G蛋白偶联受体(GPCRs)研究新进展
摘要:G 蛋白偶联受体(GPCRs)是一个超级膜蛋白家族。该家族的结构特点为七个穿越细胞膜的α-双螺旋结构, 其中N-端在细胞外, C-端在细胞内。他们识别并结合细胞外部环境中多种多样的信号分子,激活细胞内的异源三聚体的鸟苷酸结合蛋白(G-protein)。活化后的G 蛋白结合GTP置换GDP, 三聚体进行解离等变化,从而将信号传递到细胞内的效应分子,引起细胞内的一系列变化。市场上销售额前茅的药物中,有许多是作用于GPCRs的。对GPCRs的研究将会给医疗和医药带来新进展。其中理解GPCRs与信号分子的作用机制至关重要。庆幸的是牛视紫红质蛋白(rhodopsin)的结构已经清楚,其构效关系为其他GPCRs的研究提供了模板。另一个重要的G-蛋白偶联受体是血小板激活因子受体(PAFR),他与血小板激活因子的解聚与许多生理和病理变化相关。本文首先对GPCRs的市场,研究历史,结构分类进行了介绍,然后对牛视紫红质蛋白和血小板激活因子的构效关系现状进行了综述。
关键词:膜蛋白,G-蛋白偶联受体,信号传导,牛视紫红质蛋白,血小板激活因子受体
1.G蛋白偶联受体(GPCRs)简介
每个细胞的活动都是信息通过细胞膜不同种类的受体,由细胞外传导到细胞内起作用的。G蛋白偶联受体是目前大的蛋白质受体超家族之一。作用于G PCRs 的物质,通过作为激动剂、或作为拮抗剂、或干涉GPCRs 的细胞传导而起作用。G PCRs 家族被认为是通过相似的分子机制而起作用。首先细胞外配体结合于G PCRs,引起受体蛋白的构型变化,从而改变与其相偶联的不同种类的G蛋白异源三聚体的结合状态。这些G蛋白的α-亚基、β-、γ-亚基结合为复合物联结于细胞膜内表面。配体和与G蛋白偶联受体的相互作用触发α亚基上GDP 与GTP 交换,从而导致G蛋白从受体上解离及α-亚基与β、γ-亚基复合物的分离。解离了的α-GTP 亚基和β、γ-亚基与不同效应酶和离子通道作用,引起一系列生理反应。由于所有活化了的α-GTP 亚基具有GDP 酶的活性,α-亚基GTP 亚基终被水解为α-GDP 亚基,该状态与β、γ-亚基有高的亲和力,α-亚基与β、γ-亚基在结合为复合物。这个反应回到静息状态。
2.G蛋白偶联受体(G PCRs)的资源情况
据调查人类35000 个基因中,大约有750 个是GPCRs。其中几乎一半可能属于感觉受体,剩下的400 个左右可以考虑为药物靶标。而这其中约30 个已经作为药物上市,210 个GPCRs 家族已经找到自然配体,剩余160 个被称为“孤儿受体”,功能未知。认出这些受体的生理作用将有助于了解它们的病理作用,这是一个艰难的任务。但是,根据对这个超级家族研究的成功历史,有理由相信这些新受体水平的治疗作用将会使大范围的人类疾病治疗受益。
3.GPCRs 研究历史
本世纪20 年代Ehrlich 和他的学生Dale 第一次明确地叙述了反应细胞的“接受物质”的概念。他们是基于经典的生理、药物实验通过肾上腺受体、乙酰胆碱受体作用于离体骨骼肌、平滑肌和舌下唾液腺的激动剂和拮抗剂的实验结果提出来的。在接下来的1920-1970 年的半个世纪中Clark, Ariens, Stephenson, Black and Furchgott等科学家把这些概念发展为经典的受体理论。
