G蛋白偶联受体的结构与功能_郭志云(1).pdf

?文章编号:1000?1336(2004)05?0412?03G蛋白偶联受体的结构与功能郭志云1,2?张怀渝1?梁?龙2(1四川农业大学生命科学院原子能农业应用研究室,雅安 625014;2军事医学科学院生物工程研究所,北京 100071)摘要:G 蛋白偶联受体(G protein?coupled receptor,GPCR)是具有 7 个跨膜螺旋的蛋白质受体,根据其序列的相似性以及与配基的结合情况,共分为 5 个亚家族,是人体内最大的蛋白质家族,也是重要的药物靶标。二聚体或寡聚体的形成,以及 G 蛋白偶联受体多元素参与的信号网络传递模式的研究,打破了传统的配基?G 蛋白偶联受体?G蛋白?效应器的这种单一的线性信号传递模式,它的结构与功能的研究对于新药的开发、研制以及推动医药领域的发展起着举足轻重的作用。关键词:G 蛋白偶联受体;二聚化中图分类号:Q71收稿日期:2004?07?19作者简介:郭志云(1978?),男,硕士生,Email:zyguo ;张怀渝(1966?),女,教授,博士,联系作者,E?mail:freedegree ;梁 龙(1965?),男,教授?G 蛋白偶联受 体(G protein?coupled receptor,GPCR),又称为 7 个?螺旋跨膜蛋白受体(seven?helices transmembrane segment receptor,7TM receptor),是人体内最大的蛋白质家族,根据其序列的相似性以及与配基的结合情况,共分为 5 个亚家族,分别是:A 族?类视紫红质(rhodopsin like)受体、B 族?类分泌素(secretin like)受体、C 族?亲代谢性谷氨酸盐和信息素(metabotropic glutamate/phero?mone)受体、D 族?真菌信息素(fungal pheromone)受体和 E 族?cAMP 受体(cAMP receptor)。人类基因组测序表明,目前约有 720 个基因参与了 GPCR的合成,而且接近 50%的药物是用 GPCR 作为它们的靶标,GPCR 功能失调会导致许多疾病的产生,如阿尔茨海默氏症、帕金森症、侏儒症、色盲症以及哮喘等。因此对于 GPCR 的研究具有极其重要的意义。1.GPCR的结构GPCR 的肽链由N 末端,7 个跨膜?螺旋(TM1?TM7),C 末端,3 个胞外环(ECL1?ECL3)及 3 4 个胞内环(ICL1?ICL4)组成。N 端在胞外,常常被糖基化。C 端在胞内,多表现为磷酸化。7 个跨膜的?螺旋反复穿过细胞膜的脂双层。序列分析发现,不同GPCR跨膜螺旋区的氨基酸比较保守,而 C/N 末端和回环区的氨基酸差异较大。因为 GPCR 是跨膜蛋白,因此不易得到晶体,难以用 X 射线与 NMR 的方法测其三维结构。所以目前只有一种 GPCR蛋白?牛视紫质(bovine rhodopsin)的晶体三维结构被构建,这个结构的测出对于 A 族其他类受体的结构研究起到了重要的导向作用。牛视紫质的 7 个跨膜螺旋与膜并不垂直,TM?的 Cys110与 E?的 Cys187共同形成二硫键。细胞质的末端区域通常被疏水残基所环绕,它们一同形成了 G 蛋白的结合位点。TM7的 NPXXY 模体(X 为任意氨基酸)和 TM3 的(D/E)R(Y/W)模体,常常在稳定构象与信号传递中起着重要的作用。与先前预测的结构有所不同的是,牛视紫质受体在C 末端有一段短的?螺旋,并与膜平行,称之为TM8,可能对于受体的结构稳定起着重要的作用 1。由于在预测膜蛋白方面的困难,目前对 GPCR结构的研究还不是很透彻,但通过大量研究证明一些亚家族受体间也存在着一些相似的结构,如几乎所有GPCR都具有二硫键等。在 GPCR 家族中,A 族受体数目最多也是我们研究的重点,所以对 A 族受体的结构也有了较为深入的了解。结构分析表明,A 族受体的跨膜螺旋区与膜并不垂直,最保守的区域是跨膜区和 C?和 C?环。目前研究表明,A 族受体共有二十多个高度保守位点。