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G蛋白偶联受体与信号转导机理 第三组 美国科学家罗伯特 勒夫科维兹 RobertJ Lefkowitz 与布莱恩 K 卡比尔卡 BrianK Kobilka 因在G蛋白偶联受体方面的研究获得2012年诺贝尔化学奖 而这是该领域获得的第5次诺贝尔奖 他们的研究历程和成果 罗伯特 勒夫科维兹 RobertJ Lefkowitz 于1968年采用放射现象追踪细胞受体 他将碘同位素附着于不同激素 在放射物的帮助下成功揭示了一些受体 其中包括肾上腺素的受体即 肾上腺素受体 罗伯特 勒夫科维兹 RobertJ Lefkowitz 1943年出生于美国纽约 美国霍华德 休斯医学研究所研究人员 美国杜克大学医学中心医学教授 生物化学教授 肾上腺素受体 2007年 Kobilka与科学家RaymondC Stevens 利用T4溶菌酶融合蛋白方法解析了第一个非视紫红质GPCR晶体结构 人beta2肾上腺素受体 他还独立地通过抗体片段介导法解析了人beta2肾上腺素受体的结构 20世纪80年代 该领域研究又有了跨越式发展 布莱恩 K 卡比尔卡 BrianK Kobilka 通过巧妙的实验方法将 肾上腺素受体的基因信息从庞大的人类基因组中分离出来并成功解析了beta2肾上腺素受体的结构 布莱恩 K 卡比尔卡 BrianKobilka 斯坦福大学医学院分子与细胞生理与医学系教授 美国国家科科学院院士 以GPCRs构生物学研究著称 肾上腺素受体 Lefkowitz的科研团队将该受体从 藏身 的细胞壁中提取出来 对其运作机制有了初步了解 其研究的重要性 G蛋白偶联受体是人类感觉的一把锁 也是连接细胞内与细胞外信息的桥梁 2011年 布莱恩解析了 2肾上腺素能受体与G蛋白三聚体复合物的晶体结构 第一次在原子分辨率阐明了GPCR参与信号转导的机制 他们的研究从根本上改变了人类对GPCR受体和跨膜信号传递的认识 对现代药物设计的方式有重要影响 在他们的工作之后 我们的G蛋白偶联受体各种各样的药物作用机理的研究才真正有了明确的研究方向 变成了真正的科学 关于G蛋白偶联受体 Gprotein coupledreceptor GPCR 的相关细胞结构简介及其研究重要性阐述 何为G蛋白偶联受体 研究它有何意义 G蛋白偶联受体是人类感觉的一把锁 也是连接细胞内与细胞外信息的桥梁 对于今年诺贝尔化学奖两位科学家所做的研究 美国化学会主席巴萨姆 萨卡什里说 这是向人类智慧的一次伟大致敬 它帮助我们了解在人类的身体中到底发生了什么复杂的过程 下见 长期以来 细胞如何感知周围环境一直是一个未解之谜 科学家已经弄清像肾上腺素这样的激素所具有的强大效果 提高血压 让心跳加速 他们猜测 细胞表面可能存在某些激素受体 但在上个世纪大部分时期里 这些激素受体的实际成分及其工作原理却一直是未知数 GPCR G蛋白偶联受体 G proteincoupledreceptors G蛋白偶联受体 GPCR 是与G蛋白有信号连接的膜蛋白受体的统称 是迄今发现的最大的受体超家族 其成员有1000多个 这类受体的共同点是其立体结构中都有7个跨膜 螺旋 且其肽链的C端和连接第5和第6个跨膜螺旋的胞内环上都有G蛋白 鸟苷酸结合蛋白 的结合位点 功能 G蛋白横跨在细胞膜上 一面可以解除细胞外的信号 另一面可以和细胞内的物质发生作用 