G蛋白偶联受体和跨膜信息传递的研究现状

·62· JoumalofTmpicalMedicineV01．1No．1Aug．，2001 ·综述· G蛋白偶联受体和跨膜信息传递的研究现状 邵筱综述 吴忠道余新炳 审校 中山医科大学寄生虫学教研室 广州 510089 【摘要】 自从第一个GPcR(G—protejn—coupledrec印tor)被克隆以来，目前已知有超过1000种的GPcPs存在 于生物体细胞膜上，它们构成了一个庞大的蛋白质超家族，调控着极为广泛的生物活动；同时对其研究也深入到结构 与功能关系。本文 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 了近年来关于GPCPs结构，配体一受体结合模式及其激活机制的研究现状以及最新进展。 【关键词】跨膜蛋白；受体；信号传导；G蛋白 中图分类号：Q735文献标识码：A 文章编号：0254～900x(2001)一0062一05 G蛋白偶联受体(G—protein—coupledrecep— tor，GPcR)是己知的3类涉及跨膜信号传导的膜受 体之一。目前，己有1000多种GPcPs得到确认， 这构成了人体中最为庞大的蛋白质超家族。涉及 G蛋白偶联受体调控的酶和效应系统包括：AC— cAMP系统；PLc—IP3／DG系统；PLA2一花生四 烯酸系统；以及多种离子通道。本文总结了关于 GPcPs结构，配体一受体结合模式以及受体激活 机制的研究现状与最新进展，包括日益更新和完 善的技术手段，并期望对GPCPs的深入研究能够 为未来发展特异性的药物和疫苗打下基础。 1GPCR受体的结构和功能域 1．1氨基酸残基的命名体系 为了比较不同亚型的不同氨基酸残基的相对 位置，Schwartz等和Baldwin等分别发展了两种相 似的位置 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ¨，2‘。他们给每个 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 的氨基酸 残基仪螺旋疏水片段中最保守的氨基酸残基一个 固定编号，其它的氨基酸残基以数字来表示与该 保守氨基酸残基的相对位置。例如，Ⅳ．16表示 TM4(tmnsmembranesegment4)的第16个氨基酸残 基。在Ballesteros—Weinstein⋯的表示方法中，每 个TM中最保守的氨基酸残基被给予一个编号 邵筱：中山医科大学寄生虫学教研室硕士研究生，导师 为余新炳教授。 50，其它氨基酸残基根据与它的相对位置来表 示。例如，6．60表示TM6中，在最保守的pro向 羧基端十个残基的位置。本文采用两者结合的方 式来表示氨基酸残基的相对位置。 1．2受体的功能域 在不同亚型之问保守性强的氨基酸残基预示 着该氨基酸对GPCRs的空间构型和功能有着更大 的影响，目前公认的保守氨基酸残基包括 Asp2·5087，Asn749318，Ar9350139，Asp3·49138，Ile3“143， 以及Asp”o(TMⅢ)，Tyr”1(TMⅢ)，Phe220／224 (TMV)，Trp276(TMⅥ)，Gln286(TMⅥ)等等。Li— onelMouledous¨1，使用点诱变技术研究了类阿片 样受体l(ORLl)几个跨膜片段的氨基酸残基，发 现保守的氨基酸残基被Ala取代后所产生的变异 0RLl，发生了功能性的失活。TMⅢAsp以及 TMⅢ，Ⅳ，Ⅵ中的几个保守芳香族氨基酸残基对 于受体与阿片样物质的结合是不可缺少的。Gln286； (TMⅥ)的存在对于保持激动剂依赖性受体激活是 至关重要的，它可以稳定被激活受体的结构，但 对于其它配体似乎没有这种作用。运用点诱变技 术获得了很多保守性甚强的氨基酸，初步了解了 这些保守氨基酸在受体功能中所扮演的角色；此 外，colleen"1使用这种方法建立了许多不同的、仅 涉及数个保守氨基酸残基的微结构域。例如，在 GnRH中，保守的Asp3+49。，。和Ile3·54．。3可以抑制保 万方数据 热带医学杂志2001年第1卷第1期 守的Ar93。