1960 年-1970 年经历了生物化学和药学家的首次结合,很快带来了本学科一系列决定性的发现,塑造了本学科原型。首先是第二信息cAMP的发现,它能调节十几种受体的反应;接着发现了负责合成cAMP的cAMP环化酶,后来的cAMP依赖的蛋白激酶发现。1971 年Rodbell提出了鸟嘌呤核苷酸调节蛋白作为传递体作用于激素受体和腺苷酸环化酶之间。Gilman 和他的同事接着就证明了该蛋白的存在。这些发现提供了信号从细胞外传到细胞内的早的分子基础。分子受体的研究(直接评估受体的特性而不是下游的效用推理)可以追随到1970年。当时受体的物理存在受到质疑。像其他许多事情一样,更进一步需要几种新的技术,相关的是受体的放射标记的配体结合实验和亲合标记技术的出现。这些技术的成熟运用和系统研究,终导致离子通道和穿膜受体的发现。先研究是乙酰胆碱受体、肾上腺受体和视紫红质蛋白。原因如下:电鱼的放电器官含有极丰富的烟碱乙酰胆碱受体;视紫红质蛋白同样资源丰富,因为在牛视网膜棒状细胞的蛋白制品中,视紫红质蛋白的含量占90%。美国纽约Duke大学医学研究中心的Robert J. Lefkowitz和他的同事们从1970年开始研究β2-肾上腺受体的原因是:它是腺苷酸环化酶的作用的几个受体之一;它有明显的临床心血管作用;1960 年β-肾上腺受体阻断剂在临床上应用;通过该研究探索几种用于该类研究的新技术。由于该受体有许多不同结构的激动剂和拮抗剂,是研究放射性配体,亲合标记试剂和亲和层析技术的好材料。1986年的突破性地开始用合成cDNA克隆β2-肾上腺受体,随后和Merk的Riched Dixon合作寻找到了β2-肾上腺受体的基因,并且第一次发现编码β2-肾上腺受体的基因无内含子。同样情况的有α2-肾上腺受体,毒箭碱乙酰胆碱受体,多巴胺D1 受体和其它几个GPCRs。同样重要的发现是β2-肾上腺受体的序列与视紫红质蛋白的同源。并且类似于预测了细菌的7TM 细菌视紫红质蛋白,该蛋白是一种光驱动的质子泵。这使我们认识到很有可能许多或所有GPCRs的具有共同的7TM排列。这种假设在后来的几年中很快被证实。
4.PAF 受体的研究进展
PAF受体的研究PAF发挥其生物学活性是通过与细胞组织中的PAF受体(PAFR)结合而实现的。粒细胞T和B淋巴细胞、以及肺、脑、肾等组织存在PAF受体。人的PAF受体(PAFR)基因位于第l对染色体上,具有342个氨基酸,分子量为39000,属G蛋白家族受体。是典型的GPCRs 类型I(该类型的代表结构为牛视紫红质蛋白rhodopsin)。1992年有文献报道PAF受体cDNA 的基因克隆。发现人的PAFR蛋白质序列与豚鼠的PAFR的同源性高达83%。1997年有文献报道用丙氨酸替代极性氨基酸的
方法
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对豚鼠PAFR的结合部位进行了研究,并用细菌视紫红质蛋白为模板(当时牛视紫红质蛋白rhodopsin的绝对结构未知)进行了分子模拟。在这个模型里,PAF长的烃链和极性氨基酸
Asp-63,Asn-100,Ser-104和Asp-289 在范德华力作用的范围内,并且以相互排斥作用存在。用疏水的丙氨酸取代这些极性氨基酸,使他们之间的相互排斥变为疏水作用因而增加了他们之间的吸引力,引起PAF和PAFR的结合力增加。三个组氨酸His-188,His-248,His-249好像与PAF分子直接作用,而Gln-252可能与His-248相互作用起到稳定His-248构型的作用Asn-58,Thr-101,Gln-276,Thr-278在结合的作用有待于阐明。
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