通过大量的突变实验研究,这些保守位点的功能也逐步被了解,通过GPCR 数据库上的 MuteXt 2点突变文献萃取工具,我们对现有文献报道的 A 族的 12 个高度保守位点功能做了总结(表 1)。B 族受体的 N 末端较长且较保守,主 要结合一些大的配 基,如胰 高血糖素、分泌素等。它的N末端包含6个保守的半胱氨酸?412?生命的化学?2004年 24 卷 5 期CHEMISTRY OF LIFE 2004,24(5)?Mini Review表 1?A 族受体高度保守位点功能跨膜区位点TM 位置功 能TM1N1.50参与受体的构象活化过程以及与配基的结合。TM2D2.50?对配基结合有一定影响,在稳定非活性构象中发挥重要作用,同时会影响 G 蛋白的偶联和信?号的产生。TM3D/ERY3.493.503.51(D/E)RYxx(V/I)模体是多数受体所具有的,普通认为它在维持受体非活性构象和偶联 G 蛋白?中起重要作用。并在受体活化、配基的结合、受体磷酸化、受体结构完整性、受体的表达和内?在化都起着作用。TM4W4.50W?A、W?Y 突变表明W 参与配基结合和信号传递,突变会造成这些功能部分或全部丧失。TM5P5.50P?A、P?L 突变表明,P 参与受体组装(receptor assembly)并对配基结合、受体表达和信号产生?有一定影响。TM6(最保守TM 区)PW6.506.48P?A 表明P 主要参与受体的表达。参与受体与配基的结合,突变会造成受体与配基结合力下降或丧失。TM7NPY7.497.507.53NPxxY(x 为任意氨基酸)模体在GPCR 中的活化起着重要作用,它可以和 TM1、TM3 等一些TM?区的关键氨基酸相互作用维持受体非活性构象。同时这个模体对配基的结合和信号传递也?产生一定的影响,尤其以Tyr 显得更为重要。A 族受体的 TM 区被划分为 1 7,在每个TM 都命名了一个在此区最为保守的氨基酸,被记做?50?,其他氨基酸根据与这个保守氨基酸相对位置命名。如 TM?I的 N 位点是这个TM 区最保守的,所以记做 1.50,I位点在氨基酸顺序排在其后,所以记做1.51,以下依此类推3。C,在 C?与 C?间由两个 Cys 形成二硫键,但位置与A 族受体不同。C 族受体的 N 未端(大约 600 个氨基酸)和 C 未端都很长,在 C?与 C?间也由两个Cys形成二硫键,C?环短并且高度保守。目前,人们对其他亚家族的结构研究的还不是很清楚。2.G 蛋白偶联受体二聚化GPCR一直被认为以单体的形式存在,在近几年,Hebert 等4采用免疫共沉淀方法,用不同的抗原决定簇标记受体,第一次提供了直接的生化证据支持GPCR 同源二聚体的存在。后来 GPCR 能形成异源二聚体或更高的寡聚体,也逐步被人们所证实。2.1?G蛋白偶联受体二聚物的作用方式?最早Hebert 等通过对?2-肾上腺素受体研究表明TM6 是两个受体形成二聚物的相互作用区,但目前看来这并不是所有二聚物形成的共同机制。Filizola 等5用负相关性计算法(computational subtractive correlationmethod)研究阿片样受体时发现二聚化作用区域表现出了高度的可变性。两个单体可能是共价连接(例如二硫键)也可能是非共价连接(例如跨膜螺旋的疏水作用力),或者两者兼而有之。相互作用区域有GPCR 的胞外(C 族受体在这方面研究较多,例如亲代谢性谷氨酸盐受体和 Ca 离子受体)、TM 区和 C末端。近来许多研究都表明,TM 区的相互作用在GPCR二聚物形成中起着重要作用6。还有一些相互作 用 是 发 生在 细 胞 内 环,例 如 GABABR1和GABABR2受体的 C 末端域对 GABAB 受体二聚化起着重要作用。2.2?GPCR 二聚化的功能?受体活化会促进还是抑制二聚化作用还是一个有争议的问题,还有人认为二聚化是个连续的过程,不会被配基结合受体所调节。更为有趣的是,有一些 GPCR 在缺少配基刺激的情况下也可以形成二聚物。例如 Fotiadis 等7用原子力显微镜(atomic force microscopy)观察到,在无光线刺激的情况下视网膜上形成了视紫质和视蛋白的二聚物。