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G蛋白偶联受体研究进展 Gprotein coupledreceptor GPCR GPCR G蛋白偶联受体 Gprotein coupledreceptor GPCR 是人体内最大的蛋白质家族 迄今已报道了近2000种不同的GPCRs GPCRs因能结合和调节G蛋白活性而得名 GPCRs的配体多种多样 包括生物胺 肽类 糖蛋白 脂类 核苷酸 离子和蛋白酶等 各种光 嗅 味的信号分子也由GPCRs介导 大多数GPCRs通过G蛋白调节细胞内信号传递 例如 刺激或抑制腺苷酸环化酶 AC 和活化磷脂酶的活性 调节钾及钙离子通道的活性 有些GPCRs通过酪氨酸激酶 Src Stat3途经传递信息 与细胞增值 细胞转化有关 人类基因组测序表明 约有720个基因参与了GPCR的合成 GPCR功能失调会导致许多疾病的产生 如阿尔茨海默氏症 alzheimers 帕金森症 Parkinsondisease 侏儒症 midgetism 色盲症 acritochronacy 以及哮喘 asthma 等 接近50 的药物是用GPCR作为它们的靶标 对于GPCR的研究具有极其重要的意义 GPCR的结构 GPCR的肽链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 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 牛视紫红质结构的模式图 胞外侧 胞内侧 ECL ICL TM1 TM7 目前只有一种GPCR蛋白 牛视紫红质 bovinerhodopsin 的晶体三维结构被构建 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 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 一些亚家族受体间存在着一些相似的结构 如几乎所有GPCR都具有二硫键等 GPCR分类 A族 又称为视紫红质 rhodopsin 2肾上腺素受体族 分为6个亚族 生物胺受体 胆囊收缩肽 内皮素 速激肽 神经肽Y等 非脊椎动物的视蛋白和缓激肽受体 腺嘌呤 大麻类 黑皮素及嗅觉受体 趋化因子 互补因子 促性腺激素释放激素 GnRH 等 褪黑激素受体及其它 B族 又称为胰高血糖素 血管活性肠肽 降钙素受体样受体族 分为4个亚族 降钙素和促肾上腺皮质激素释放因子受体 甲状旁腺激素受体 胰高血糖素 类胰高血糖素肽 垂体腺苷酸环化酶活化肽 血管活性肠肽和分泌素受体 Latrotoxin受体 C族 又称为神经递质 钙受体样受体族 分为5个亚族 谷氨酸受体 氨基丁酸 GABA 受体 钙受体 鼻神经外激素受体 味觉受体 D族 真菌信息素 fungalpheromone 受体E族 cAMP受体 cAMPreceptor 在GPCR家族中 A族受体数目最多 A族受体共有二十多个高度保守位点 A族的12个高度保守位点功能见表 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 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 配体结合域 A族受体的配体结合域一类是小分子配体 小分子配体结合在受体跨膜 螺旋形成的结合裂隙中 经典的小分子配体有肾上腺素 E 去甲肾上腺素 NE 多巴胺 DA 5 羟色胺 5 HT 组胺 His 乙酰胆碱 Ach 前列腺素 PGs 白三烯 LTs 和嘌呤 purine 等 另一类是大分子肽类配体 肽类配体主要结合在受体的胞外结构域 P物质 神经激肽A 神经激肽B 血管紧张素 神经肽Y 白介素8 抗利尿激素等肽类配体 B族受体的配体结合域与A族的肽类配体类似 B族受体的肽类配体结合部位主要位于受体的胞外结构域 B族受体的N末端在大多数配体与受体的结合中起关键作用 