成为细胞外信息进入细胞内的桥梁 G蛋白偶联受体能巩固探测激素 气味 化学神经递质 以及其他细胞外的信号 从而将信息通过激活不同类型的G蛋白中的一种 启动不同的信号转导通路并导致各种生物效应 G蛋白偶联受体的信号传导系统的基本生化结构和运作关系 G蛋白偶联受体G蛋白 GTPbindingproteins G蛋白偶联受体的结构特征 由一条多肽链组成 其中带有7个跨膜 螺旋区域 其氨基末端朝向细胞外 有4个胞外区 而羧基朝向细胞内基质 有4个胞内区 在氨基的末端带有一些糖基化位点 而在细胞内基质的第三个羧基末端各有一个在蛋白激酶催化下发生磷酸化的位点 含有7个穿膜区一条穿插细胞膜多达7次的多肽链 G蛋白偶联受体可被划分为六个类型 G蛋白 GTPbindingproteins 有能与GTP 三磷酸鸟苷 结合的蛋白质都可以称为 G蛋白 研究信号传递时特指与细胞表面受体偶联的异三聚体G蛋白 heterotrimericGTPbindingprotein 全称是鸟苷三磷酸结合蛋白 因其活性三磷酸鸟苷 GTP 及二磷酸鸟苷 GDP 密切相关而得名 每一种G蛋白都包含三个亚基 命名为 和 在未被激活状态下 鸟苷二磷酸会与 亚基结合 整个G蛋白复合体在细胞膜内表面游移 如果G蛋白与对应的受体相遇而这个受体又恰好与相应的信号分子结合的话 G蛋白就会释放GDP并结合胞浆中的GTP 由 三种蛋白亚基组成 在G蛋白的三个亚基中 和 以异二聚体存在 亚基和 亚基分别通过共价结合脂分子锚定于质膜上 G蛋白分类 Gs和Gi的区别主要是 亚基的不同 而 亚基相同 受体通过Gsa能激活腺苷酸环化酶 而通过Gia则抑制腺苷酸环化酶 G蛋白能使受体和腺苷酸环化酶偶联 把细胞外的信号转换为细胞内的信号 Gp型则是主要作用于磷脂酶C 参与IP3 DG的调节 刺激型G蛋白 StimulatingtypeGprotein Gs 抑制型G蛋白 InhibitedtypeGprotein Gi 磷脂酶C型G蛋白 PI PLCGprotein Gp 三 G蛋白与效应蛋白的结合 G蛋白偶联受体主要通过与两种效应蛋白结合后才能发挥作用 一种是G蛋白调控的离子通道 另一种是G蛋白活化的酶类活性物质 G蛋白调控的离子通道传导通路 G蛋白可以直接调控离子通道 是G蛋白信号传导路径中最快捷的一种 可以在30 100纳秒之间产生作用 第二信使通路 G蛋白可以通过激活某些酶类物质来发挥作用 这些酶类物质又可以通过激活一系列生化反应来影响细胞功能 从最初到最后的酶类活性物质可以统称为第二信使 第二信使通路 G蛋白可以通过激活某些酶类物质来发挥作用 这些酶类物质又可以通过激活一系列生化反应来影响细胞功能 从最初到最后的酶类活性物质可以统称为第二信使 cAMP信号途径 激动剂信号与G蛋白偶联受体结合后导致受体构象改变 其上与Gs结合位点暴露受体与Gs在膜上扩散导致两者结合 形成受体 Gs复合体后 Gs 亚基构象改变 排斥GDP 结合了GTP而活化 亚基从而与 亚基解离 同时暴露出与腺苷酸环化酶 adenylatecyclase AC 结合位点 亚基与环化酶结合而使后者活化 利用ATP生成cAMP cAMP信号的终止 该途径的信号解除有两种方式 通过cAMP磷酸二酯酶 cAMPphosphodiesterase PDE 将cAMP的环破坏 形成5 AMP 通过抑制型的信号作用于Ri 抑制性受体 然后通过Gi起作用 Gi蛋白被激活后 GTP同Gi蛋白的 亚基结合 