多篇文章解讀近年來G蛋白偶聯受體領域研究進展

GPCR，即G蛋白偶聯受體（G protein-coupled receptor），其是人體內最大的膜受體蛋白家族，在細胞信號轉導中發揮重要作用。近年來科學家們圍繞GPCR進行了大量研究，同時也取得了多項研究成果，本文中，小編對近期GPCR領域重磅級研究成果進行整理，分享給大家！

【1】Nature：胰高血糖素受體晶體結構揭示B型GPCR信號轉導機制

doi：10.1038/nature25153

近日，中國科學院上海藥物研究所在B型G蛋白偶聯受體（G protein-coupled receptor， GPCR）結構與功能研究方面取得又一項重要進展：首次測定了胰高血糖素受體（Glucagon receptor， GCGR）全長蛋白與多肽配體複合物的三維結構，揭示了該受體對細胞信號分子的特異性識別及其活化調控機制。這項成果有助於深入理解B型GPCR發揮生理效應的結構生物學基礎，加快II型糖尿病治療新藥的開發。相關研究論文於1月4日在國際學術期刊《自然》（Nature）上發表，通訊作者為研究員吳蓓麗和趙強。

GPCR是人體內最大的膜受體蛋白家族，在細胞信號轉導中發揮重要作用。GPCR與人體疾病關係密切，目前有40%以上的上市藥物以GPCR為靶點。根據其相似性，GPCR可分為A、B、C和F等四種類型。B型GPCR包括GCGR等多種重要的受體蛋白，識別並結合多肽類激素，對於維持體內激素平衡至關重要。這類受體包含胞外結構域和跨膜結構域，兩者共同參與識別細胞信號。由於獲得穩定和完整的B型GPCR蛋白（尤其是B型GPCR與多肽配體結合的複合物）難度極大，其結構研究極具挑戰性。

【2】Cell：重大突破！揭示人體GPCR的藥物基因組學

doi：10.1016/j.cell.2017.11.033

每個人都有獨特的DNA序列。如今，來自丹麥哥本哈根大學和英國劍橋大學醫學研究委員會分子生物學實驗室的研究人員試著定量確定就藥物靶向的基因而言，人基因組中的這些差異意味著什麼。

在一項新的研究中，這些研究人員研究了人細胞中的某些受體，即G蛋白偶聯受體（GPCR）。這些蛋白受體是最大的一類上市的現代藥物的主要靶標。通過分析現有的資料庫，他們確定了個體中的藥物靶標GPCR發生突變的程度，並研究了這些突變能夠對藥物的治療效果產生哪些影響。相關研究結果於2017年12月14日在線發表在Cell期刊上，論文標題為「Pharmacogenomics of GPCR Drug Targets」。

哥本哈根大學藥物設計與藥理學系的Alexander Hauser（論文第一作者）說，「我們估計平均有3%的人群攜帶著發生能夠改變藥物治療效果的突變的G蛋白偶聯受體（GPCR）。」

劍橋大學醫學研究委員會分子生物學實驗室的M. Madan Babu補充道，「這可能意味著藥物效果不佳。這也能夠意味著藥物根本不起作用，或者對患者造成不良影響。」

【3】Cell：上海藥物研究所徐華強課題組鑑定出G蛋白偶聯受體招募抑制蛋白的磷酸化編碼

doi：10.1016/j.cell.2017.07.002

在一項新的研究中，來自中國科學院上海藥物研究所、上海科技大學和美國文安德爾研究所等研究機構的研究人員首次揭示出一種被稱作視紫紅質的G蛋白偶聯受體（GPCR）結合到一種被稱作抑制蛋白（arrestin）的信號分子上時的組分細節。視紫紅質和抑制蛋白是身體複雜的細胞通信網絡中的兩種至關重要的蛋白分子。這項新的發現進一步改進了2015年發表在Nature期刊上的一項研究（Nature， doi：10.1038/nature14656）：首次描述了這兩種蛋白分子結合在一起時的結構。此外，這項發現也解答了一個長期存在的問題，這可能導致人們開發出更加有效的同時具有更少副作用的藥物來治療心力衰竭、癌症等疾病。相關研究結果發表在2017年7月27日的Cell期刊上，論文標題為「Identification of Phosphorylation Codes for Arrestin Recruitment by G Protein-Coupled Receptors」。論文通信作者為中國科學院上海藥物研究所VARI/SIMM研究中心主任徐華強（H. Eric Xu）教授。徐華強教授也是2015年的那篇Nature論文的通信作者。

