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                清华大学医学院布莱恩·科比尔卡研究组与合作者揭示G蛋白偶联受体信号转导多样性的分子机制 Date:2019-05-16

                2019年5月15日, 清华大学医学院、结构生物学高精尖创新中心布莱恩·科比尔卡(Brian K. Kobilka)教授研究组于《分子细胞》 (Molecular Cell) 杂志在线发表了题为《毒蕈碱受体构象复杂性和动力学的核磁共振研究》(Conformational Complexity and Dynamics in a Muscarinic Receptor Revealed by NMR Spectroscopy)的研究论文,报道了利用液体核磁共振研究M2 毒蕈碱型乙酰胆碱受体构象复杂性和动态特性的工作,并结合功能实验和分子动力学模拟,揭示了GPCR 信号转导多样性的分子机制。


                G蛋白偶联受体(GPCR)家族在人体中有800多个成员,是最大的一类膜蛋白家族受体,它们在视觉,嗅觉,味觉,以及激素和神经递质的信号转导中发挥着重要的生理功能,同时也是关键的药物研发靶点。由于对G蛋白偶联受体结构和功能研究的杰出贡献,布莱恩·科比尔卡教授和罗伯特·莱夫科维茨教授分享了2012年的诺贝尔化学奖。

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                图1.M2 受体信号转导多样性:不同配体对于下游G蛋白激活和抑制蛋白arrestin招募具有不同功效


                M2毒蕈碱型乙酰胆碱受体(M2R)是一种典型的GPCR,其在调节人体心率和许多中枢神经系统功能中起重要作用, 一直以来是研究GPCR 信号转导,别构调控以及药物设计的模式受体。 布莱恩·科比尔卡教授在斯坦福大学的课题组于2012年和2013年分别解析了M2受体 在失活和激活状态下的构象, 首次揭示了该受体激活和信号转导的分子机理; 然而,这两个构象仅代表了受体在信号转导过程中起始和终止的相对稳定的状态,受体从失活到完全激活这一中间过程的动态构象变化还不清楚。此外,M2受体的活性还被多种具有不同激活效应的配体调控,从而导致信号转导的多样性,而目前的晶体结构无法很好的阐释这种多样化的配体功能(图1)。布莱恩·科比尔卡教授课题组一直以来尝试用多种技术手段来研究GPCR 的动态激活过程, 包括荧光光谱学,液体核磁共振,电子顺磁共振,单分子荧光能量共转移等,从而更深刻、全面的理解其多样化信号转导的分子机理。

                 

                在本篇文章中,研究人员通过在M2受体中引入13CH3-ε-甲硫氨酸同位素探针,利用液体核磁共振来检测受体在结合一系列对G蛋白激活和抑制蛋白 (arrestin)募集具有不同效应的配体时的核磁图谱变化。这些13CH3-ε-甲硫氨酸探针均匀分布在受体胞外区,跨膜核心区和胞质区,其配体特异性的化学位移变化反应出M2受体在这些部位的构象可塑性,揭示了许多在晶体结构中没有观察到的中间态甚至激活状态 (图2)。 分子动力学模拟实验揭示了不同功能的配体与受体的结合模式的差异,为受体激活时不同配体导致差异性的构象变化提供了了进一步的解释。这些研究首次将M2配体结构、受体构象变化以及配体功能多样性联系起来,揭示了M2受体信号转导多样性可能的分子机制。值得注意的是,之前对β2AR,火鸡β1AR和μ-阿片受体的核磁共振研究显示,不同配体的化学位移与其配体功能或偏向性程线性相关,揭示了受体在静息和激活两种状态之间的一种构象平衡。而在本研究中,研究人员没有观察到配体功能或偏向性与化学位移之间很好的线性相关性。这些结果表明M2受体可能具有更复杂的能量势图,其中具有不同功能的配体能够稳定不同的受体构象或动态特性。本研究为更好地理解 M2R信号转导的动态过程以及多样化的配体功能提供了分子基础,并为针对这类重要细胞表面受体的药物研发提供了理论指导。


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                图2.内源配体乙酰胆碱(acetylcholine)与晶体结构解析的配体iperoxo具有不同功效,在结合受体时呈现差异性的化学位移指纹图谱,揭示受体激活时发生不同的构象变化


                本项研究由清华大学、北京大学、斯坦福大学、德国弗里德里希-亚历山大 埃尔朗根-纽伦堡大学合作完成。清华大学医学院布莱恩·科比尔卡教授与北京大学金长文教授为本文的共同通讯作者。清华大学医学院博士生徐俊为本文的第一作者。北京大学核磁共振中心胡蕴菲博士 (现为苏州大学医学部教授),牛晓刚博士和李红卫博士为核磁数据的收集、处理和分析作出了重要贡献。德国弗里德里希-亚历山大 埃尔朗根-纽伦堡大学化学与药理学系Peter Gmeiner教授课题组负责了本研究的功能实验和分子动力学模拟实验;斯坦福大学医学院助理研究员 Shoji Maeda 为本研究的功能实验提供了帮助。本课题得到清华-北大生命科学联合中心,北京市高精尖结构生物学中心的资助。核磁数据的收集得到北京大学核磁共振中心和凤凰工程核磁平台的支持和协助。



                ◎原文链接:

                https://www.cell.com/molecular-cell/fulltext/S1097-2765(19)30320-X#secsectitle0015





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