5-HT7与Gs蛋白预组装活性复合物的构象特征

《Journal of Chemical Information and Modeling》：Conformational Signatures of Preassembled and Active Complexes of 5-HT7 with the Gs Protein

5-HT7受体与G_s蛋白在不同状态下的结合界面及动态特征通过分子建模和分子动力学模拟研究，揭示了预组装复合物、活性复合物及无活性状态的分子结构差异，重点分析了TM5、ICL2等区域的构象变化及其与G蛋白的相互作用机制，为药物开发提供结构基础。

　　5-HT7受体是一种重要的G蛋白偶联受体（GPCR），其独特的信号传导特性使其成为药物研发中的潜在靶点。这种受体广泛分布于中枢神经系统中的胶质细胞和神经元，包括脊髓、丘脑、下丘脑、杏仁核以及视交叉上核等区域。它在多种生理活动中发挥关键作用，如睡眠周期调控、昼夜节律维持、快速眼动睡眠、体温调节和记忆形成等。此外，在胃肠道中，5-HT7受体也表达于淋巴组织中的免疫细胞，参与炎症反应的调控。因此，5-HT7受体的异常功能可能导致多种病理状态，如神经退行性疾病、认知障碍、抑郁症以及免疫系统相关疾病，这些都凸显了其在医学研究中的重要性。

GPCR是一类重要的膜蛋白，参与了多种信号传导途径，目前约有34%的获批药物是通过激活GPCR来发挥作用的。5-HT7受体属于5-羟色胺受体亚家族的A类GPCR，其结构与功能与其它A类GPCR（如5-HT1A、5-HT2A和5-HT6）有相似之处，但也存在独特性。人类体内共有七种5-HT受体，其中5-HT1、5-HT2和5-HT7分别与不同的G蛋白偶联。具体而言，5-HT1和5-HT5主要与Gi/o家族的G蛋白偶联，而5-HT2则与Gq/11家族的G蛋白偶联，5-HT4、5-HT6和5-HT7则与Gs家族的G蛋白偶联。这种受体与G蛋白的偶联方式决定了其在信号传导中的特异性，也影响了药物作用的靶点选择。

尽管5-HT7受体在激活状态下的结构已经被解析，但其在非激活状态以及预组装状态下的结构信息仍然有限。这使得我们对5-HT7受体如何与Gs蛋白相互作用、以及其在信号传导过程中的动态变化缺乏深入理解。为了揭示这些关键的结构信息，研究人员利用分子建模和分子动力学（MD）模拟技术，对5-HT7受体在激活状态和预组装状态下的构象变化进行了系统分析。MD模拟作为一种强大的计算工具，能够揭示蛋白质在生理条件下的动态行为，包括瞬时相互作用、构象变化和结构灵活性。通过这些模拟，研究人员能够更全面地理解5-HT7受体与Gs蛋白之间的相互作用模式，并识别出不同状态下特有的结构特征。

在MD模拟中，研究人员构建了5-HT7受体在激活状态和预组装状态下的结构模型，并进行了长时间的模拟。他们发现，5-HT7受体在激活状态下与Gs蛋白形成更为广泛的相互作用界面，而预组装状态下的相互作用则更为局限。这一发现有助于理解5-HT7受体在信号传导中的不同阶段，特别是其在非激活状态下如何与Gs蛋白结合并维持稳定的预组装复合物。通过分析模拟过程中不同区域的构象变化，研究人员还发现了一些关键的动态行为，例如Gs蛋白在预组装状态下的局部灵活性，以及TM6和H5之间的构象差异。

此外，研究人员还利用MD模拟揭示了5-HT7受体与Gs蛋白之间多种相互作用的模式，包括极性相互作用（如氢键和盐桥）和非极性相互作用（如疏水作用、π-π堆叠、T-堆积等）。这些相互作用不仅在激活状态下存在，也在预组装状态下发挥重要作用。例如，在预组装状态下，ICL2和TM5中的某些特异性残基表现出与Gs蛋白的显著相互作用，而在激活状态下，这些残基的相互作用进一步扩展，涉及更多区域。这种结构特异性不仅影响了5-HT7受体与Gs蛋白的结合方式，还可能对信号传导的效率和特异性产生重要影响。

