽类激素的N端如何插入跨膜结构域（TMD）的特定口袋，从而触发构象变化。这个关键区域位于TM1和TM2的细胞外端附近，也是正性变构调节剂（PAMs，如GLP₁R的LSN3160440）和负性变构调节剂（NAMs，如PTH₁R的Pitt12）的结合位点。PAMs的结合倾向于稳定受体的活性构象，而NAMs则通过限制TM1和TM7的运动，阻止构象变化向TM6传递，从而将受体锁定在非活性状态。这种变构调节精确地控制了受体的功能输出。

持续的内体cAMP信号传导

对于PTH₁R而言，持续的内体cAMP信号传导依赖于β-抑制蛋白（βarr）的参与。配体结合后，G_q蛋白的激活会释放Gβγ亚基，进而促进磷脂酰肌醇3-激酶（PI3K）产生PIP₃。PIP₃与βarr结合，促使PTH₁R–βarr–Gβγ三元复合物在质膜上组装并内化到早期内体中。在内体膜上，该复合物重新与Gα_s蛋白结合，从而启动持续的cAMP生产。不同的配体可以影响这一过程。例如，长效PTH类似物（LA-PTH）能引发强烈而持久的内体cAMP信号和血钙升高，而与严重甲状旁腺功能减退症相关的PTH突变体PTH^R25C则只能诱导质膜的瞬时cAMP信号，无法激活内体通路。

ANM分析揭示PTH结合的PTH₁R的变构动力学

各向异性网络模型（ANM）是一种计算工具，用于分析蛋白质结构的集体运动模式。对PTH结合的PTH₁R–G_s复合物进行ANM分析，揭示了其固有的协同运动模式：TM6的摆动与TM1的倾斜、TM7的弯曲以及H8的重新定向相互耦合。交叉相关分析进一步显示，PTH激素的N端残基（特别是1-3位）与TM5-ICL3-TM6区域的运动存在极强的相关性。这表明配体的细微变化可以远程影响受体的胞内端构象。

通过改变PTH中Leu7的对映体状态观察到的位置偏向

基于ANM的预测，研究人员将PTH中的L-亮氨酸7（l-Leu7）替换为其对映体D-亮氨酸7（d-Leu7）。结果显示，PTH^7d突变体虽然仍能激活G_s并产生持续的cAMP信号，但由于其与βarr的相互作用存在缺陷，阻止了受体的有效内化，导致信号主要来源于质膜而非内体。在动物模型中，与LA-PTH相比，PTH^7d未能有效提升血液中维生素D的水平，这证实了cAMP信号的空间位置对其生理功能具有决定性影响。分子动力学模拟表明，PTH^7d通过其Glu4残基加强了TM3-TM6之间的极性相互作用网络，更稳定地诱导了TM6的弯曲（kink），这可能解释了其增强的G_s激活能力，但也同时改变了其招募βarr的特性。

结论

变构调节是调控B1类GPCRs功能的一个强大工具。通过修饰内源性激素或设计小分子变构调节剂，我们可以精确地增强或抑制受体活性，并偏置cAMP信号在细胞内的产生位置（质膜 vs. 内体）。关键在于TM1细胞外端附近的结合位点，该位点既能容纳配体的插入，也能响应变构调节剂的结合，从而协同地引发整个受体的构象变化。越来越多的证据表明，信号偏向不仅体现在激活哪条下游通路（如G_s vs. βarr），也体现在信号从哪个细胞器发出（空间偏向）。对于PTH₁R，内体cAMP的产生是空间偏向的一个典型例子，并且与G_q通路激活的路径偏向相互交织。随着结构生物学和计算生物学的发展，我们正逐步具备能力去理性设计能够诱导特定功能和空间偏向的分子，为开发更安全、更有效的靶向GPCRs的药物开辟了新道路。