清華新聞網(wǎng)10月28日電 近期，清華大學(xué)藥學(xué)院、結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心劉翔宇課題組與醫(yī)學(xué)院布萊恩·科比爾卡（Brian Kobilka）課題組及合作者揭示去甲腎上腺素對(duì)β腎上腺素受體的亞型選擇性的分子機(jī)理。該研究首次解析了人源β1腎上腺素受體在非激活態(tài)和激活態(tài)的晶體結(jié)構(gòu)，包括結(jié)合內(nèi)源配體去甲腎上腺素和腎上腺素的結(jié)構(gòu)，并發(fā)現(xiàn)配體結(jié)合受體的結(jié)合途徑?jīng)Q定了去甲腎上腺素對(duì)β腎上腺素受體的亞型選擇性。
G蛋白偶聯(lián)受體是最大的膜受體蛋白家族，在人類(lèi)基因組中有800多個(gè)成員， 調(diào)控著重要的生理功能。β腎上腺素受體屬于G蛋白偶聯(lián)受體家族，受交感神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)控，被去甲腎上腺素和腎上腺素激活，參與調(diào)節(jié)如心跳、呼吸等關(guān)鍵的生理過(guò)程，也是研究G蛋白偶聯(lián)受體的經(jīng)典模型。β腎上腺素受體包含β1腎上腺素受體、β2腎上腺素受體、β3腎上腺素受體三個(gè)亞型。激素(hormone)腎上腺素對(duì) β1和 β2腎上腺素受體具有相近的親和力，而神經(jīng)遞質(zhì)(neurotransmitter)去甲腎上腺素對(duì)于β1腎上腺素受體親和力比β2腎上腺素受體高了10倍左右。兩個(gè)內(nèi)源配體對(duì)受體的不同選擇性對(duì)于調(diào)控心臟的生理活動(dòng)具有重要意義。去甲腎上腺素和腎上腺素的分子式十分相似，只有一個(gè)甲基的不同。而β1和β2腎上腺素受體結(jié)合天然配體的所有氨基酸都是一模一樣的。去甲腎上腺素為什么會(huì)在兩個(gè)完全保守的配體結(jié)合口袋具有10倍的親和力差異，是一個(gè)困擾了研究界40多年的問(wèn)題。
為了探究?jī)?nèi)源配體對(duì)β腎上腺素受體亞型選擇性的分子機(jī)理，研究者將人源β1和β2腎上腺素受體的胞外區(qū)互換，構(gòu)建了兩個(gè)嵌合受體（圖1）。通過(guò)動(dòng)力學(xué)結(jié)合實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，決定去甲腎上腺素對(duì)人源β腎上腺素受體亞型選擇性的主要影響因素是配體進(jìn)入受體口袋的速度（結(jié)合速率）。
圖1 . 去甲腎上腺素結(jié)合β腎上腺素受體的動(dòng)力學(xué)研究
a.嵌合受體的設(shè)計(jì) b.去甲腎上腺素結(jié)合野生型β1、β2腎上腺素受體及嵌合受體的動(dòng)力學(xué)研究
為了進(jìn)一步闡明β腎上腺素受體不同的胞外區(qū)對(duì)甲腎上腺素亞型選擇性的影響，研究組解析了人源β1腎上腺素受體的晶體結(jié)構(gòu)，包括了結(jié)合抑制劑Carazolol的結(jié)構(gòu)和結(jié)合超強(qiáng)激動(dòng)劑BI-167107的結(jié)構(gòu)，以及結(jié)合兩個(gè)內(nèi)源配體去甲腎上腺素和腎上腺素的結(jié)構(gòu)。通過(guò)結(jié)構(gòu)比對(duì)發(fā)現(xiàn)，β1腎上腺素受體和β2腎上腺素受體具有相似的配體結(jié)合口袋和不同的胞外區(qū)表面。結(jié)合分子模擬與突變實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，研究者發(fā)現(xiàn)去甲腎上腺素通過(guò)不同的結(jié)合途徑進(jìn)入β1腎上腺素受體和β2腎上腺素受體的正構(gòu)配體結(jié)合口袋。兩個(gè)途徑中不同的關(guān)鍵氨基酸影響了去甲腎上腺素的結(jié)合速率和親和力，決定了其選擇性。而腎上腺素雖然也通過(guò)不同的結(jié)合途徑進(jìn)入β1腎上腺素受體和β2腎上腺素受體，但是腎上腺素在化學(xué)結(jié)構(gòu)上比去甲腎上腺素多一個(gè)甲基，該甲基引起電性的不同導(dǎo)致腎上腺素對(duì)兩個(gè)受體不具有選擇性（圖2）。研究者首次在分子機(jī)理上闡明受體的胞外區(qū)如何作為“選擇性濾網(wǎng)”，決定了配體對(duì)受體的亞型選擇性。這項(xiàng)工作也拓寬了GPCR亞型選擇性藥物開(kāi)發(fā)的思路，可以不局限于針對(duì)保守性較高的正構(gòu)配體結(jié)合口袋，而考慮保守性較低的胞外區(qū)“選擇性濾網(wǎng)”。
圖2.去甲腎上腺素在β1腎上腺素受體和β2腎上腺素受體中不同的結(jié)合途徑
a.去甲腎上腺素和腎上腺素的化學(xué)結(jié)構(gòu)和電性分析。
b.去甲腎上腺素在β1腎上腺素受體中的結(jié)合途徑是一個(gè)連續(xù)的帶負(fù)電的通道。
c.去甲腎上腺素在β2腎上腺素受體中的結(jié)合途徑是由兩塊帶負(fù)電的區(qū)域和一個(gè)電中性的間隔連接形成的。
10月23日，該研究以 “結(jié)合途徑?jīng)Q定去甲腎上腺素對(duì)人源β腎上腺素受體的亞型選擇性”（Binding pathway determines norepinephrine selectivity for the human β1AR over β2AR）為題發(fā)表在《細(xì)胞研究》（CellResearch）期刊上。
清華大學(xué)藥學(xué)院劉翔宇教授、加州大學(xué)圣地亞戈分校藥理學(xué)系Roger Sunahara教授以及德國(guó)埃爾朗根-紐倫堡大學(xué)化學(xué)與藥理學(xué)系的Peter Gmeiner教授為本文的共同通訊作者。清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院布萊恩·科比爾卡（BrianKobilka）課題組許心宇博士、德國(guó)埃爾朗根-紐倫堡大學(xué)Peter Gmeiner課題組Jonas Kaindal博士及加州大學(xué)圣地亞戈分校Roger Sunahara課題組Mary J. Clark博士為本文共同第一作者。本課題得到了北京市結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心的資助以及清華大學(xué)生物醫(yī)學(xué)測(cè)試中心同位素實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)支持。
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https://www.nature.com/articles/s41422-020-00424-2
供稿：藥學(xué)院
編輯：李晨暉
審核：呂婷
