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本文聚焦 G 蛋白偶联受体（GPCR）与离子通道间的相互作用。详细阐述了二者在膜垂直和水平方向的信号转导机制，分析了相关复合物的结构基础，探讨了研究面临的挑战及技术进展，为理解细胞信号传导和开发靶向疗法提供依据。
1. GPCR 与离子通道相互作用的研究背景
跨膜蛋白，像 G 蛋白偶联受体（GPCR）和离子通道，在信号转导中作用关键。细胞内许多化合物助力 GPCR 与离子通道间的通信，引发垂直和水平信号传导。结构生物学的进步，尤其是冷冻电镜（Cryo-EM）技术的出现，让我们对垂直信号传导过程有了更深入的理解。同时，研究发现膜蛋白在细胞膜上会发生瞬时相互作用，甚至形成大规模复合物。接下来，我们将从结构生物学角度，探讨 GPCR 与离子通道的相互作用及其在介导生理反应中的角色。
1.1 GPCR 在膜垂直轴上的信号转导
GPCR 能与不同类型的受体相互作用，与 G 蛋白或抑制蛋白家族成员结合，激活不同的信号通路，参与多种生理反应。这种多样性的耦合机制，使得 GPCR 在细胞信号网络的下游调节中发挥着复杂且关键的作用。
1.1.1 GPCR - G 蛋白复合物的结构基础
在经典信号通路里，GPCR 激活会使异源三聚体 G 蛋白解离为 Gα和 Gβγ亚基，影响下游信号传导。研究利用纳米圆盘技术组装 D2 多巴胺受体（DRD2）-Gi异源三聚体蛋白复合物，揭示了 A 类受体与 G 蛋白在磷脂环境中的耦合机制。受体的跨膜片段 TM5、TM6、TM7 和细胞内环 2（ICL2），与 G 蛋白的 α5 和 αN 螺旋存在关键相互作用区域。而且，G 蛋白与受体的耦合较为灵活，激动剂结合并非一步到位激活受体，中间存在多种状态和构象变化，这构成了 GPCR 激活复杂机制的基础。
1.1.2 GPCR - arrestin 复合物的结构基础
arrestin 家族有四个成员，通常协助激活的 GPCR 内化，还能作为支架蛋白传递信号。通过冷冻电镜解析 β1 肾上腺素能受体（β1AR）-βarr1 复合物结构发现，arrestin 家族在结合 GPCR 时，从非活性状态的无结构区域转变为活性状态的手指环（s5s6），插入受体。不同 GPCR - arrestin 复合物中，手指环插入受体的二级结构和深度不同，结合取向也多样。β1AR 的几乎所有胞质结构元件都与 βarr1 相互作用，ICL2 在其中作用显著。当 G 蛋白解离、arrestin 结合时，受体的一些结构会发生变化，影响与激动剂的亲和力。
1.2 GPCR - 离子通道在膜水平方向的信号转导
越来越多证据显示，GPCR 的信号转导可在膜空间层直接或附近进行，常伴随着蛋白质共定位和超复合物形成。配体刺激下，GPCR 与 G 蛋白、arrestin 相互作用，调节离子通道功能，影响细胞的离子通量、电兴奋性和第二信使级联反应。
1.2.1 通过 G 蛋白的 GPCR - 离子通道相互作用
- G 蛋白 - GIRK：电生理研究等表明，G 蛋白门控内向整流钾通道（GIRK）由 Gβγ亚基选择性激活。X 射线晶体学描绘了 GIRK - Gβγ结构，发现四个 G 蛋白单元与一个通道结合，形成稳定的中间状态。它们之间有大量接触表面，通过 β 片层区域相互作用。GIRK 的 βL - βM 环上有许多酸性氨基酸，形成正电荷表面，引导 Gβγ亚基结合。毒蕈碱型乙酰胆碱受体（M2R）和 GIRK 的共定位，支持了相关复合物形成的假设。
- Gαi3 - TRPC5 离子通道：全细胞膜片钳研究发现，解离的 Gαi亚基可调节瞬时受体电位经典（TRPC）4/5 通道。Gαi3与 TRPC5 结合时，会诱导其构象变化。二者相互作用界面独特，TRPC5 的锚蛋白重复结构域（ARD）螺旋对 1 - 2 嵌入 Gαi3的浅沟，连接 ARD 区域 3 - 2 和 4 - 1 的环也与 Gα 相互作用。TRPC5 上的 I57、Y58、Y59 等残基对结合至关重要，TRPC4 和 TRPC5 的 IYF 基序保守，暗示它们可能以相似方式被 Gαi亚基激活。
- Gβγ - TRPM3 离子通道：在异源三聚体 Gi/o系统中，游离的 Gβγ可与 TRPM3 离子通道结合，抑制其激活。共免疫沉淀实验证实了多蛋白复合物的形成。高分辨率结构显示，TRPM3 的胞质 N 端外显子 17 编码肽段与 Gβ蛋白结合，形成广泛接触。整个 TRPM3 通道与 Gβγ 的复合物结构表明，通道主要通过包含外显子 17 编码区域的 ICL 与 Gβγ相互作用，还有其他次要接触区域。目前该模型可能并不完整，一些残基的作用机制仍待研究。