例如分泌素 血管肠肽 胰高血糖素等肽类配体 它们不仅与受体的N末端结合 而且与受体的ECL相互作用 C族受体的配体结合域C族受体的配体主要有谷氨酸 GABA和Ca2 这些配体虽然分子小 但是其与A族小分子配体在受体上的结合部位不同 均位于受体胞外的N末端 GPCRs活化的分子机制 1 分子内相互作用力使GPCRs处于静止构象在没有激动剂时 分子内相互作用力使GPCRs处于静止 非活性 构象 当受体与激动剂结合或受体发生突变时 破坏了受体分子内相互作用力 使受体的关键序列暴露给G蛋白 从而活化G蛋白 可以认为 分子内相互作用力遭到破坏是GPCRs活化机制之一 使受体易于在活性构象和非活性构象之间转变 2 质子化是GPCRs活化的关键A族受体ICL2上有一保守的DRY Glu Asp Arg Tyr 基序 许多实验证明 当受体活化时 其Glu Asp发生质子化 3 GPCRs活化中的构象变化GPCRs活化中的构象变化 研究的最多的是视紫红质 多种光谱技术的研究结果表明 在视紫红质活化为变视紫红质 的过程中 发生了构象重排 4 GPCR与G蛋白偶联信号从活化受体传递给G蛋白的机理还不清楚 实验证实 GPCRs的ICL2和ICL3在与G蛋白偶联中发挥重要作用 其中ICL3决定偶联G蛋白 亚基的特异性 ICL2决定G蛋白的活化 5 受体二聚化研究表明 许多GPCRs 包括视紫红质 分泌素 谷氨酸受体等能形成二聚体 激动剂有时能提高受体二聚体的水平 有时却降低或不改变受体二聚体的水平 受体二聚化的作用还不清楚 可能与受体个体发育和受体功能的多样性有关 GPCRs双聚化的结构基础尽管GPCRs在分子结构上都有七个跨膜区 但不同的GPCRs在细胞膜内外的结构却有较大的差别 因此分子内部发生双聚化的区域 方式也不尽相同 有的GPCRs双聚化依靠二硫键 还原剂可以减弱或消除双聚体形成 另一些则可能通过分子间的疏水键相互作用形成双聚体 可被SDS 二烷基硫酸钠 解聚 GPCRs的双聚化可发生在胞外的N端 跨膜区 胞内环 胞外环以及胞内的C末端 例如mGluR5含19个Cys的胞外N端 其中9个在近膜区 其双聚化可以被还原剂DTT完全消除 表明二硫键在形成双聚化中起关键作用 用胰蛋白酶水解除去受体胞外N端后 则不再发生双聚化 这表明mGluR5双聚化在胞外N端 类似的受体还有GluRl 和CaR 阿片受体有彼此同源性较高的DOR 受体 KOR 受体 MOR 三种亚型 GPCRs双聚化对细胞信号转导的影响GABABR属于GPCRs GABABR又包括GBR1和GBR2两种亚型 GBR1 GBR2 表达 功能受体间相互作用可促进受体蛋白合成后的转运和定位 也解释了体外单独表达的GBR1不具有天然组织受体功能的分子机制 在功能方面 单独表达两受体 激动剂引起的AC抑制 35s GTP s结合 GIRK的激活等几乎不能发生 而共表达后上述功能明显增强 用免疫共沉淀法发现两受体可通过C末端形成双聚体 可见 GBR1在膜上的定位及发挥功能依赖于和GBR2形成双聚体 受体的双聚化有病理和药理学方面的意义抗CCR5N端的抗体在体外培养细胞和小鼠体内显示出较强的抑制HIV 1复制的作用 而抗体与激动剂均可诱导CCR5双聚体的形成 而针对受体其它部位的抗体不能导致受体双聚化 也不能抑制HIV 1的感染 因此提示 诱导CCR5的双聚化可以阻断HIV 1通过CCR5引起的感染 6 GPCRs的失敏及内吞作用绝大多数与G蛋白相偶联的受体在激动剂的长期或反复刺激下都会出现反应性降低的现象称为失敏 desensitization 受体失敏作用随着激动剂作用时间的延长会经历不同的变化过程 在激动剂刺激后几秒至几小时内 受体对刺激的反应性降低 但细胞膜表面的受体数量并未减少 如果这种作用持续存在 会引起膜表面受体数量降低 即发生内吞 internalization 甚至进一步发生不可逆的降解 从而引起受体下调 down regulation 大多数的GPCRs激活后 