Molecular Cell | 金長文課題組與合作者揭示G蛋白偶聯(lián)受體信號轉(zhuǎn)導(dǎo)多樣性的動態(tài)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)
2019年5月15日，Molecular Cell雜志在線發(fā)表了題為Conformational Complexity and Dynamics in a Muscarinic Receptor Revealed by NMR Spectroscopy的研究論文，報道了應(yīng)用液體核磁共振方法研究M2毒蕈堿型乙酰膽堿受體結(jié)構(gòu)動態(tài)性的工作，并結(jié)合功能實(shí)驗(yàn)和分子動力學(xué)模擬，揭示了GPCR 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)多樣性的分子機(jī)制。
G蛋白偶聯(lián)受體（GPCR）家族是最大的一類膜蛋白家族受體，在視覺，嗅覺，味覺，以及激素和神經(jīng)遞質(zhì)等信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中發(fā)揮著重要的生理功能，同時也是關(guān)鍵的藥物靶標(biāo)。近年來，隨著越來越多GPCR在失活和激活狀態(tài)下的晶體及電鏡結(jié)構(gòu)的解析，人們對于這一大類受體的激活機(jī)制有了愈發(fā)深入的了解。然而，GPCR受體的失活和激活結(jié)構(gòu)僅代表了信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程起始和終止時相對穩(wěn)定的構(gòu)象狀態(tài)，受體在激活過程中發(fā)生了復(fù)雜多樣的動態(tài)構(gòu)象變化，這些變化很可能與不同配體引起的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)多樣性相關(guān)。目前，GPCR在激活過程中的動態(tài)構(gòu)象變化仍不清楚，國際上這方面的研究尚處于起步階段。液體核磁共振方法能夠在原子分辨率水平研究蛋白質(zhì)相互作用和構(gòu)象變化，提供晶體或電鏡結(jié)構(gòu)缺失的信息，是GPCR動態(tài)結(jié)構(gòu)與激活機(jī)制研究中不可缺少的重要研究手段。
M2毒蕈堿型乙酰膽堿受體（M2R）是一個典型的GPCR，在調(diào)節(jié)人體心率和許多中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能中發(fā)揮重要作用，是研究GPCR 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、調(diào)節(jié)以及藥物設(shè)計的模式受體。本篇文章通過在M2R中引入13CH3-ε-甲硫氨酸同位素標(biāo)記探針，檢測受體在結(jié)合一系列配體小分子時的核磁圖譜變化（圖一），分析M2R動態(tài)構(gòu)象變化與這些配體對G蛋白激活和抑制蛋白 （arrestin）募集效應(yīng)差異的相關(guān)性。同時，結(jié)合分子動力學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步解釋不同配體結(jié)合導(dǎo)致受體激活時構(gòu)象和功能變化差異的分子機(jī)制。該項(xiàng)研究首次將M2R的配體結(jié)構(gòu)、受體構(gòu)象變化以及配體功能多樣性聯(lián)系起來，揭示了M2R信號轉(zhuǎn)導(dǎo)多樣性可能的分子機(jī)制，并為針對這類重要受體的藥物研發(fā)提供了理論指導(dǎo)。
圖一：內(nèi)源配體乙酰膽堿（acetylcholine）與晶體結(jié)構(gòu)解析的配體iperoxo具有不同功效，在結(jié)合受體時呈現(xiàn)差異性的化學(xué)位移指紋圖譜，揭示受體激活時發(fā)生不同的構(gòu)象變化。
北京大學(xué)金長文教授與清華大學(xué)Brian K. Kobilka教授為本文的共同通訊作者。清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院博士生徐俊為本文的第一作者。原北京大學(xué)核磁共振中心副研究員胡蘊(yùn)菲博士（現(xiàn)為蘇州大學(xué)醫(yī)學(xué)部教授）參與了核磁實(shí)驗(yàn)以及數(shù)據(jù)的處理和分析。北京大學(xué)核磁共振中心牛曉剛博士和李紅衛(wèi)博士協(xié)助完成核磁數(shù)據(jù)的收集。德國弗里德里希-亞歷山大 埃爾朗根-紐倫堡大學(xué)化學(xué)與藥理學(xué)系Peter Gmeiner課題組負(fù)責(zé)了本研究的功能實(shí)驗(yàn)和分子動力學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)。斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院助理研究員Shoji Maeda為本研究的功能實(shí)驗(yàn)提供了幫助。本文的核磁數(shù)據(jù)全部在北京大學(xué)核磁共振中心和鳳凰工程核磁平臺收集完成。
金長文課題組長期致力于用液體核磁共振技術(shù)表征生物大分子的結(jié)構(gòu)與動態(tài)構(gòu)象變化。本篇文章是北京大學(xué)金長文課題組與清華大學(xué)Brian K. Kobilka課題組在GPCR動態(tài)結(jié)構(gòu)合作研究中的一項(xiàng)階段性成果，展現(xiàn)了核磁共振技術(shù)在膜蛋白受體動態(tài)研究中的重要應(yīng)用。目前正在進(jìn)行更深入的動態(tài)結(jié)構(gòu)研究，將有助于進(jìn)一步加深人們對GPCR信號轉(zhuǎn)導(dǎo)多樣性的分子機(jī)制的理解。
文章鏈接：https://www.cell.com/molecular-cell/fulltext/S1097-2765(19)30320-X
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