Science：揭秘药理学的密码—GPCR信号传导的分子谜题

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蛋白偶联受体 (GPCR) 是一类重要的膜蛋白家族，能够响应多种外源性配体，参与调节人类生物学的关键方面。大约三分之一的美国食品药品监督管理局 (FDA) 批准的药物的靶点是GPCR，用于治疗各种疾病¹。配体结合到GPCR上会引起构象变化，从而使下游信号传导响应发生调节。在这个过程中，配体会使受体的构象平衡向更活跃或不活跃的状态转变，这取决于它是激动剂、拮抗剂还是逆拮抗剂。激动剂促进信号传导的能力一直以来都是由两个基本的药理学参数来量化的：（1）功效和（2）效力²，这可以通过监测不同配体浓度下的受体信号传导响应（浓度-反应曲线）来确定。功效与信号响应的最大幅度有关，而效力是指达到半最大信号响应时的激动剂浓度。因此，理解配体如何与受体相互作用以调节信号响应，有助于设计特异性地作用于特定受体残基的药物，以在疾病背景下引发不同的信号响应。

许多结构研究已经揭示了特定跨膜螺旋的移动对于配体结合后受体激活的重要性^3-4。此外，配体结合口袋的大小变化已与高亲和力配体结合和信号传导响应的强度相关联。尽管多年来对许多配体-GPCR的药理学、结构和突变特性进行了研究，但仍然没有完全理解受体的特定残基如何解码和转译编码配体原子中的信息以介导不同的细胞内信号传导响应。

为了系统地推断配体如何被受体序列和结构解码以调节下游信号传导响应，需要扰动每个受体残基的侧链，可靠地测量对信号传导功效和效力的影响，并将受体残基的结构变化与其药理重要性联系起来。

2023年12月22日，英国剑桥大学M. Madan Babu实验室、加拿大蒙特勒伊大学Michel Bouvier实验室与美国斯坦福大学Brian K. Kobilka实验室合作，在Science期刊上发表了题为“Molecular determinants of ligand efficacy and potency in GPCR signaling”的论文。该论文使用典型的肾上腺素-β2肾上腺素受体-G蛋白系统，揭示了特定受体残基如何解码和翻译配体中编码的信息，以介导信号响应。研究者提出了一个数据科学框架，以整合药理学和结构数据，揭示与配体药理学相关的结构变化和异位网络。这些方法可以定制用于研究任何配体-受体-信号系统，而这些原理为设计具有定义信号属性的正位和异位化合物打开了可能性。

研究者使用β2AR作为研究模型，这是一个广为研究的A家族GPCR，当被内源性激动剂肾上腺素激活时，它介导了“战斗或逃跑”反应，并通过G蛋白Gs进行信号传导。通过开发一个数据科学框架，该框架整合了（1）在系统扰动β2AR每个残基的侧链后实验测得的肾上腺素刺激的Gs信号值，和（2）与激动剂结合、受体激活和Gs耦合相关的结构变化数据（图1），揭示了在这一典型GPCR信号传导系统中控制配体功效和效力的分子起源和原则。

图1. 一个整合了药理学和结构数据的新方法，揭示功效和效力的分子决定因素

396个残基突变体细胞表面丰度允许可靠地估计药理学参数，其中，大多数单点突变（约80％）不会对Gs信号产生负面影响，约20％会对信号产生影响。在这20%个残基中，21个主要降低了功效，37个主要降低了效力，21个降低了效力和功效，3个则没有产生可测量的信号（图2A，B）。

将这些位置映射到受体的二级结构上显示，TM5富集了影响效力的突变，而TM3富集了影响功效的突变，同时影响功效和效力的突变分布在不同的跨膜螺旋中。尽管一些确定的位置与配体结合口袋和G蛋白结合界面中的功能残基重叠，但是有几个位置映射到受体的其他部分，包括受体表面的残基，密度最高的映射到受体的核心（图2B，C）。这些发现共同表明，该受体上内源激动剂的功效和效力可能由受体的一个子集（约20％的残基）控制，这些位置不仅仅局限于已知的功能位点，而且分布在结构的不同部分。因此，这些受体残基解码并将配体结合转化为信号响应，因此是该配体-受体-信号系统的药理学决定因素。

图2. 受体残基突变体影响功效或效力

研究者进一步调查了每个与配体接触的残基是如何影响功效和效力的。为此，他们首先确定了所有与肾上腺素接触的受体残基（图3A），并通过构建一个受体残基-配体原子接触矩阵来确定它们接触的配体原子（图3B）。尽管与肾上腺素接触的11个残基中有10个残基突变体都对信号传导产生了负面影响，但它们对功效和效力的影响是不同的。大约一半位置的突变（10个中的6个）只影响了效力，一个只影响了功效，两个在突变时同时影响了效力和功效，D113^3x32A则完全失去了信号传导能力。因此，尽管功效和效力被视为受体上的一般性配体属性，但它们是由一系列受体残基-配体原子的非共价接触组成的，每个接触对下游信号传导中的药理特性都有不同的贡献。

图3. 配体-受体结合位点突变的影响

由于关键的结构变化被广泛描述为受体激活的标志，研究者调查了这些结构变化如何与药理学上重要的残基相关联。研究者通过计算在非活化态、活化态、与G蛋白结合的状态中每个残基的α-碳原子之间的距离来计算每个残基在激活过程中移动了多少。其中，只有七个是药理学上重要的，在突变时影响功效或效力，而其余的对下游信号传导没有影响（图4A，B）。这些发现表明，仅凭结构变化的程度（平移或旋转）无法推断出残基的药理学重要性。此外，研究者还发现残基在活化状态下形成特异性接触与药理学重要性的相关性更高（图4C，D）。这些发现表明，系统地整合突变效应和结构分析，可能有助于识别和表征在配体-受体结合中发生结构变化的部分药理学重要的残基。值得注意的是，这可以解释在激活过程中发生的哪些结构变化与受体上的配体功效和效力相关。