在第二信使激酶或G蛋白偶联受体激酶的作用下发生快速磷酸化 受体的磷酸化提高了其对arrestin 阻碍蛋白 的亲和力 两者形成复合体并促使受体与G蛋白解偶联 进而此复合体与笼形蛋白衣被小泡结合并在dynamin 发动蛋白 的调解作用下发生内吞 并隐没 sequestration 于胞内 内吞后的受体可能发生两种变化 一是在衣被小泡内发生去磷酸化 通过再循环回到胞膜表面 完成复敏 resensitization 二是受体被降解 发生下调 但是有些受体在此过程中并不需要arrestin和dynamin的介导 如血管紧张素 AT 受体 GPCRs GP internalization down regulation arrestin GPCRs arrestin GP resensitization dynamin enzyme 与受体磷酸化相关的激酶GPCRs被配体激活后 在激发下游信号转导通路的同时 GPCRs本身也会发生快速的磷酸化 作用于受体的蛋白激酶家族已知有两种 第二信使激酶 包括cAMP依赖的蛋白激酶 PKA 蛋白激酶C PKC 等 其中PKA主要作用于Gs偶联受体 而PKC则作用于Gq偶联受体 GPCRs激酶 Gprotein coupledreceptorkinases GRKs 主要作用于经典的信号反馈调节通路 介导第二信使系统间的相互对话 GRKs有六种 视紫红质激酶 GRK2 肾上腺素受体激酶 GRKs 的两种异型体 GRK1和GRK3 遗传性慢性舞蹈病患者4号染色体中克隆出的IT11 GRK4 GRK5 以及一些从果蝇中克隆的多种同源物 受体磷酸化激酶的作用机制视紫红质激酶和 肾上腺素受体激酶存在于胞质中 但它们的作用底物却在胞膜上 因此 他们发挥作用时必须由胞质向胞膜发生移位 translocation 视紫红质激酶发生移位的主要机制 其C末端的Cys发生异戊二烯化 isoprenylation 使得C末端水解 最终导致激酶由胞质向胞膜移位 如将C末端的Cys点突变为Ser 异戊二烯化被阻断 视紫红质激酶的作用随之降低 肾上腺素受体激酶的移位机制 激酶本身并不发生异戊二烯化 而是与受体相偶联的G蛋白发生异戊二烯化 受体被激活后 G蛋白的 亚基可激活 肾上腺素受体激酶 同时 亚基也发生异戊二烯化 进而对激酶接近胞膜上的受体起易化作用 arrestin蛋白 笼形蛋白与笼形蛋白衣被Arrestin最重要的作用是促使激活的 磷酸化的受体与G蛋白解偶联 加速受体的失敏 内吞的可能机制衣被复合体主要有三类 衣被蛋白I Coatprotein I cop 衣被蛋白 Coatprotem cop 和笼形蛋白 clathrin 衣被蛋 和衣被蛋白 主要参与小泡在高尔基复合体和内质网之间的转运 笼形蛋白则主要参与液相物质和受体由胞膜以及反向高尔基网 transGolginet work TGN 向内涵体 endosome 的转运 内吞后的受体隐没于内涵体 内涵体中的磷酸酶在酸性条件下可以特异地引起磷酸化的受体去磷酸化 进而使得受体复敏并再循环至胞膜重新发挥作用 这一过程与受体的失敏和内吞一样 G蛋白受体激酶 arrestin和笼型衣被小泡起到至关重要的作用 GPCRs的活化模式 1 二态模式受体处在非活性构象 R 与活性构象 R 的平衡之中 即R R 在没有激动剂的情况下 R占绝大多数 R和R 之间的能障很低 使一部分R自发地变成R 激动剂与R 有很强的亲和力 使平衡发生移动 增加R 的比例 拮抗剂能稳定R 使平衡从R 移向R 中性拮抗剂与R及R 有相同的亲和力 因此不能改变平衡 2 多态模式受体自发地在多个活性和非活性构象之间变化 因而配体引起的生物效应取决于配体高亲和力结合的受体构象 如果与G蛋白偶联的受体构象是活性的 那么该配体则作为激动剂 如果受体的构象是非活性的 则配体作为拮抗剂与受体结合 3 顺序结合和构象选择 模式受体自发地在不同的构象 非活性R和活性R 之间转变 激动剂不是一步直接与R 结合 而是按一定顺序结合 因此在R和R 之间产生了一系列的中间构象 