研究人员还发现，5-HT7受体中的一些保守残基在激活和预组装状态下表现出不同的行为。例如，R180（位于TM3区域）和E322（位于TM6区域）在预组装状态下形成一个稳定的离子锁，而在激活状态下，R180的构象发生变化，使其能够与Gs蛋白中的Y391和Y5.58等残基相互作用。这一动态变化可能在信号传导过程中起到关键作用，因为R180在激活状态下可以释放离子锁，从而促进Gs蛋白的激活和下游信号的传导。这些发现不仅有助于理解5-HT7受体的激活机制，还为设计针对该受体的特异性药物提供了新的思路。

在预组装状态下，5-HT7受体的某些特异性残基表现出独特的构象特征。例如，ICL2中的P191在模拟过程中与Gs蛋白的H5和S3等区域形成新的相互作用，而TM5中的F275则在预组装状态下与Gs蛋白的H4S6区域相互作用。这些相互作用的动态变化表明，5-HT7受体的某些区域可能在信号传导过程中起到关键的调节作用。同时，研究人员还发现，5-HT7受体的某些保守残基（如R180和E322）在不同状态下表现出不同的行为，这可能与Gs蛋白的激活机制有关。

为了进一步验证这些发现，研究人员还分析了5-HT7受体在非激活状态下的构象变化。他们构建了5-HT7受体的非激活状态模型，并进行了MD模拟。模拟结果显示，5-HT7受体在非激活状态下能够维持与Gs蛋白的预组装复合物，这种复合物可能在某些生理条件下起到抑制受体活性的作用。此外，研究人员还发现，某些保守残基在非激活状态下表现出较高的稳定性，而在激活状态下则可能参与更广泛的相互作用网络。这些发现为理解5-HT7受体在不同状态下的功能提供了新的视角。

在本研究中，研究人员还探讨了5-HT7受体在激活过程中的可能机制。他们提出，5-HT7受体的激活可能涉及一个中间的预组装状态，这一状态在结构上介于非激活状态和完全激活状态之间。在预组装状态下，R180和E322之间的离子锁可能被打破，从而允许受体的构象发生变化，并最终与Gs蛋白形成完全激活的复合物。这一过程可能涉及多个动态变化，包括TM3和TM6的构象调整，以及ICL2和TM5的相互作用增强。这些变化不仅影响了5-HT7受体与Gs蛋白的结合方式，还可能对下游信号传导的效率产生重要影响。

研究人员还分析了5-HT7受体与Gs蛋白之间的相互作用频率，并发现某些特定的残基在激活和预组装状态下表现出不同的行为。例如，在预组装状态下，ICL2中的P187、L188和P191与Gs蛋白的H5区域形成稳定的相互作用，而在激活状态下，这些相互作用进一步扩展，涉及更多的区域。此外，TM5中的F275在预组装状态下表现出与Gs蛋白的H4S6区域的相互作用，而在激活状态下则可能与Gs蛋白的H5区域相互作用。这些发现表明，5-HT7受体在激活过程中可能通过特定的构象变化来调节与Gs蛋白的相互作用，从而影响信号传导的效率和特异性。

本研究的发现不仅加深了我们对5-HT7受体与Gs蛋白相互作用机制的理解，还为设计针对该受体的新型药物提供了重要的理论基础。通过揭示不同状态下受体与Gs蛋白之间的结构差异和相互作用模式，研究人员能够更精确地识别可能作为药物靶点的关键区域。此外，研究还强调了保守残基和特异性残基在信号传导过程中的不同作用，为开发具有更高选择性和更低副作用的药物提供了新的方向。

总之，这项研究利用分子建模和MD模拟技术，系统地分析了5-HT7受体在不同状态下的结构特征和动态行为。研究结果不仅揭示了5-HT7受体与Gs蛋白之间的相互作用模式，还提出了一个可能的激活机制，其中预组装状态作为中间步骤，有助于受体从非激活状态向完全激活状态的转变。这些发现对于理解GPCR的信号传导机制具有重要意义，并为未来的药物开发提供了新的思路和方法。