闡釋腎上腺素受體的多樣性和配體的選擇性——α2型受體晶體結(jié)構(gòu)解析
Cell Reports | 闡釋腎上腺素受體的多樣性和配體的選擇性——α2型受體晶體結(jié)構(gòu)解析
人腎上腺素受體是G蛋白偶聯(lián)受體，是重要的藥物靶標(biāo)。目前已知腎上腺素受體有三類（α1, α2和β）九種亞型（α1A, α1B, α1D, α2A, α2B, α2C, β1, β2和β3）。2007年，β2腎上腺素受體的非激活這是第一個人源G蛋白偶聯(lián)受體的晶體結(jié)構(gòu)，是G蛋白偶聯(lián)受體結(jié)構(gòu)解析的重大突破。2011年，β2腎上腺素受體和G蛋白的復(fù)合物結(jié)構(gòu)獲得解析，該工作獲得了2012年諾貝爾化學(xué)獎。這些結(jié)構(gòu)的解析極大地推動了人們對G蛋白偶聯(lián)受體（特別是β腎上腺素受體）機(jī)理的理解。然而，三類腎上腺素受體偶聯(lián)的G蛋白不同：α1, α2和β類分別偶聯(lián)Gq、Gi和Gs。通過序列比對，也可以發(fā)現(xiàn)三類受體的配體結(jié)合口袋也有明顯區(qū)別。對腎上腺素受體下游信號選擇的多樣性以及配體的亞型選擇性的理解，一直受制于缺乏α類受體的三維精細(xì)結(jié)構(gòu)。
2019年12月3日，上�？萍即髮W(xué)趙素文和鐘桂生課題組在Cell Reports上共同發(fā)表兩篇論文，報(bào)道了兩個α類受體的三個晶體結(jié)構(gòu)，闡釋了腎上腺素受體多樣性和配體特異性的機(jī)理。
在“Structural Basis of the Diversity of Adrenergic Receptors”一文中，作者通過解析α2A受體與部分激動劑和抑制劑的復(fù)合物結(jié)構(gòu)，輔助細(xì)胞信號實(shí)驗(yàn)和計(jì)算生物學(xué)，分析闡明了在腎上腺素受體家族中序列多樣性是如何導(dǎo)致功能多樣性的。
α2A受體的兩個結(jié)構(gòu)整體非常相似，而配體結(jié)合口袋的多個殘基（包括在腎上腺素受體中不保守的F4127.39）則發(fā)生了劇烈的構(gòu)象變化。通過觀察結(jié)構(gòu)和突變實(shí)驗(yàn)，研究人員解釋了影響配體選擇性的重要氨基酸F4127.39的功能：F4127.39是配體結(jié)構(gòu)口袋的“蓋子”，它與口袋中的另外三個芳香氨基酸一起形成了一個芳香籠來結(jié)合配體中的正電基團(tuán)，使配體結(jié)合時空間和能量效應(yīng)俱佳。突變F4127.39會使α2A受體的完全激動劑和部分激動劑均喪失效力。
α2A受體具有雙重藥理學(xué)效應(yīng)：激動劑濃度較低時，α2A受體主要和Gi偶聯(lián)；激動劑濃度較高時，與GS的偶聯(lián)占據(jù)更主導(dǎo)的地位。相應(yīng)地，在臨床中，α2A受體部分激動劑的效果比完全激動劑要好，如用于降壓的可樂定(Clonidine)和用于ICU鎮(zhèn)靜（在我國也廣泛用于手術(shù)麻醉）的右美托咪定(Dexmedetomidine)都是α2A受體的部分激動劑。為了更好地理解α2A受體的部分激活性(partialagonism)，研究人員對多個已知的α2A受體完全激動劑和部分激動劑進(jìn)行了分子對接，他們發(fā)現(xiàn)可以用配體與Y3946.55形成氫鍵與否，來區(qū)分α2A受體的部分激動劑和完全激動劑。作者還發(fā)現(xiàn)了三個氨基酸（Y3946.55，I13934.51和K14434.56，第一個位于配體結(jié)合口袋，后兩個位于G蛋白結(jié)合口袋）對α2A受體的G蛋白選擇性具有重要作用。精心設(shè)計(jì)的三個突變體Y3946.55N，I13934.51A和K14434.56A，在細(xì)胞信號實(shí)驗(yàn)中對部分激動劑的刺激均表現(xiàn)出Gi通路的偏好性，而Gs通路的活性遭到削弱甚至完全被抑制。
圖1：α2A受體中對配體結(jié)合（紫色）和G蛋白通路偏好性（紅色）起關(guān)鍵作用的殘基
而在“Molecular mechanism for ligand recognition and subtype selectivity of α2C adrenergic receptor”文章中，作者展示了α2C受體的三維結(jié)構(gòu)，并通過分子對接、功能實(shí)驗(yàn)等手段揭示了α2亞型受體的結(jié)構(gòu)特異性，為相關(guān)藥物研發(fā)提供了分子基礎(chǔ)。
通過將α2C受體與α2A受體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比和巧妙的嵌合體設(shè)計(jì)，作者發(fā)現(xiàn)α2C與α2A的結(jié)構(gòu)主要差異存在于胞外域。在α2C受體口袋邊沿，D206ECL2-R409ECL3-Y4056.58形成氫鍵-鹽橋互作網(wǎng)絡(luò)，特異地影響了α2C受體選擇性拮抗劑JP1302和OPC-28326的作用。而在α2A受體口袋上方，由Y98ECL1、R187ECL2、E189ECL2和R4057.32形成的互作網(wǎng)絡(luò)直接遮蓋了部分入口，使得JP1302和OPC-28326這些較大的分子可能被阻擋在外。細(xì)胞信號實(shí)驗(yàn)結(jié)果也顯示，破壞Y98ECL1-R187ECL2-E189ECL2-R4057.32互作網(wǎng)絡(luò)并添加D206ECL2-R409ECL3-Y4056.58相互作用得到的α2A嵌合體對JP1302和OPC-28326有著很好響應(yīng)。
圖2：α2CAR-RS79948復(fù)合物的結(jié)構(gòu)和決定α2腎上腺素受體亞型選擇性的胞外域
這兩篇文章很好地闡述了腎上腺素受體的多樣性和α2受體的配體選擇性，為基于精細(xì)三維結(jié)構(gòu)的下一代α2受體藥物開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。
在這兩篇論文中，均使用珀金埃爾默的EnVision微孔板檢測儀對GPCR的cAMP實(shí)驗(yàn)進(jìn)行定量測定。同時，在α2受體的配體結(jié)合實(shí)驗(yàn)中，珀金埃爾默提供了從放射性受體拮抗劑、耗材(UniFilter GF/B)到放射性微孔板檢測儀MicroBeta的整體解決方案。珀金埃爾默為中國科學(xué)家藥物研發(fā)加油助力。
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