R 和R R R R R 开始 激动剂的一个结构基团与受体相互作用 然后TM的结构域自发地运动 激动剂的其他基团按顺序地与受体作用 每一次相互作用稳定了一个或多个跨膜结构域 最终激动剂稳定R GPCR固有活性研究与新药开发 1GPCR固有活性及反相激动剂概念在非活性状态下 GPCRs与GP解偶联 而在活性状态下 GPCRs结合并激活GP 固有活性 一个GPCR在缺乏激动剂的条件下 自发地产生构型变化 从失活状态构型转变为激活状态构型的能力 R R 激动剂 能稳定GPCR与激活状态 R 促使反应平衡向R 状态转构 R R 反相激动剂 能稳定GPCR于失活状态 R 促使反应平衡向R状态转构 R R 拮抗剂 不改变反应平衡状态 但能阻断激动剂的刺激作用和反相激动剂的抑制作用 R R FullAgonist Agonist Antagonist Partialinverseagonist Fullinverseagonist Thetwostate modelofGPCRactivation 激动剂增加基础G蛋白及效应系统活性 拮抗剂对基础活性无效应 反相激动剂降低G蛋白基础活性 2G蛋白偶联受体固有活性研究进展 G蛋白在GPCR固有活性中的作用大约有50 具有固有活性的GPCR偶联Gi Go 有25 具有固有活性的GPCR偶联Gs或Gq 主要是Gq和Gs调节的固有活性与疾病发生相关 但实际上很多偶联Gi Go的GPCR与疾病发生有重要关系 因此 在缺乏激动剂条件下 GPCR自发的产生构型变化是否改变GPCR对不同G蛋白亲和力 或者说这种自发性构型变化是否会改变G蛋白偶联是非常重要的问题 G蛋白偶联受体固有活性与受体表达水平关系受体的固有活性会随着受体在细胞中的表达量的增加而增加 随着受体表达量的相应增加 受体对于激动剂的反应 效价和效能都增加 以及无激动剂条件下受体的固有活性也增加 用不同浓度的 肾上腺素受体cDNA瞬时转染载黑素细胞 随着受体的表达量的增加 NPY2 NPY4 CXCR4和CCR5的固有活性和对激动剂反应增加 产生固有活性的这些受体和抑制性G蛋白的特性都用百日咳毒素预处理进行了证实 GPCR同源或异源二聚体与固有活性的关系具有固有活性的GPCR大多数都能形成同源或异源二聚体 二聚体形成与固有活性之间的关系是非常值得探讨的问题 目前有一些二聚体形成和固有活性关系研究报道 但结论并不一致 大部分受体二聚化与固有活性水平正相关 但也有例外 如趋化因子甲酸甲壳胺酸苯丙酸受体 Thehumanformylpeptidereceptor 和补体C5a受体虽然具高固有活性 但是一旦形成二聚体 固有活性就几乎消失 这些可以解释为GPCR形成二聚体后可能会引起受体构型的变化 或形成有利于自发的偶联G蛋白的构型 或形成有利于偶联原来不同G蛋白构型 激动剂暴露对GPCR固有活性的作用慢性暴露 和 阿片受体或 2肾上腺素受体于它们的选择性激动剂 增加这些受体的固有活性 并且使一些原来表现出部分激动剂或中性拮抗剂性质的化合物表现为反相激动剂 阿片等物质成瘾与药物暴露有关 阿片类慢性处理导致的 阿片受体自发性激活增加可能与阿片类依赖发生有密切关系 提示 阿片受体固有活性抑制剂可能是寻找和发现阿片类成瘾治疗药物的方向之一 G蛋白偶联受体固有活性与基础神经活性的关系许多有固有活性的野生型G蛋白偶联受体是那些神经递质包括去甲肾上腺素 5羟色胺 褪黑素 多巴胺 乙酰胆碱 组胺 腺苷 阿片肽 神经激肽 谷氨酸的受体 这些发现提示神经递质的G蛋白偶联受体的固有活性很可能与基础神经活性有关 固有活性激活的GPCR突变体与疾病的关系病理性以及人工诱变的固有活性直接导致疾病的发生 例如 将人工诱变的固有活性激活的 去甲肾上腺素表达于小鼠的心脏或血管平滑肌 产生心肌肥厚和高血压 固有活性激活的KSHV GPCR突变体与卡波氏肉瘤的发生有密切关系 固有活性激活的PTH PTHrPR的突变体在软骨发育异常疾病中有重要的作用 先天性夜盲 家族性甲亢 低血钙等疾病分别与固有活性激活的视紫红质受体 