St.Jude研究人員破解了β2腎上腺素受體的密碼

通過(guò)國(guó)際合作，圣裘德兒童研究醫(yī)院的科學(xué)家利用數(shù)據(jù)科學(xué)、藥理學(xué)和結(jié)構(gòu)信息，對(duì)受體中結(jié)合腎上腺素的每種氨基酸在這種天然配體存在的情況下如何促進(jìn)受體活性進(jìn)行原子水平的研究。他們準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)了哪些氨基酸控制配體的關(guān)鍵藥理學(xué)特性。研究的腎上腺素受體是G蛋白偶聯(lián)受體(GPCR)家族的成員，該家族是美國(guó)食品和藥物管理局(FDA)批準(zhǔn)的所有藥物中三分之一的目標(biāo)。因此，了解GPCR如何響應(yīng)天然或治療性配體對(duì)于開發(fā)對(duì)受體活性具有精確影響的新療法至關(guān)重要。這項(xiàng)工作今天發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。

要了解手表的工作原理，人們可以將其一塊一塊地拆開，并研究每個(gè)部件在其計(jì)時(shí)功能中所扮演的角色。同樣，在GPCR等蛋白質(zhì)中，每個(gè)氨基酸可能在蛋白質(zhì)如何響應(yīng)外部信號(hào)方面發(fā)揮不同的作用。St.Jude的研究人員與斯坦福大學(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(guò)一次替換一個(gè)氨基酸來(lái)研究β2-腎上腺素受體(β2AR)，以了解其貢獻(xiàn)該受體中的每個(gè)氨基酸介導(dǎo)信號(hào)反應(yīng)。

科學(xué)家們通過(guò)一次破壞一個(gè)基因來(lái)了解基因如何促進(jìn)細(xì)胞功能。我們問，‘為什么我們不更進(jìn)一步呢?讓我們了解每種氨基酸如何通過(guò)突變(一次一個(gè)氨基酸)來(lái)促進(jìn)受體的功能。確保它與天然配體(在本例中為腎上腺素)結(jié)合，并引發(fā)適當(dāng)?shù)纳矸磻?yīng)。”

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GPCR是跨越細(xì)胞膜的蛋白質(zhì)，通過(guò)將外部信號(hào)傳輸?shù)郊?xì)胞內(nèi)部，將細(xì)胞外部與其內(nèi)部環(huán)境連接起來(lái)。對(duì)于β2AR，腎上腺素與細(xì)胞外部分的GPCR結(jié)合，誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)的反應(yīng)。

當(dāng)配體結(jié)合時(shí)，它會(huì)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)的相對(duì)兩側(cè)，但通過(guò)跨越整個(gè)蛋白質(zhì)的復(fù)雜氨基酸接觸網(wǎng)絡(luò)連接。GPCR內(nèi)的構(gòu)象(形狀)變化會(huì)激活G蛋白，從而觸發(fā)細(xì)胞內(nèi)的下游信號(hào)反應(yīng)。通過(guò)對(duì)多種組織和GPCR(包括β2AR)的影響，腎上腺素可以觸發(fā)戰(zhàn)斗或逃跑反應(yīng)，例如在腎上腺素激增期間。

為了了解GPCR中每個(gè)氨基酸的作用，該項(xiàng)目的主要作者和共同通訊作者、現(xiàn)就職于馬爾堡菲利普大學(xué)的FranziskaHeydenreich博士對(duì)β2AR中的412個(gè)氨基酸進(jìn)行了突變。然后，她評(píng)估了每個(gè)突變體對(duì)配體腎上腺素的反應(yīng)，并確定了功效和效力的經(jīng)典藥理學(xué)特性。功效衡量配體可以引起的最大反應(yīng)，效力衡量引起最大反應(yīng)一半所需的配體量。目的是在原子尺度上揭示每種氨基酸如何促進(jìn)這些藥理學(xué)特性。

Heydenreich說(shuō)：“令人驚訝的是，400多個(gè)氨基酸中，只有約80個(gè)氨基酸具有這些藥理學(xué)特性。在這些藥理學(xué)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)域內(nèi)。”

