GPCR之谜:新研究揭示了一个关键药物靶点功能的分子起源

St. Jude儿童研究医院的科学家们与国际合作，利用数据科学、药理学和结构细节，在原子水平上探索肾上腺素结合受体中的每个氨基酸在与这种天然配体相互作用时如何影响其活性。

他们精确地发现了哪些氨基酸控制着配体的关键药理特性。研究的肾上腺素受体是G蛋白偶联受体(GPCR)家族的一员，该家族是美国食品和药物管理局(FDA)批准的所有药物中三分之一的靶标。因此，了解gpcr对天然或治疗性配体的反应对于开发对受体活性具有精确影响的新疗法至关重要。这项研究今天发表在《Science》杂志上。

为了了解手表的工作原理，人们可以把它一块一块地拆开，研究每一个部件在计时功能中所起的作用。类似地，在像GPCR这样的蛋白质中，每个氨基酸可能在蛋白质对外部信号的反应中发挥不同的作用。圣裘德的研究人员与来自斯坦福大学、蒙特利尔大学、MRC分子生物学实验室和剑桥大学的科学家合作，通过一次替换一个氨基酸来研究β2-肾上腺素能受体(β2AR)，以了解该受体中每个氨基酸对介导信号反应的贡献。

“科学家们通过一次破坏一个基因来了解基因是如何影响细胞功能的。我们问，‘我们为什么不深入一步呢?让我们了解每一种氨基酸是如何通过一次一个氨基酸的突变来促进受体的功能的，’”共同通讯作者M. Madan Babu博士说，他来自St. Jude ' s结构生物学系，数据驱动发现卓越中心主任和George J. Pedersen生物数据科学教授。“通过进化，受体中的每个氨基酸都以某种方式被塑造，以确保它与天然配体结合，在这种情况下是肾上腺素，并引发适当的生理反应。”

找到函数的形式

GPCRs是一种跨越细胞膜的蛋白质，通过向细胞内部传递外部信号，将细胞外部与内部环境连接起来。在β2AR的情况下，肾上腺素与细胞外的GPCR结合，在细胞内引起反应。

当配体结合时，它会引起受体形状的变化，特别是在G蛋白结合的受体的细胞内区域。配体和G蛋白的结合位点位于蛋白质的两侧，但通过一个复杂的氨基酸接触网络连接在整个蛋白质上。GPCR内的构象(形状)变化激活G蛋白，从而触发细胞内的下游信号反应。通过对多种组织和GPCRs的影响，包括β2AR，肾上腺素可以触发战斗或逃跑反应，比如在肾上腺素激增时。

为了了解每个氨基酸在GPCR中的作用，Franziska Heydenreich博士，现在是马尔堡菲利普斯大学的带头人和该项目的共同通讯作者，突变了β2AR中的412个氨基酸。然后，她评估了每个突变体对配体肾上腺素的反应，并确定了疗效和效力的经典药理学特性。药效衡量的是配体能引起的最大反应，效力衡量的是达到最大反应一半所需的配体数量。其目的是在原子尺度上揭示每种氨基酸如何影响这些药理特性。

“令人惊讶的是，400多种氨基酸中只有大约80种与这些药理特性有关。在这些药理学上相关的氨基酸中，只有三分之一位于配体或G蛋白与受体结合的区域，”Heydenreich说。

Babu说:“观察到一些氨基酸控制功效，一些控制效力，还有一些影响两者，这是很有趣的。这意味着如果你想制造一种更有效或更有效的药物，你现在知道新配体需要影响特定的残基。”研究人员还指出，每种残基对疗效和效力的个体贡献是不相等的，这意味着在设计新的治疗配体时微调药物反应的机会更多。几十年来，人们已经测量了许多配体受体信号系统的功效和效力。现在我们可以理解蛋白质序列中的特定氨基酸如何影响这些药理特性。”

“研究结果的一个令人着迷的方面是，效力和功效可以通过不同的机制相互独立地调节。这为理解遗传变异如何影响个体之间的药物反应提供了基础，”蒙特利尔大学免疫学和癌症研究所所长、生物化学和分子医学系共同通讯作者Michel Bouvier博士补充道。

一个美丽的网络

先前的研究阐明了β2AR的活性和非活性状态的结构。在此基础上，研究人员开始了一项新的调查。他们探索了之前被证明不参与配体或g蛋白结合的三分之二的药理学相关氨基酸是否可能在受体的活性和非活性状态之间的转换中发挥作用。

Heydenreich说:“我们开始系统地观察活性状态下的每一个独特的残基接触，以了解是否所有形成活性状态接触的氨基酸都很重要。”

研究人员开发了一个数据科学框架，系统地整合药理学和结构数据，并揭示了GPCR信号传导的第一个全面图像。“当我们将药理学数据映射到结构上时，它们形成了一个美丽的网络，”Babu说。

“它为将配体结合袋连接到控制疗效和效力的G蛋白结合位点的变构网络提供了新的见解。”斯坦福大学医学院2012年诺贝尔化学奖得主、共同通讯作者Brian Kobilka补充道。

通过在原子水平上理解GPCR信号，研究人员乐观地认为，他们可以开始更深入地探索——观察活跃构象和非活跃构象之间的瞬时亚态，并探索蛋白质的构象景观。

Heydenreich说:“我们现在知道要研究哪些突变体，哪些只影响疗效、效力，或者两者兼而有之。现在，我们可以对这些突变体进行分子动力学计算和单分子实验，以揭示变构网络影响介导信号反应的功效和效力的确切机制。”

除了这些参与介导活性状态特异性接触并在突变时影响药理学的“驱动”残留物外，Babu和他的同事打算探索这项工作揭示的其他关键发现。他们的目标是研究“乘客”氨基酸，尽管在活性状态下进行接触，但在突变时不会影响功效或效力。他们还对“调节剂”残基感兴趣，这种残基不介导活性状态特异性接触，但在突变时改变药理学。他们的数据科学方法，整合了结构信息和药理学测量，并不局限于β2AR。它可以扩展到任何GPCR，以增强我们对这类关键药物靶标的机制的理解。

参考文献: “Molecular determinants of ligand efficacy and potency in GPCR signaling” by Franziska M. Heydenreich, Maria Marti-Solano, Manbir Sandhu, Brian K. Kobilka, Michel Bouvier and M. Madan Babu, 22 December 2023, Science.