TSH受体 钙受体突变体有关 反相激动剂是治疗上述疾病的潜在药物 3反相激动剂与固有活性研究根据两态模型 G蛋白偶联受体固有活性上调 反相激动剂的抑制效应相应增加 而反相激动剂作用各种野生型G蛋白偶联受体的效应分析更进一步证实了两态模型 反相激动剂与G蛋白偶联受体固有活性的这种关系 使反相激动剂成为验证固有活性的有力工具 现在反相激动剂已经成为了研究受体固有活性的经典工具 相当多的G蛋白偶联受体具有反相激动剂 例如 阿片受体的反相激动剂ICI174 864 ICI154 129 RTI 5989 25 阿片受体的反相激动剂 chlornal trexamine多巴胺受体的反相激动剂 butaclam o l5 羟色胺受体的反相激动剂Mianserin 2肾上腺素的反相激动剂ICI118 551等等 反相激动剂对于具固有活性的G蛋白偶联受体所造成的疾病有治疗价值 KSHV G蛋白偶联受体的反相激动剂可用于治疗卡波济肉瘤 反相激动剂对TSHR和LHR的作用可分别用来治疗甲状腺功能亢进症以及青春期早熟 4GPCR固有活性与新药开发在固有活性激活受体筛选模型中 主要采用CART Constitutivelyactivatingreceptortechnology 技术 A 用受体过表达 或G蛋白胞内胞外环分子结构突变产生的G蛋白偶联受体的CART激活 来建立达到一定水平的受体固有活性 B 转染CART激活的受体入哺乳动物细胞 从而使表达在细胞表面的受体产生CART激活 而突变GPCR胞外所有跨膜环都是预选药物作用区域 C 分析含有CART激活的G蛋白偶联受体的细胞 检测它们的生物反应 并利用这一系列的生物反应来开发相关的功能分析阵列 筛选靶向含有CART激活G蛋白受体细胞或细胞膜的小分子化合物库 来鉴定与这些受体相互作用的小分子化合物 用各种功能分析阵列检测激活或抑制性的小分子与受体的作用 GeneralprocessofCART A B C 与G蛋白偶联受体相关的药物作用与治疗 1RGS调节药物在GPCR信号转导系统中 除受体 G蛋白和效应器外 还有其他蛋白与G蛋白相互作用影响GTP循环 调节受体信号转导途径 G蛋白信号的调节物质 RGS 是能够通过G蛋白调节信号转导的蛋白家族 部分RGS具有激活GTP酶活性的功能 也称为GTP酶激活蛋白 GAP 能增强GTP酶活性 减少由于受体激活介导的信号过程 进而削弱激动剂的作用 RGS可以直接拮抗G 效应分子 阻断信号向效应蛋白传递 与 亚基结合后拮抗G 介导的生物效应 直接与受体结合或作为G 效应分子调节信号转导通路 目前 已经确认了RGS的几个家族成员 其中RGS7 RGS4 RGS9等亚型与疾病发生密切相关 RGS9拮抗剂用于治疗帕金森病 RGS4用于治疗精神分裂症 但目前RGS调节剂尚未成药 2GPCR信号的精细调节GPCR的数量很多 但效应蛋白数量和信号转导通路非常有限 因此 维持多样化的细胞功能必然存在着某些特定的精细信号调节机制 精细调节可能与GPCR和G蛋白偶联的特异性 膜组构 信号途径的互相调节有关 一种GPCR可能与几种G蛋白偶联 例如 2A 肾上腺素能受体分别与Gi Gs Gq偶联 相反 不同的GPCR可能与同一个代谢途径 同一类型的G蛋白偶联 如5 HT2A和毒蕈碱型乙酰胆碱M5受体都与Gq偶联 某种细胞功能可能受到多种物质共同的精细调节 信号途径互相调节是指信号转导通路之间可能存在的相互作用 激活或抑制某种受体可以调节其他受体的反应 临床上 抑郁症 帕金森病的发病机制都与信号途径的相互作用有关 膜组构指不同GPCR和G蛋白定位于特定的细胞膜微结构域 而不是随机分布 不同细胞调节相同的信号转导通路的差异与相同G蛋白偶联的两种受体的信号并不会出现叠加 激动剂定向的信号转导 ADTRS 理论认为 激活GPCR后 只能选择性刺激某一种G蛋白亚型 激活一种代谢途径 这可能是由于不同的受体活性状态激活不同的G蛋白造成的 只选择性激活一种受体活性状态的激动剂 被称作配体选择性激动剂或