50。，，的作用。将这一微结构域整合人完 整的受体中，Ar93’50Ⅲ位移，允许它与Asp7。49，-s的 侧链相互作用，从而引起受体的激活。与此相关 的GPCR的微结构域是TM7侧链(通常是 Asn7．49)和TM2侧链(通常是Asp2．50)所构成 的。起初发现GnRH激活时，两条侧链相互作 用，而使用点诱变技术获得的实验结果支持该微 结构域对受体的激活具有重要作用。 2受体一配体结合模式 2．1GPCPs的配体结合结构域 体内如此众多的细胞内外信号传导过程涉及 配体一GPcPs途径，了解GPCPs与相应配体结合 的位点具有药理学意义是不言而喻。早期的研究 表明眠川，GPCPs的7个跨膜d螺旋在空间上构成 一个开口于膜外的裂隙，作为配体结合的结构 域。这一看法得到了涉及A类GPCPs实验的支 持。视蛋白、视紫红质等可以共价结合于上述跨 膜仅螺旋所构成的裂隙。然而，最近的大量研究 显示，配体结合结构域并不集中于某一确定位 点；一些小分子非肽类配体可以特异性激活或抑 制肽类受体，而且它们与肽类配体似乎没有共同 的作用位点。这些发现提示了配体一GPcPs之间 的结合方式可能是多种多样的。 2．2A家族 结合于肾上腺素受体的视紫红质发色素，视 蛋白，以及11一同视黄醛是被详尽研究的A家族 配体，但它们也是相对特殊的配体。它们是少有 的几种共价结合于受体跨膜d螺旋裂隙的内源性 配体。然而受体的激活需要TM3膜外侧部分的 Glull3的协助；同时也与TM3中的Glyl21和 TM6中的膜外芳香族氨基酸相作用，以激活受 体。当暴露于光照时，ll一同视黄醛立体异构为 反11视黄醛，然后引发变型视紫红质Ⅱ状态的形 成，继而激活受体。然而，Han．M¨1等发现，反式 视黄醛的作用类似于视紫红质的激动剂，而l1一 顺视黄醛却有相反的作用。 ·63。 在GPcRsA家族与配体关系中，经典的小分 子递质类配体，例如肾上腺素，去甲肾上腺素， 多巴胺，组胺，5一羟色胺，以及乙酰胆碱等，也 结合于跨膜仅螺旋裂隙中。涉及Bz一肾上腺素与 其激动剂、抑制剂结合的氨基酸残基在TM3，5， 6，7中被发现。Maloney等⋯使用荧光镜 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 带有 荧光标记的配体结合过程，发现配体一受体结合 裂隙深埋于受体分子内部。同时，在肾上腺素受 体，最重要的相互作用是其AspⅢ113羟化分枝与配 体胺形成盐键，而此Asp在生物源性胺类受体中 是保守的。在该受体与激动剂配体相结合时，另 一关键的作用是氢键的形成。stradercD及其合作 者的研究表明n0。，配体儿茶酚胺环上的羟基和 TMV上的两个丝氨酸残基(SerVo，543，SerV ，：546)构成两个氢键。最近的研究资料显示n¨， TM6上Phe290(Ⅵ．"6·52)可以稳定儿茶酚胺环的结 构。此外，Asn293(Ⅵ棚6·55)可与肾上腺素配体的 p羟基构成氢键。当p：一肾上腺素类抑制剂与受 体结合时，AspⅢ113扮演相似角色；但其它受体功 能位点不同于激动剂作用机制。在芳香族羟化烷 基胺类抑制剂，如盐酸阿普洛尔，TM7上的 Asn312(Ⅶ．嘶7·，9)扮演关键性的角色。现在已清 楚，一些抑制性配体与同受体的激动性配体无结 构相似性。这些抑制性配体可能作用于裂隙表面 附近。但是，大多数小分子递质激动性配体是结 合于受体跨膜片段所构成的裂隙中，从而激活受 体的。 多肽类配体是另一个庞大的与A类GPCRs结 合的配体，和经典的小分子递质配体比较，肽类 配体的结合涉及一些较大的肽类受体细胞外结构 域。Guther⋯1使用嵌合受体方法研究了P物质，神 经激肽A，B(分别与NKl，2，3受体结合)的配 体一受体作用模式，发现多个结合表位分散在受 体结构中，产生对不同速激肽的选择性，而且受 体的不同结构域，具有不同程度的特异性。这说 明对不同亚型的速激肽，具有不同的受体结合位 点。变换受体位于细胞外连接跨膜片段的环(在 万方数据 -64· NK一1，3受体)显示改变了受体与不同亚型速激 肽的结合能力。