近来,人们对 GPCR 的二聚化功能研究也取得了一些进展,可以归纳为以下几个方面:(1)二聚化对受体转运起着作用。最典型的例子是对 GABAB 受体的研究,当GABABR1 被表达,并作为糖蛋白存在于细胞内时,GABABR2 可以折叠并转运到细胞膜,但不能结合 GABA,然而当两个受体共表达后,均能形成成熟蛋白质到达膜表面并行使功能 8,这表明受体转运受二聚化的影响。(2)二聚化可以扩展药理多样性,不同受体产生的异二聚体可能有着比单体更多的药理学功能。Jordan 等 9在对?阿片异二聚体的研究中表明,当共表达?两个受体后产生了比单独表达具有更高配基亲合力的异二聚体,它可以和两个不同的配基结合,从而表现出了单体所不具有的药理学功能。(3)二聚化可以影响受体的活性和调控。过去的 GPCR 信号转导模型认为,一个配基激活一个受体,信号扩增只发生在G蛋白水平或效应器水平,而不是受体水平。通过研究同源或异源寡聚化作用表明,配体激活一个受体 可能 会 激活 寡 聚复 合物 中 邻近的受体10,不同的激动剂作用于二聚体会引起不?413?小综述?生命的化学?2004年 24卷 5 期CHEMISTRY OF LIFE 2004,24(5)同的发信号(signaling)。有时二聚化对一些受体活化可能是必需的,例如Nelson 等11在氨基酸味觉受体研究中表明,只有在 T1R1或 T1R2和 T1R3共表达时才具有对 L?氨基酸的味觉反应,这说明异二聚化在一些味觉受体的功能上是必不可少的。二聚体中不同的受体还会与 G 蛋白三聚体的不同亚单位作用。Charles等12在共表达阿片类受体时发现,异二聚化会对 Gi 失去偶联作用,说明异二聚化作用会改变GPCR 对不同G 蛋白家族的选择作用。(4)二聚化对GPCR 串话(crosstalk)的影响:GPCR 的信号不是来源于蛋白质?酶这种线性的连续活化,而是多重相互作用的结果,是有分枝的信号通路,如发信号网络(signaling network)。GPCR 的异二聚化对受体串话的影响主要集中在血管紧缩素受体(angiotensinreceptor)的研究上。血管紧缩素受体有两个亚型(AT1和AT2),每个的信号机制不同。最近的研究表明,血管紧缩素受体 AT1和 AT2二聚物在体外和体内会抑制 AT1受体发信号,所以 AT1受体的信号减弱可能依靠 AT1/AT2的共表达。(5)受体二聚化还会影响受体的 脱敏和和内吞作 用。当然,由于GPCR二聚化的功能研究尚处于初级阶段,以上这些功能研究还处在不断地扩展中,这对于以后寻找药物靶标和生产新药有重要意义。随着 G蛋白偶联受体研究的深入,人们对其认识的角度与深度也正发生着改变。以往认为的单体模式现在已经扩展到二聚体或更高的寡聚体结构模式,配基?G蛋白偶联受体?G 蛋白?效应器的这种单一的线性信号传递模式也发展到了现在的多个元素共同参与的发信号网络传递模式。虽然 G 蛋白偶联受体的结构信息还不是很多,但借助于生物信息学进行蛋白质三维结构的预测以及在此基础上进行的生物功能分析,已经成为人们研究 G 蛋白偶联受体不可或缺的工具。G 蛋白偶联受体作为一种重要的药物靶标,在医药领域正扮演着越来越重要的角色,相信在不久的将来人们可以通过它研制出更多更好的药物来造福人类。参考文献 1?Palczewski K et al.Science,2000,289:739?745 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生,E?mail:jsipthu ?NO 是目前在体内发现的最小、最轻、最简单的生物信息分子,在人们认识它之前,曾被称为内皮细胞衍生的舒张因子(endothelium?derived relaxing fac?tor,EDRF),在 20世纪 80 年代,NO 被证明和 EDRF?414?生命的化学?2004年 24 卷 5 期CHEMISTRY OF LIFE 2004,24(5)?Mini Review