Gi的 亚基与Gi 复合物分离 并在细胞膜的胞质面进行扩散 当Gi的 亚基与腺苷酸环化酶结合后则抑制其活性 而Gi 复合物则可同激活型的Gs 作用 阻止它去激活腺苷酸环化酶 cGMP信号途径 前期受体与G蛋白结合 活化以及和腺苷酸环化酶的结合但是其催化GTP cGMPcGMP浓度增加 PKG被激活 蛋白质磷酸化 引起细胞效应 可溶性GC的活性需要NO激活 NO活化cGMP进而刺激PKG使血管平滑肌松弛和血管舒张 GC与 亚基结合几秒钟后 被水解成GDP 亚基恢复构象 结合恢复到静息状态下的G蛋白 GC失活 视觉 受体 G蛋白PLC途径 经G蛋白偶联 激活膜内效应器酶 磷脂酶C PLC 磷脂酰二磷酸肌醇 PIP2 分解 生成三磷酸肌醇 IP3 和二酰甘油 DG 第二信使 细胞外信号转变为细胞内信号 2 IP3与受体结合 内质网钙通道启动 Ga 到细胞质基质中去 细胞基质Ga 浓度 各种依赖Ga 的蛋白质活化 细胞反应IP3和DG作为第二信使 在细胞内发挥信息传递作用 关于布莱恩 K 卡比尔卡 BrianK Kobilka Brian是在Robert的实验室里首先克隆了人Beta2肾上腺素受体的cDNA序列 开始了与GPCR研究的不解之缘 然而之后的事情并非一帆风顺 自从Brian在斯坦福大学医学院开始独立研究以来 十几年的时间里一直没有重大的突破 导致HHMI 霍华德休斯医学研究所 HowardHughesMedicalInstitute 这种擅长支持长期高风险研究的机构都没有耐心了 HHMI于是在2003年左右的时候停掉了Brian的funding 那几年确实非常艰苦 并且由于课题风险太高 Brian都不敢也没有条件招收postdoc 博士后 不得已他只能自己做实验 同时兼职做医生 不过幸亏那几年Brian还是靠着NIH 美国国立卫生研究院 NationalInstitutesofHealth 的R01资助坚持了下来 并于2007年解析了第一个人非视紫红质GPCR的晶体结构 取得了初步的成功 当我们看到他现在的光环时 很少有人能体会到他过去的艰辛 现在回首看来 我认为一方面是默默地坚持 拥有一颗强大的心脏承受失败 对于科研非常重要 GPCR的研究前景 很多药物的作用都是针对某个靶点 而在这些靶点中GPCR约占30 因此 解析GPCR的结构不但对了解其作用机制非常关键 而且有利于设计更为有效的药物 毫不夸张 一个GPCR结构的解析对制药业来说就像是又重新注入一股新的活力 然而 目前已经解析的GPCR也只有视紫红质和肾上腺能受体两种 此外还有400多种GPCR结构没有被解析 因此 GPCR的研究空间依然相当大 G蛋白偶联受体调控着机体细胞对光线 图像 气味 药物和激素等信息物质的大部分应答 强大的药物作用 最著名的药物靶向分子 目前世界药物市场上至少有30 的小分子药物可以激活或是阻断G蛋白偶联受体的作用 目前上市的药物中 前50种最畅销药物有20 就属于G蛋白偶联受体相关药物 比如充血性心力衰竭药物卡维地洛 抗高血压药物科素亚 乳腺癌药物诺雷得等等 GPCR分析服务公司 G蛋白偶联受体 Gprotein coupledreceptor GPCR 包含600 1000个成员 是极重要的药物治疗靶点 临床上很多药物是通过作用于GPCRs 达到治疗疼痛 哮喘 高血压以及免疫系统和神经系统相关疾病的疗效 为满足GPCR分析 GPCRscreeningandprofiling