Huang等n21使用点诱变方法，通 过改变环上某个氨基酸残基，从而发现NK一1受 体氨基端有三个残基Asn23，Glu24，Phe25，以及 TM3顶端的Hisl08，TM7顶端的Tyr287，对于受 体与P物质的结合是至关重要的。使用相同方法 研究NKA与NK一2受体，获得了类似结果，但是 所涉及的氨基酸残基是不同的。使用点诱变技术 改变NK一1受体TM5中氨基酸残基，如Leu202 (V棚5·43)，将影响配体与受体结合，显示了某些 肽类配体可能也与跨膜片段构成的裂隙结合。这 些结果说明甚至在同源性的肽类配体一受体结合 过程中，其作用模式也是不同的。有的肽类配体 结合于跨膜片段构成的裂隙中，有的与受体膜外 环状肽段上的氨基酸残基结合，也可能通过两者 共同与受体作用。利用重组技术研究速激肽系统 (cP96，345作为该受体的非肽类配体，具有抑制 剂的作用)，cP96，345和其它几种不同的NKl受 体非肽类抑制剂以不同的方式与受体TM5和TM6 的某些区域相联系。NK2受体的非肽类抑制性配 体与受体结合也不同于相应的肽类配体。使用点 诱变技术进一步研究NKl受体上的配体结合位 点，发现许多跨膜片段上的氨基酸残基影响受体 一配体结合。Gether⋯1作了如下总结：影响非肽类 配体一受体结合的氨基酸残基位于TM3，5，6， 也有学者报道是TM4，7，一些公认的与cP96， 345相互作用的氨基酸残基包括Glul65(Ⅳ ．204·64)，Hisl97(V 05’039)，His265(VI．176·25)， Phe268(Ⅵ．206·55)，Tvr272(Ⅵ．2。6·59)。 2．3．B家族和C家族 B家族GPCRs的配体一受体结合位点，类似 A家族的肽类受体，涉及膜外结构域。B家族受体 具有较大的氨基末端，对于与其结合的配体扮演 了关键性的角色。但是单独的氨基末端对于配体 一受体的作用是不完全的，膜外环形肽链上的结 构域也涉及配体一受体的结合。然而，迄今为止 尚未发现B型肽类配体结合于受体的跨膜片段内 JoumalofTr叩icalMedicineV01．1No．1Aug．，2001 部裂隙，而且，非肽类抑制物对于B类受体无作 用。 c家族GPcRs同样具有较长的膜外肽链，据 信配体一受体结合位点就存在于这些较大的膜外 结构域中，例如GABA受体和代谢性谷氨酸受 体，这与A类GPcRs明显不同。很多钙敏感性受 体与钙结合的位点也位于氨基端结构中。亲代谢 性谷氨酸受体的膜外氨基末端和细菌胞质中氨基 酸结合蛋白具有一定的结构同源性。A珊strongN [141利用x射线分析了亲离子性谷氨酸受体膜外谷 氨酸结合结构域的结构，并建立了高清晰度的结 构模型，这也代表了第一个神经递质受体结合结 构域的x射线结构模型。关于GPcRsC家族的详 细面貌还有待深入了解。 3GPCRs激活的分子机制 许多研究者发现¨5|，配体诱导的GPcRs激活 途径，并不必须以激活性配体结合于受体跨膜片 段间裂隙为前提。当0【。：肾上腺素受体第五个膜内 环羧基端Ala293(Ⅵ．。634)被几乎所有其它氨基 酸残基替代后，导致更高的不依赖配体的受体激 活活性。因此，可以设想，该受体片段具有平时 抑制受体激活的功能，当与特异性配体激活后， 受体发生空间变构，该片段的抑制性作用取消。 这可能作为受体激活机制的一部分，也得到了许 多研究结果的支持。KudoM及其合作者n61使用嵌 合受体方法研究了LH／FsH受体，发现TM5和 TM6具有稳定受体非活性状态的作用。对于视紫 红质受体，通过TM6中Met257(Ⅵ．os6·40)和TM7 上的NPxx5域相互作用，保持受体出于失活状9 态。这也得到了其它实验结果的支持。因此人们 提出：受体存在两种动态互变的构型，活性型和 失活型。受体中某些氨基酸残基或结构域在平时 维持受体处于稳定的失活状态；当有特异性配体 存在时，诱导受体三级结构变化，导致活性状 态。 对于配体结合后，如何诱发受体摆脱稳定的 万方数据 热带医学杂志2001年第1卷第1期 失活状态，人们又提出了“质子化假说”来予以 解释。这一假说得到了许多实验结果的支持。