新研究揭示了G蛋白偶聯(lián)受體(主要治療藥物靶點(diǎn))如何解碼其配體的關(guān)鍵特性

通過一項(xiàng)國際合作，St. Jude兒童研究醫(yī)院的科學(xué)家們利用數(shù)據(jù)科學(xué)、藥理學(xué)和結(jié)構(gòu)信息，對在這種天然配體存在的情況下，結(jié)合腎上腺素的受體中的每個氨基酸如何影響受體活性進(jìn)行了原子水平的研究。他們精確地發(fā)現(xiàn)了哪些氨基酸控制著配體的關(guān)鍵藥理特性。研究的腎上腺素受體是G蛋白偶聯(lián)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(zhǔn)的所有藥物中三分之一的靶標(biāo)。因此，了解GPCR對天然或治療性配體的反應(yīng)對于開發(fā)對受體活性具有精確影響的新療法至關(guān)重要。這項(xiàng)研究今天發(fā)表在《科學(xué)》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(jì)時(shí)功能中所起的作用。類似地，在像GPCR這樣的蛋白質(zhì)中，每個氨基酸可能在蛋白質(zhì)對外部信號的反應(yīng)中發(fā)揮不同的作用。研究人員與來自斯坦福大學(xué)、蒙特利爾大學(xué)、MRC分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室和劍橋大學(xué)的科學(xué)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(dǎo)信號反應(yīng)的貢獻(xiàn)。

共同通訊作者M(jìn). Madan Babu博士說：“科學(xué)家們通過一次破壞一個基因來了解基因是如何影響細(xì)胞功能的。那么我們想知道，‘我們?yōu)槭裁床簧钊胍徊侥?/span>?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(jìn)受體的功能的，’通過進(jìn)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(jié)合，在這種情況下是腎上腺素，并引發(fā)適當(dāng)?shù)纳矸磻?yīng)。”

找到功能形式

GPCRs是一種跨越細(xì)胞膜的蛋白質(zhì)，通過向細(xì)胞內(nèi)部傳遞外部信號，將細(xì)胞外部與內(nèi)部環(huán)境連接起來。在β2AR的情況下，腎上腺素與細(xì)胞外的GPCR結(jié)合，在細(xì)胞內(nèi)引起反應(yīng)。

當(dāng)配體結(jié)合時(shí)，它會引起受體形狀的變化，特別是在G蛋白結(jié)合的受體的細(xì)胞內(nèi)區(qū)域。配體和G蛋白的結(jié)合位點(diǎn)位于蛋白質(zhì)的兩側(cè)，但通過一個復(fù)雜的氨基酸接觸網(wǎng)絡(luò)連接在整個蛋白質(zhì)上。GPCR內(nèi)的構(gòu)象(形狀)變化激活G蛋白，從而觸發(fā)細(xì)胞內(nèi)的下游信號反應(yīng)。通過對多種組織和GPCRs的影響，包括β2AR，腎上腺素可以觸發(fā)戰(zhàn)斗或逃跑反應(yīng)，比如在腎上腺素激增時(shí)。

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(jìn)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(yīng)，并確定了療效和效力的經(jīng)典藥理學(xué)特性。藥效衡量的是配體能引起的**反應(yīng)，效力衡量的是達(dá)到**反應(yīng)一半所需的配體數(shù)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(guān)。在這些藥理學(xué)上相關(guān)的氨基酸中，只有三分之一位于配體或G蛋白與受體結(jié)合的區(qū)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(xiàn)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(xiàn)是不相等的，這意味著在設(shè)計(jì)新的治療配體時(shí)微調(diào)藥物反應(yīng)的機(jī)會更多。

“幾十年來，人們已經(jīng)測量了許多配體受體信號系統(tǒng)的功效和效力。現(xiàn)在我們可以理解蛋白質(zhì)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(jié)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(jī)制相互獨(dú)立地調(diào)節(jié)。這為理解遺傳變異如何影響個體之間的藥物反應(yīng)提供了基礎(chǔ)，”通訊作者Michel Bouvier博士補(bǔ)充道。

一個美麗的網(wǎng)絡(luò)

先前的研究闡明了β2AR的活性和非活性狀態(tài)的結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，研究人員開始了一項(xiàng)新的調(diào)查。他們探索了之前被證明不參與配體或g蛋白結(jié)合的三分之二的藥理學(xué)相關(guān)氨基酸是否可能在受體的活性和非活性狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換中發(fā)揮作用。

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

研究人員開發(fā)了一個數(shù)據(jù)科學(xué)框架，系統(tǒng)地整合藥理學(xué)和結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，并揭示了GPCR信號傳導(dǎo)的**個全面圖像。“當(dāng)我們將藥理學(xué)數(shù)據(jù)映射到結(jié)構(gòu)上時(shí)，它們形成了一個美麗的網(wǎng)絡(luò)，”Babu說。

“它為將配體結(jié)合袋連接到控制療效和效力的G蛋白結(jié)合位點(diǎn)的變構(gòu)網(wǎng)絡(luò)提供了新的見解。”斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院2012年諾貝爾化學(xué)獎得主、共同通訊作者Brian Kobilka補(bǔ)充道。

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

“我們現(xiàn)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(xiàn)在，我們可以對這些突變體進(jìn)行分子動力學(xué)計(jì)算和單分子實(shí)驗(yàn)，揭示變構(gòu)網(wǎng)絡(luò)影響介導(dǎo)信號反應(yīng)的功效和效力的確切機(jī)制。”

除了這些參與介導(dǎo)活性狀態(tài)特異性接觸并在突變時(shí)影響藥理學(xué)的“驅(qū)動”殘留物外，Babu和他的同事打算探索這項(xiàng)工作揭示的其他關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)。他們的目標(biāo)是研究“乘客”氨基酸，盡管在活性狀態(tài)下進(jìn)行接觸，但在突變時(shí)不會影響功效或效力。他們還對“調(diào)節(jié)劑”殘基感興趣，這種殘基不介導(dǎo)活性狀態(tài)特異性接觸，但在突變時(shí)改變藥理學(xué)。他們的數(shù)據(jù)科學(xué)方法，整合了結(jié)構(gòu)信息和藥理學(xué)測量，并不局限于β2AR。它可以擴(kuò)展到任何GPCR，以增強(qiáng)我們對這類關(guān)鍵藥物靶標(biāo)的機(jī)制的理解。

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