最新研究成果 | 清華大學藥學院劉翔宇與合作者揭示去甲腎上腺素對β腎上腺素受體的亞型選擇性的分子機理
時間：2021-04-09 00:26:02學院：藥學院學校：清華大學
2020年10月23日， 清華大學藥學院、結(jié)構(gòu)生物學高精尖創(chuàng)新中心劉翔宇課題組與清華大學醫(yī)學院Brian Kobilka課題組及合作者在《Cell Research》期刊上以長文形式報道了題為“結(jié)合途徑?jīng)Q定去甲腎上腺素對人源β腎上腺素受體的亞型選擇性”（Binding pathway determines norepinephrine selectivity for the human β1AR over β2AR）的研究論文。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β腎上腺素受體的亞型選擇性。
1. 去甲腎上腺素q親和力差異研究
G 蛋白偶聯(lián)受體是最大的膜受體蛋白家族，在人類基因組中有 800 多個成員， 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腎上腺素受體三個亞型。激素(hormone)腎上腺素對 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。兩個內(nèi)源配體對受體的不同選擇性對于調(diào)控心臟的生理活動具有重要意義。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在兩個完全保守的配體結(jié)合口袋具有10倍的親和力差異，是一個困擾了研究界四十多年的問題。
2.?探究內(nèi)源配體對beta受體亞型選擇性的動態(tài)學機制
為了探究內(nèi)源配體對β腎上腺素受體亞型選擇性的分子機理，研究者將人源β1 和 β2 腎上腺素受體的胞外區(qū)互換，構(gòu)建了兩個嵌合受體（圖1）。通過動力學結(jié)合實驗發(fā)現(xiàn)決定去甲腎上腺素對人源β腎上腺素受體亞型選擇性的主要影響因素是配體進入受體口袋的速度(結(jié)合速率)。
3.?揭示受體胞外區(qū)決定去甲腎上腺素亞型選擇性的分子機理
清華大學藥學院劉翔宇教授、加州大學圣地亞戈分校藥理學系Roger Sunahara教授以及德國弗里德里希-亞歷山大-埃爾朗根-紐倫堡大學化學與藥理學系的Peter Gmeiner教授為本文的共同通訊作者。清華大學Brian Kobilka課題組許心宇博士、德國弗里德里希-亞歷山大埃爾朗根-紐倫堡大學Peter Gmeiner課題組Jonas Kaindal博士及加州大學圣地亞戈分校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)生物學高精尖創(chuàng)新中心的資助以及清華大學生物醫(yī)學測試中心同位素實驗室的技術(shù)支持。
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1. 去甲腎上腺素q親和力差異研究
G 蛋白偶聯(lián)受體是最大的膜受體蛋白家族，在人類基因組中有 800 多個成員， 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腎上腺素受體三個亞型。激素(hormone)腎上腺素對 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。兩個內(nèi)源配體對受體的不同選擇性對于調(diào)控心臟的生理活動具有重要意義。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在兩個完全保守的配體結(jié)合口袋具有10倍的親和力差異，是一個困擾了研究界四十多年的問題。
2.?探究內(nèi)源配體對beta受體亞型選擇性的動態(tài)學機制
為了探究內(nèi)源配體對β腎上腺素受體亞型選擇性的分子機理，研究者將人源β1 和 β2 腎上腺素受體的胞外區(qū)互換，構(gòu)建了兩個嵌合受體（圖1）。通過動力學結(jié)合實驗發(fā)現(xiàn)決定去甲腎上腺素對人源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腎上腺素受體的動力學研究
a.嵌合受體的設(shè)計? 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力學研究
3.?揭示受體胞外區(qū)決定去甲腎上腺素亞型選擇性的分子機理
為了進一步闡明β腎上腺素受體不同的胞外區(qū)對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)合超強激動劑BI-167107的結(jié)構(gòu)，以及結(jié)合兩個內(nèi)源配體去甲腎上腺素和腎上腺素的結(jié)構(gòu)。通過結(jié)構(gòu)比對發(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驗的結(jié)果，研究者發(fā)現(xiàn)去甲腎上腺素通過不同的結(jié)合途徑進入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不同的結(jié)合途徑進入β1腎上腺素受體和β2腎上腺素受體，但是腎上腺素在化學結(jié)構(gòu)上比去甲腎上腺素多一個甲基，該甲基引起電性的不同導(dǎo)致腎上腺素對兩個受體不具有選擇性(圖2)。研究者首次在分子機理上闡明受體的胞外區(qū)如何作為“選擇性濾網(wǎng)”，決定了配體對受體的亞型選擇性。這項工作也拓寬了GPCR亞型選擇性藥物開發(fā)的思路，可以不局限于針對保守性較高的正構(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)合途徑是一個連續(xù)的帶負電的通道。
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
電的區(qū)域和一個電中性的間隔連接形成的。
清華大學藥學院劉翔宇教授、加州大學圣地亞戈分校藥理學系Roger Sunahara教授以及德國弗里德里希-亞歷山大-埃爾朗根-紐倫堡大學化學與藥理學系的Peter Gmeiner教授為本文的共同通訊作者。清華大學Brian Kobilka課題組許心宇博士、德國弗里德里希-亞歷山大埃爾朗根-紐倫堡大學Peter Gmeiner課題組Jonas Kaindal博士及加州大學圣地亞戈分校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)生物學高精尖創(chuàng)新中心的資助以及清華大學生物醫(yī)學測試中心同位素實驗室的技術(shù)支持。
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