例 女Ⅱ：膜内TM3保守D／ERY(Glu／Asp—Arg—Tyr) 域上的质子化，涉及许多A类GPcRs的激活， Glul34(Ⅲ硝3’49)的质子化对于视紫红质受体的激 活有类似作用。进一步的研究利用电荷中和的方 法，发现在p：肾上腺素受体中Aspl30(Ⅲ埘3’49)的 电荷改变不仅影响受体激活，而且引起TM6上 cys285(Ⅵ川647)电荷改变。这与变异受体的TM6 和TM3在空间上的相对位置符合。而且研究指 出，这种受体结构的重排对于受体的激活是基本 的。 对于Asp／Glu(Ⅲ．：，3’49)的质子化在受体激活 中所起的作用，有两个假说被提出。 “极性区” (p01arpocket)假说。认为，一些保守的极性氨基 酸残基构成一个极性区域，保守的ArgⅢ．．263’50 位于其中，维持受体失活状态。当临近的AspⅢ ：，349质子化后，A职移出极性区，从而导致广泛 的受体结构变化而激活。这一受体激活模式认为 Arg的离子配对物是AspⅡ。0250，当受体激活时，两 者对应关系被打破。然而， “精氨酸笼” (Arg cage)假说认为Argnzs3‘50的离子配对物是附近的 Aspn：，3。49，当受体激活时，AspⅡzs3’49质子化， AspⅡ10250取代AspⅢ253·49形成与ArgⅢ26350配 对的离子对。迄今为止，不同的实验结果对两种 假说均有不同程度上的支持。 Gether¨71及其合作者使用荧光分光检测技术 获得了GPcRs的第一个直接的结构变化信息。用 对SH一基敏感的带荧光的LANBD标记B：肾上腺 素受体的半胱氨酸残基，受体此前用去污剂溶解 以利于标记，而LANBD对其周围的极性环境敏 感，根据光谱分析发现，当暴露于激动剂后，标 记受体显示出剂量依赖的放射性程度降低，Gether n7，解释，当受体与完全激动剂异丙肾上腺素结合 后，受体分子构型改变，对极性环境敏感的荧光 标记物移向更亲水性的环境中。进一步的研究显 示，TM3的Lvsl25Ⅲ：。3。44和TM6的Lvs285Ⅵ ·65· ，：647，在受体激活的空间结构变化中扮演重要角 色。Gether[171运用计算机模拟探索TM3和TM6在 受体激活时的可能空间变化模式。结果显示， LANBD标记的Lysl25Ⅱ：0344倾向于定位在脂质双 分子层和TM3与TM4的交界处，同时LANBD标 记的Lys285Ⅶ，z647可能位于脂质双分子层和受体 内部极性区之间，也即o【螺旋6、7之间。在这一 结构模式中，LANBD标记受体的荧光变化可以被 TM3和TM6的逆时针旋转来解释。TM3，6相对的 空间变化，推动LANBD标记分子由非极性区的脂 质区移向蛋白质分子内部的极性区。 4展望 过去几年对于GPCRs及其激活过程的研究， 使人们重新认识了生物体中跨膜信号传导的过程 和机制。GPcRs超家族是由数量非常庞大而且多种 多样的蛋白质受体所构成，同时又具有重要的同源 性。受体的激活在不同亚型乃至同一亚型之问有很 大差异，然而又有其共性。未来对于GPCRs及其激 活机制的进一步探索，将使人们有机会深入了解生 物体中信号传导的本质内容，并且为发展新一代的 药物和治疗手段打开希望之门。 [参考文献] [1]Schwartz71w，GetherU，SchambyeHT，etal_Molecular mechanismofactionofnon—peptideligandsfbrpeptidere— ceptors．C“，丁P^Ⅱr，nDes培n，1995；l：325—342 [2]BaldwinJM， SchertIerGF，UngerVM．Analpha—carbon templatefbrthetransmembranehelicesintherhodopsin familyofG—protein—coupledreeeptors．I，A40f8iof， 每 1997：272：144—164 [3]BallesterosJA，WeinsteinH． Integratedmethodsforthecon— 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