巴布說(shuō)：“觀察到一些氨基酸控制功效，一些氨基酸控制效力，還有一些氨基酸同時(shí)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的藥物，你現(xiàn)在知道新配體需要影響某些特定殘基。”研究人員還指出，每個(gè)殘基對(duì)功效和效力的單獨(dú)貢獻(xiàn)并不相等，這意味著在設(shè)計(jì)新的治療配體時(shí)有更多機(jī)會(huì)微調(diào)藥物反應(yīng)。

“幾十年來(lái)，人們一直在測(cè)量多種配體-受體信號(hào)系統(tǒng)的功效和效力。現(xiàn)在我們可以了解蛋白質(zhì)序列中的特定氨基酸如何影響這些藥理學(xué)特性，”巴布解釋道。

“結(jié)果的一個(gè)令人著迷的方面是，效力和功效可以通過(guò)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(gè)體之間的藥物反應(yīng)提供了基礎(chǔ)，”MichelBouvier博士，來(lái)自該研究的共同通訊作者蒙特利爾大學(xué)生物化學(xué)與分子醫(yī)學(xué)系、免疫學(xué)與癌癥研究所所長(zhǎng)補(bǔ)充道。

美麗的網(wǎng)絡(luò)

先前的研究闡明了β2AR活性和非活性狀態(tài)的結(jié)構(gòu)?；谶@些知識(shí)，研究人員開始了一項(xiàng)新的調(diào)查。他們探索了先前被證明不參與配體或G蛋白結(jié)合的三分之二藥理學(xué)相關(guān)氨基酸是否可能在受體活性和非活性狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)變中發(fā)揮作用。

Heydenreich說(shuō)：“我們開始系統(tǒng)地研究活性狀態(tài)特有的每個(gè)殘基接觸，以了解形成活性狀態(tài)接觸的所有氨基酸是否都很重要。”

研究人員開發(fā)了一個(gè)數(shù)據(jù)科學(xué)框架來(lái)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(hào)傳導(dǎo)的第一張全面圖景。“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(gè)美麗的網(wǎng)絡(luò)，”巴布說(shuō)。

“它為連接配體結(jié)合口袋和控制功效和效力的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)院的共同通訊作者、2012年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主BrianKobilka補(bǔ)充道。

通過(guò)在原子水平上了解GPCR信號(hào)傳導(dǎo)，研究人員樂觀地認(rèn)為他們可以開始更深入的探索——;查看活性和非活性構(gòu)象之間的瞬時(shí)亞狀態(tài)并探索蛋白質(zhì)的構(gòu)象景觀。

海登賴希說(shuō)：“我們現(xiàn)在知道要追蹤哪些突變體，那些只影響功效、效力或兩者兼而有之的突變體。”

“現(xiàn)在，我們可以對(duì)這些突變體進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算和單分子實(shí)驗(yàn)，以揭示變構(gòu)網(wǎng)絡(luò)影響介導(dǎo)信號(hào)反應(yīng)的功效和效力的確切機(jī)制。這是我們通過(guò)圣裘德研究中心追求的方向就GPCR進(jìn)行合作，其中包括來(lái)自多個(gè)機(jī)構(gòu)的PI。”巴布解釋道。

除了這些參與調(diào)節(jié)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(dòng)”殘基之外，巴布和他的同事還打算探索這項(xiàng)工作揭示的其他關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)。他們的目標(biāo)是研究“過(guò)客”氨基酸，盡管它們?cè)诨钚誀顟B(tài)下接觸，但在突變時(shí)不會(huì)影響功效或效力。他們還對(duì)“調(diào)節(jié)劑”殘基感興趣，這些殘基不會(huì)介導(dǎo)活性狀態(tài)特異性接觸，但在突變時(shí)會(huì)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(cè)量，并不局限于β2AR。它可以擴(kuò)展到任何GPCR，以增強(qiáng)我們對(duì)控制此類關(guān)鍵藥物靶點(diǎn)的機(jī)制的理解。

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