清華新聞網10月28日電 近期，清華大學藥學院、結構生物學高精尖創新中心劉翔宇課題組與醫學院布萊恩·科比爾卡（Brian Kobilka）課題組及合作者揭示去甲腎上腺素對β腎上腺素受體的亞型選擇性的分子機理。該研究首次解析了人源β1腎上腺素受體在非激活態和激活態的晶體結構，包括結合內源配體去甲腎上腺素和腎上腺素的結構，並發現配體結合受體的結合途徑決定了去甲腎上腺素對β腎上腺素受體的亞型選擇性。
G蛋白偶聯受體是最大的膜受體蛋白家族，在人類基因組中有800多個成員， 調控著重要的生理功能。β腎上腺素受體屬於G蛋白偶聯受體家族，受交感神經系統調控，被去甲腎上腺素和腎上腺素激活，參與調節如心跳、呼吸等關鍵的生理過程，也是研究G蛋白偶聯受體的經典模型。β腎上腺素受體包含β1腎上腺素受體、β2腎上腺素受體、β3腎上腺素受體三個亞型。激素(hormone)腎上腺素對 β1和 β2腎上腺素受體具有相近的親和力，而神經遞質(neurotransmitter)去甲腎上腺素對於β1腎上腺素受體親和力比β2腎上腺素受體高了10倍左右。兩個內源配體對受體的不同選擇性對於調控心臟的生理活動具有重要意義。去甲腎上腺素和腎上腺素的分子式十分相似，只有一個甲基的不同。而β1和β2腎上腺素受體結合天然配體的所有胺基酸都是一模一樣的。去甲腎上腺素為什麼會在兩個完全保守的配體結合口袋具有10倍的親和力差異，是一個困擾了研究界40多年的問題。
為了探究內源配體對β腎上腺素受體亞型選擇性的分子機理，研究者將人源β1和β2腎上腺素受體的胞外區互換，構建了兩個嵌合受體（圖1）。通過動力學結合實驗發現，決定去甲腎上腺素對人源β腎上腺素受體亞型選擇性的主要影響因素是配體進入受體口袋的速度（結合速率）。
圖1 . 去甲腎上腺素結合β腎上腺素受體的動力學研究
a.嵌合受體的設計 b.去甲腎上腺素結合野生型β1、β2腎上腺素受體及嵌合受體的動力學研究
為了進一步闡明β腎上腺素受體不同的胞外區對甲腎上腺素亞型選擇性的影響，研究組解析了人源β1腎上腺素受體的晶體結構，包括了結合抑制劑Carazolol的結構和結合超強激動劑BI-167107的結構，以及結合兩個內源配體去甲腎上腺素和腎上腺素的結構。通過結構比對發現，β1腎上腺素受體和β2腎上腺素受體具有相似的配體結合口袋和不同的胞外區表面。結合分子模擬與突變實驗的結果，研究者發現去甲腎上腺素通過不同的結合途徑進入β1腎上腺素受體和β2腎上腺素受體的正構配體結合口袋。兩個途徑中不同的關鍵胺基酸影響了去甲腎上腺素的結合速率和親和力，決定了其選擇性。而腎上腺素雖然也通過不同的結合途徑進入β1腎上腺素受體和β2腎上腺素受體，但是腎上腺素在化學結構上比去甲腎上腺素多一個甲基，該甲基引起電性的不同導致腎上腺素對兩個受體不具有選擇性（圖2）。研究者首次在分子機理上闡明受體的胞外區如何作為「選擇性濾網」，決定了配體對受體的亞型選擇性。這項工作也拓寬了GPCR亞型選擇性藥物開發的思路，可以不局限於針對保守性較高的正構配體結合口袋，而考慮保守性較低的胞外區「選擇性濾網」。
圖2.去甲腎上腺素在β1腎上腺素受體和β2腎上腺素受體中不同的結合途徑
a.去甲腎上腺素和腎上腺素的化學結構和電性分析。
b.去甲腎上腺素在β1腎上腺素受體中的結合途徑是一個連續的帶負電的通道。
c.去甲腎上腺素在β2腎上腺素受體中的結合途徑是由兩塊帶負電的區域和一個電中性的間隔連接形成的。
10月23日，該研究以 「結合途徑決定去甲腎上腺素對人源β腎上腺素受體的亞型選擇性」（Binding pathway determines norepinephrine selectivity for the human β1AR over β2AR）為題發表在《細胞研究》（CellResearch）期刊上。
清華大學藥學院劉翔宇教授、加州大學聖地亞戈分校藥理學系Roger Sunahara教授以及德國埃爾朗根-紐倫堡大學化學與藥理學系的Peter Gmeiner教授為本文的共同通訊作者。清華大學醫學院布萊恩·科比爾卡（BrianKobilka）課題組許心宇博士、德國埃爾朗根-紐倫堡大學Peter Gmeiner課題組Jonas Kaindal博士及加州大學聖地亞戈分校Roger Sunahara課題組Mary J. Clark博士為本文共同第一作者。本課題得到了北京市結構生物學高精尖創新中心的資助以及清華大學生物醫學測試中心同位素實驗室的技術支持。
文章連結：
https://www.nature.com/articles/s41422-020-00424-2
供稿：藥學院
編輯：李晨暉
審核：呂婷