Nature子刊：构象动力学和变构学阐明了GPCR如何与多种Ｇ蛋白偶联

在一项开创性的研究中，由Adnan Sljoka博士(RIKEN)和Akio Kitao教授(东京工业大学)领导的跨国研究小组与Scott Prosser教授(多伦多大学)合作，进行了实验和计算研究，以阐明G蛋白在人类腺苷A2A受体(A2AR)中的选择性和功效背后的机制。A2AR是主要药物靶G蛋白偶联受体(GPCR)超家族的成员，参与G蛋白并启动细胞信号传导，影响心脏健康、炎症、癌症和脑部疾病。科学家们在了解A2AR如何参与和激活多种结合g蛋白以及这种选择性偶联的机制方面取得了突破。研究小组发现，A2AR的标志偶联乱交是激活构象变化的直接结果。此外，远程(变构)通信机制优雅地控制了动态构象集合中特定构象的采样。

这项研究为GPCR的选择性和偏倚信号提供了深刻的见解。这些发现有望对药物发现产生重大影响，并为治疗各种人类疾病(包括癌症和神经生成疾病)的新型GPCR靶向治疗策略铺平道路。这项研究还将使设计更广义的计算和人工智能驱动的研究成为可能，突破GPCR激活机制和下一代药理学的界限。

背景

GPCR是最大的受体类别，几乎影响人体生理的各个方面，35%的已批准药物作用于GPCR。它们调节感觉和神经元信号，以及与细胞稳态、生长和免疫反应相关的无数过程。GPCR主要位于细胞周围的质膜中，而作用于GPCR的药物或配体(如激素和神经递质)与细胞外袋结合。然后激活通过受体传递，导致与细胞内部蛋白质的络合。由于信号到达细胞外部并在细胞内启动信号通路，这使得gpcr在药物发现中特别有用，因为药物在许多情况下不需要进入细胞。

然而，GPCR的激活与动态事件、关键中间状态和激活状态有关，这些状态发生在配体结合和G蛋白被激活之间。此外，许多gpcr是混杂的，因为它们选择性地与不同的G蛋白相互作用，每一个都影响一个独特的细胞反应。事实上，G蛋白的选择性是GPCR生物学中最不为人所知的方面之一。捕获GPCR的构象动力学，描述各种功能状态，了解变构机制及其在G蛋白选择性、偶联乱交、激活和信号传导机制中的作用是一项艰巨的挑战，这使得预测或控制GPCR在药物开发中的行为变得困难。

研究成果概述

利用实验和计算技术，包括功能分析、氟核磁共振(19F-NMR)、数学刚性理论、分子动力学模拟以及刚性和几何蒙特卡罗模拟，国际研究小组发现了GPCR-G蛋白选择性背后的机制。该团队将研究重点放在了人类腺苷A2A受体(A2AR)上。A2AR是一种典型的GPCR，分布在神经系统、血小板、免疫细胞、肺、心脏和脉管系统中，除了其同源的Gs蛋白外，还涉及多种G蛋白(特别是Go)。A2AR药物已被开发用于治疗伤口愈合、血管疾病，包括动脉粥样硬化、再狭窄和血小板活化，以及炎症和癌症。然而，药理学方案被认为仅作为A2AR-Gs复合物的拮抗剂或激动剂。因此，了解G蛋白在A2AR中的选择性和有效性机制，以及gpcr的一般偏态和激活机制，可以为药理学研究提供新的机会。

研究人员利用相同的激动剂配体将A2AR与同源g蛋白和非同源g蛋白络合，研究A2AR的关键构象状态和动力学。19F NMR揭示了A2AR与g和Go g蛋白偶联时的几种功能激活状态。当A2AR与其首选的Gs伴侣结合时，受体适应长寿命和高密度的激活状态。然而，当与氧化石墨烯耦合时，这些激活构象态的接合和填充明显减少。事实上，其中一种激活状态主要是在受体与Gs而不是Go结合时观察到的。

Kitao博士实验室进行的分子动力学模拟和dPaCS-MD/MSM计算表明，与Go相比，Gs与A2AR形成更多的相互作用，具有更强的结合亲和力。Tucs博士进行的蒙特卡罗模拟证实，当A2AR与g或Go g蛋白结合时，受体的动力学发生了重大变化，这决定了通过核磁共振识别的激活状态之间的种群和相互转换。这导致了变构(远程通信)可能起作用的假设。

为了探测受体的变构，研究人员利用了Sljoka博士开发的刚性理论技术。刚性理论分析证实了受体与g和Go结合时存在不同的多个自适应变构网络。变构机制直接控制不同功能状态之间的动力学差异和转变，在G蛋白选择性和G蛋白-受体偶联中起主要作用。

GPCRs通过不同的激活状态与多种蛋白质连接的能力可能会带来更好的治疗，突出了我们身体细胞交流和响应信号的复杂而迷人的方式。本研究的发现对gpcr的选择性、变构性、部分激动作用和偏倚信号传导提供了重要的见解，对药物发现具有重要意义。

未来的发展

虽然目前的研究对A2AR中的耦合和乱交提供了前所未有的机制理解，但未来的研究无疑将集中在尝试推广到其他gpcr上，并结合先进的人工智能模型。这些努力对设计更安全、更有选择性的靶向gpcr治疗具有重要意义，并将加深我们对细胞信号传导机制的整体理解。