图4. 残基的结构变化和药理学重要性

为了确定与功效和效力相关的结构变化，研究者设计了一种方法，将实验确定的药理参数与活化态特异性接触（图5A）进行整合。研究者首先将每个残基分类为药理学重要或不重要（即突变时是否影响功效、效力或两者）。然后根据一个残基是否形成活化态特异性接触进行分层（即它是否在结构上重要）。基于这两个特性，研究者定义了四类残基：（1）驱动残基，介导活化态特异性接触并影响药理学，（2）调节残基，不形成活化态特异性接触但对药理学重要，（3）载体残基，介导活化态特异性接触但对药理学不重要，（4）旁观者残基，既不介导活化态特异性接触，也不在突变时影响药理学。总的来说，驱动残基往往靠近穿过受体并垂直于膜的中心轴，而调节和载体残基位于离这个轴更远的位置，与溶剂或膜暴露的位置相邻（图5B）。这些观察结果促使研究者们调查由驱动残基介导的与信号传导相关的活化态特异性残基接触网络的存在，并进一步了解调节残基在信号转导中的作用。

由驱动残基介导的活化态特异性接触的变构网络，使研究者能够描述功效和效力信号如何通过协调的结构重排在受体结构中传递（图5C）。影响功效和效力的驱动残基在受体的中心处得到了富集（图5D）。一些受体和配体的接触可能有助于配体结合的亲和力，而其他可能在触发变构网络以传递信号响应方面起到更直接的作用，也许是通过启动结构变化和稳定特定的受体构象。

图5. 通过结构和药理学确定的对功效和效力的变构调控网络

一些在药理学上重要的位置映射到表面暴露的位点，这些位点不是配体正构结合位点或G蛋白结合界面的一部分（图2C）。鉴定出位于受体表面的药理学重要残基，这些位点可能成为天然变构调节剂的靶点（图6A-C）。这些结果表明，通过筛选发现的异构调节剂往往结合到表面暴露的位点，这些位点包含驱动残基、调制残基和载体残基，而不是更普遍的旁观残基。通过整合药理学和结构数据发现这些表面暴露的驱动残基、调节残基和载体残基的位点，或许可以用于开发新的异构配体的靶点。

为了评估与药理学和/或活化态构象相关的残基的重要性，研究者分析了来自人类群体的自然遗传变异数据，单核苷酸多态性 (SNP) 在不同残基类别的分布中呈现出显著的模式（图6D-E）。此外，研究者进一步评估了来自不同物种的肾上腺素受体同源蛋白中残基的重要性，其中，驱动残基是最保守的，其次是调节、载体和旁观残基（图6F）。并非所有高度保守的残基都在药理学或结构上重要；因此，仅从进化保守性来预测残基的作用是不够的。这些发现揭示了，基于结构和药理学重要性对残基进行分类，可以揭示在肾上腺素能受体、胺能受体，以及整个A类GPCR家族中，处于纯化选择下的位置的类别特定关联性。

图6. GPCR信号传导中配体功效和效力的分子决定因素

总的来说，本项研究揭示了GPCR如何解码和翻译配体中编码的信息，以介导不同的信号响应。研究分析了特定受体残基如何影响药理学特性，结果表明，只有少数β2AR残基显著影响受体的药理学特性，这些残基不仅限于传统的功能位点，而是分布在结构的不同部位。研究者结合了结构数据和药理学测量，以理解每个残基在信号传导中的作用，凸显了配体-受体相互作用的复杂，这一数据科学框架的应用将有助于开发GPCR更有效的正构及别构药物。

供稿 | 肖媛

审稿 | 谭佳鑫

责编 | 囡囡

设计 / 排版 | 可洲 雨萱

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参考文献

参考文献

1. A. S. Hauser, M. M. Attwood, M. Rask-Andersen, H. B. Schiöth, D. E. Gloriam, Trends in GPCR drug discovery: New agents, targets and indications. Nat. Rev. Drug Discov. 16, 829–842 (2017).

2. R. R. Neubig, M. Spedding, T. Kenakin, A. Christopoulos, International Union of Pharmacology Committee on Receptor Nomenclature and Drug Classification. XXXVIII. Update on terms and symbols in quantitative pharmacology. Pharmacol. Rev. 55, 597–606 (2003).

3. S. G. Rasmussen, B. T. DeVree, Y. Zou, A. C. Kruse, K. Y. Chung, T. S. Kobilka, F. S. Thian, P. S. Chae, E. Pardon, D. Calinski, J. M. Mathiesen, S. T. A. Shah, J. A. Lyons, M. Caffrey, S. H. Gellman, J. Steyaert, G. Skiniotis, W. I. Weis, R. K. Sunahara, B. K. Kobilka, Crystal structure of the β2 adrenergic receptor–Gs protein complex. Nature 477, 549–555 (2011).

4. A. S. Hauser, A. J. Kooistra, C. Munk, F. M. Heydenreich, D. B. Veprintsev, M. Bouvier, M. M. Babu, D. E. Gloriam, GPCR activation mechanisms across classes and macro/microscales. Nat. Struct. Mol. Biol. 28, 879–888 (2021).

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