新研究揭示了G蛋白偶聯受體(主要治療藥物靶點)如何解碼其配體的關鍵特性

通過一項國際合作，St. Jude兒童研究醫院的科學家們利用數據科學、藥理學和結構信息，對在這種天然配體存在的情況下，結合腎上腺素的受體中的每個氨基酸如何影響受體活性進行了原子水平的研究。他們精確地發現了哪些氨基酸控制著配體的關鍵藥理特性。研究的腎上腺素受體是G蛋白偶聯受體(GPCR)家族的一員，該家族是美國食品和藥物管理局(FDA)批準的所有藥物中三分之一的靶標。因此，了解GPCR對天然或治療性配體的反應對于開發對受體活性具有精確影響的新療法至關重要。這項研究今天發表在《科學》雜志上。

為了了解手表的工作原理，人們可以把它一塊一塊地拆開，研究每一個部件在計時功能中所起的作用。類似地，在像GPCR這樣的蛋白質中，每個氨基酸可能在蛋白質對外部信號的反應中發揮不同的作用。研究人員與來自斯坦福大學、蒙特利爾大學、MRC分子生物學實驗室和劍橋大學的科學家合作，通過一次替換一個氨基酸來研究β2-腎上腺素能受體(β2AR)，了解該受體中每個氨基酸對介導信號反應的貢獻。

共同通訊作者M. Madan Babu博士說：“科學家們通過一次破壞一個基因來了解基因是如何影響細胞功能的。那么我們想知道，‘我們為什么不深入一步呢?讓我們了解每種氨基酸是如何通過一次一個氨基酸的突變來促進受體的功能的，’通過進化，受體中的每個氨基酸都以某種方式被塑造，以確保它與天然配體結合，在這種情況下是腎上腺素，并引發適當的生理反應。”

找到功能形式

GPCRs是一種跨越細胞膜的蛋白質，通過向細胞內部傳遞外部信號，將細胞外部與內部環境連接起來。在β2AR的情況下，腎上腺素與細胞外的GPCR結合，在細胞內引起反應。

當配體結合時，它會引起受體形狀的變化，特別是在G蛋白結合的受體的細胞內區域。配體和G蛋白的結合位點位于蛋白質的兩側，但通過一個復雜的氨基酸接觸網絡連接在整個蛋白質上。GPCR內的構象(形狀)變化激活G蛋白，從而觸發細胞內的下游信號反應。通過對多種組織和GPCRs的影響，包括β2AR，腎上腺素可以觸發戰斗或逃跑反應，比如在腎上腺素激增時。

為了了解每個氨基酸在GPCR中的作用，Franziska Heydenreich博士對β2AR中的412個氨基酸進行了突變。然后，她評估了每個突變體對配體腎上腺素的反應，并確定了療效和效力的經典藥理學特性。藥效衡量的是配體能引起的**反應，效力衡量的是達到**反應一半所需的配體數量。其目的是在原子尺度上揭示每種氨基酸如何影響這些藥理特性。

“令人驚訝的是，400多種氨基酸中只有大約80種與這些藥理特性有關。在這些藥理學上相關的氨基酸中，只有三分之一位于配體或G蛋白與受體結合的區域，”Heydenreich說。

Babu說:“觀察到一些氨基酸控制功效，一些控制效力，還有一些影響兩者，這是很有趣的。這意味著如果你想制造一種更有效或更有效的藥物，你現在知道新配體需要影響特定的殘基。”研究人員還指出，每種殘基對療效和效力的個體貢獻是不相等的，這意味著在設計新的治療配體時微調藥物反應的機會更多。

“幾十年來，人們已經測量了許多配體受體信號系統的功效和效力。現在我們可以理解蛋白質序列中的特定氨基酸如何影響這些藥理特性，”Babu解釋道。

“研究結果的一個令人著迷的方面是，效力和功效可以通過不同的機制相互獨立地調節。這為理解遺傳變異如何影響個體之間的藥物反應提供了基礎，”通訊作者Michel Bouvier博士補充道。

一個美麗的網絡

先前的研究闡明了β2AR的活性和非活性狀態的結構。在此基礎上，研究人員開始了一項新的調查。他們探索了之前被證明不參與配體或g蛋白結合的三分之二的藥理學相關氨基酸是否可能在受體的活性和非活性狀態之間的轉換中發揮作用。

“我們開始系統地觀察活性狀態下的每一個獨特的殘基接觸，以了解是否所有形成活性狀態接觸的氨基酸都很重要。”

研究人員開發了一個數據科學框架，系統地整合藥理學和結構數據，并揭示了GPCR信號傳導的**個全面圖像。“當我們將藥理學數據映射到結構上時，它們形成了一個美麗的網絡，”Babu說。

“它為將配體結合袋連接到控制療效和效力的G蛋白結合位點的變構網絡提供了新的見解。”斯坦福大學醫學院2012年諾貝爾化學獎得主、共同通訊作者Brian Kobilka補充道。

通過在原子水平上理解GPCR信號，研究人員樂觀地認為，他們可以開始更深入地探索——觀察活躍構象和非活躍構象之間的瞬時亞態，并探索蛋白質的構象景觀。

“我們現在知道要研究哪些突變體，哪些只影響療效、效力或兩者兼而有之。現在，我們可以對這些突變體進行分子動力學計算和單分子實驗，揭示變構網絡影響介導信號反應的功效和效力的確切機制。”

除了這些參與介導活性狀態特異性接觸并在突變時影響藥理學的“驅動”殘留物外，Babu和他的同事打算探索這項工作揭示的其他關鍵發現。他們的目標是研究“乘客”氨基酸，盡管在活性狀態下進行接觸，但在突變時不會影響功效或效力。他們還對“調節劑”殘基感興趣，這種殘基不介導活性狀態特異性接觸，但在突變時改變藥理學。他們的數據科學方法，整合了結構信息和藥理學測量，并不局限于β2AR。它可以擴展到任何GPCR，以增強我們對這類關鍵藥物靶標的機制的理解。

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