金長(zhǎng)文課題組與合作者揭示G蛋白偶聯(lián)受體信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)多樣性的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)
2019年5月15日，Molecular Cell期刊在線發(fā)表了題為Conformational Complexity and Dynamics in a Muscarinic Receptor Revealed by NMR Spectroscopy的研究論文，報(bào)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(dòng)態(tài)性的工作，并結(jié)合功能實(shí)驗(yàn)和分子動(dòng)力學(xué)模擬，揭示了GPCR 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)多樣性的分子機(jī)制。該項(xiàng)研究由北京大學(xué)化學(xué)學(xué)院金長(zhǎng)文教授課題組與清華大學(xué)、美國(guó)斯坦福大學(xué)和德國(guó)埃爾朗根-紐倫堡大學(xué)的合作者共同完成。
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(jué)，嗅覺(jué)，味覺(jué)以及激素和神經(jīng)遞質(zhì)等信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中發(fā)揮著重要的生理功能，同時(shí)也是關(guān)鍵的藥物靶標(biāo)。近年來(lái)，隨著越來(lái)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(duì)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(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程起始和終止時(shí)相對(duì)穩(wěn)定的構(gòu)象狀態(tài)，受體在激活過(guò)程中發(fā)生了復(fù)雜多樣的動(dòng)態(tài)構(gòu)象變化，這些變化很可能與不同配體引起的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)多樣性相關(guān)。目前，GPCR在激活過(guò)程中的動(dòng)態(tài)構(gòu)象變化仍不清楚，國(guó)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(dòng)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(gè)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(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、調(diào)節(jié)以及藥物設(shè)計(jì)的模式受體。該項(xiàng)研究通過(guò)在M2R中引入13CH3-ε-甲硫氨酸同位素標(biāo)記探針，檢測(cè)受體在結(jié)合一系列配體小分子時(shí)的核磁圖譜變化（圖一），分析M2R動(dòng)態(tài)構(gòu)象變化與這些配體對(duì)G蛋白激活和抑制蛋白 （arrestin）招募效應(yīng)差異的相關(guān)性。同時(shí)，結(jié)合分子動(dòng)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(shí)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(lái)，揭示了M2R信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)多樣性可能的分子機(jī)制，并為針對(duì)這類重要受體的藥物研發(fā)提供了理論指導(dǎo)。
圖1：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(shí)呈現(xiàn)差異性的化學(xué)位移指紋圖譜，揭示受體激活時(shí)發(fā)生不同的構(gòu)象變化。
北京大學(xué)金長(zhǎng)文教授與清華大學(xué)/斯坦福大學(xué)的Brian K. Kobilka教授為該論文的共同通訊作者。清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院博士生徐俊為第一作者。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(guó)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)完成了該研究的功能實(shí)驗(yàn)和分子動(dòng)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為該研究的功能實(shí)驗(yàn)提供了幫助。該項(xiàng)研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心和北京市高精尖結(jié)構(gòu)生物學(xué)中心的資助。核磁實(shí)驗(yàn)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(tái)收集完成。
金長(zhǎng)文課題組長(zhǎng)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(dòng)態(tài)構(gòu)象變化。該論文是金長(zhǎng)文課題組與Brian Kobilka研究組在GPCR動(dòng)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(dòng)態(tài)研究中的重要應(yīng)用。更深入系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)研究正在進(jìn)行中，這些研究將有助于進(jìn)一步加深人們對(duì)GPCR信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)多樣性的分子機(jī)制的理解。
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