1.2.2 GPCR - arrestin - 通道
传统上，GPCR 通过 G 蛋白信号传导引发细胞急性生理反应。arrestin 可识别构象改变或磷酸化的受体，导致受体脱敏或延长 GPCR 功能。近期发现的第三波信号涉及内体中受体 - G 蛋白复合物的相互作用。研究表明 arrestin 与离子通道存在多种相互作用，可调节离子通道激活或转运。如血管紧张素 II 1 型受体（AT1R）激活时，β - arrestin - 1 参与招募 PLCγ 和 TRPC3，促进儿茶酚胺分泌。β - arrestin 还可作为支架蛋白，影响通道的泛素化和内化。
1.2.3 激酶集体蛋白 “桥梁”
GPCR 信号网络中，G 蛋白、激酶等相互作用，形成快速作用的调节通路和多蛋白 “超级复合物”。A 激酶锚定蛋白（AKAPs）家族可结合 PKA 调节亚基，在 G 蛋白依赖的激酶信号通路中起中介作用，也能独立于 GPCR 引导激酶作用于特定靶通道。
1.2.4 脂质及其衍生物膜结构对潜在大分子复合物的影响
脂质在跨膜蛋白功能中作用关键，可作为内源性激活剂和外部配体，结合 GPCR 和离子通道的活性位点，激活并维持其功能。磷脂酰肌醇 - （4,5） - 二磷酸（PIP2）对离子通道研究意义重大，它与 TRP、Kir 和 GIRK 等通道相互作用，稳定通道结构，调节其活性。PIP2 和胆固醇等脂质有助于形成脂筏，组织膜成分，影响 GPCR 和跨膜蛋白的功能与分布。膜结构中的支架蛋白等也对维持生理过程至关重要，不同的膜环境会影响蛋白复合物的形成和稳定性。
1.2.5 配体对膜蛋白的潜在组装作用
在活细胞中，细胞膜、细胞骨架等提供的空间限制和局部浓度增加，促进了蛋白 - 蛋白相互作用。二价配体可诱导多口袋蛋白复合物的形成，如 DRD2 - 二聚体等，但还需实验进一步验证。一些内源性代谢物或分泌配体也能触发 GPCR 和离子通道的活性，如葡萄糖基鞘氨醇对 5 - HT2A 受体和 TRPV4 通道的作用。单配体也可诱导受体形成纳米簇，影响细胞反应。
1.2.6 GPCR 离子口袋
研究证实离子可特异性结合 A 类 GPCR 的口袋，如钠离子与跨膜螺旋束的变构位点相互作用，影响受体构象重组。钠离子与多个保守残基结合，由周围水分子配位。GPCR 激活时，钠离子从结合位点释放到细胞质，对稳定受体非活性状态和触发激活所需的结构变化至关重要。离子通道对特定离子具有选择性，离子流动影响 GPCR 信号传导，二者存在反馈机制。
1.2.7 膜电压对受体 - 配体亲和力的影响
研究发现膜去极化会诱导 GPCR 出现反向亲和力状态，该现象与 GPCR 和 G 蛋白相互作用区域有关，但独立于 G 蛋白。这表明膜电位变化与 GPCR 活性之间存在复杂的相互作用，可能揭示离子通道调节 GPCR 的新机制。
2. 讨论
GPCR 与离子通道的相互作用是膜信号传导机制的重要且复杂的部分。生化和成像技术的进步揭示了它们在局部膜区域的聚集和直接相互作用，即使在蛋白质的天然无配体形式下，这种相互作用也存在，这为理解信号复合物的分子基础开辟了新途径。然而，解析这些膜蛋白超复合物的高分辨率结构仍面临技术限制和复合物动态性的挑战。
虽然观察到 GPCR 有组装和形成二聚体的趋势，但这种情况较少见，研究 GPCR 二聚体有助于理解更大膜蛋白聚集体的机制。二价配体等诱导组装的方法为研究复合物的形成和功能提供了有力工具。
GPCR 与离子通道的动态相互作用受 arrestin 等支架蛋白和膜微环境影响，是细胞信号研究的关键前沿领域。从原子水平理解这些相互作用，有助于深入了解细胞通信网络，发现新的治疗靶点。
目前，生物分子相互作用的动态性给结构表征和数据采集带来困难。为此，人们开发了多种先进方法，如使用纳米抗体稳定蛋白复合物结构、利用化学诱导二聚化技术研究受体寡聚化等。但在膜环境中解析 G 蛋白亚基的完整密度仍存在挑战，需要新的膜模拟物或技术来稳定跨膜超复合物结构。
人工智能（AI）技术，如 AlphaFold 和 RosettaFold，在结构生物学领域取得了重大突破。它们不仅能预测单个生物分子结构，还能分析分子间相互作用，结合分子动力学（MD）模拟等方法，可更精确地预测结合构象和取向，指导实验设计，推动分子生物学研究和靶向疗法的开发。