徐華強教授說，「我們的改進的結構就像是一張路線圖，裡面填充著更多的細節和地理特徵。多年來，這個領域試圖解答抑制蛋白如何精確地與GPCR相互作用。我們希望我們的研究提供的關於視紫紅質的這個答案將促進人們開展新的研究和設計更好的藥物，以便最終讓全世界的患者受益。」

【4】Nature：利用smFRET成像技術揭示腎上腺素激活的G蛋白偶聯受體變化

doi：10.1038/nature22354

在一項新的研究中，來自美國威爾康奈爾醫學院、史丹福大學和哥倫比亞大學的研究人員開發出新的允許人們追蹤細胞表面上單個蛋白分子的成像方法。這一結果為細胞如何檢測和應答它們的環境提供史無前例的新認識。相關研究結果於2017年6月7日在線發表在Nature期刊上，論文標題為「Single-molecule analysis of ligand efficacy in β2AR–G-protein activation」。論文通信作者為威爾康奈爾醫學院生理學與生物物理學教授Scott C. Blanchard和史丹福大學醫學院分子與細胞生理學教授Brian K. Kobilka。

G蛋白偶聯受體（GPCR）是位於細胞膜內的蛋白，將信號傳遞到細胞中以便調節人體生理學的重要方面。GPCR接收到的信號包括激活細胞中的這些蛋白而能夠產生視力的光線，調節情緒的神經遞質等化學物，觸發疼痛的信號等。將近一半的臨床使用的藥物通過靶向不同種類的GPCR發揮作用。

【5】Nature：重磅！中國科學家解析出一種B類G蛋白偶聯受體全長結構，有助開發出新的2型糖尿病藥物

doi：10.1038/nature22363

2型糖尿病病例在不斷增加。當人體微妙的葡萄糖調節受到破壞而導致血糖水平上升（即高血糖症）時，這種複雜的疾病就會產生。隨著時間的推移，這種疾病能夠破壞心臟、血管、眼睛、腎臟和神經。

在一項新的研究中，中國科學院上海藥物研究所研究員吳蓓麗（Beili Wu）教授領導的一個國際團隊研究了葡萄糖調節中的一種至關重要的組分。他們的發現揭示了一種胰高血糖素受體的結構。這種胰高血糖素受體是糖尿病藥物開發的一種高度有希望的靶標。相關研究結果於2017年5月17日在線發表在Nature期刊上，論文標題為「Structure of the full-length glucagon class B G-protein-coupled receptor」。

美國亞利桑那州立大學分子科學學院生物設計研究所研究員Wei Liu說，「這篇論文的最大亮點是我們如今獲得一種B類G蛋白偶聯受體（G Protein-Coupled Receptors，GPCR）的全長結構。」Liu提到這種特殊的細胞表面受體能夠結合信號分子，從而影響血糖調節。這種胰高血糖素受體屬於B類GPCR。

【6】Cell：纖毛G蛋白偶聯受體與細胞外囊泡之間的信號轉導調控

doi：10.1016/j.cell.2016.11.036

纖毛（cilium）是一種細胞表面比細胞小5000倍的小倉室，集中了Hedgehog信號傳導、視覺、嗅覺和體重穩態的受體。通過維持其自身的第二信使環狀AMP（cAMP）和Ca2+的濃度，纖毛為信號分子提供了獨特的反應條件，這些信號分子在通路激活時動態進入和離開纖毛。

例如，Hedgehog通路的激活觸發G蛋白偶聯受體（GPCR）GPR161的纖毛出口（ciliary exit），導致的纖毛體cAMP水平的降低促進隨後的信號傳導步驟。信號依賴性纖毛出口可以延伸到一些光轉導分子和GPCR生長抑素受體3（SSTR3）和神經肽Y受體2（NPY2R）。然而，這種纖毛出口對信號轉導的功能重要性仍然比較有爭議。

用於將活化的GPCR從纖毛回收回細胞的常規途徑依賴於構象傳感器β-arrestin 2和BBSome（一種巴爾得-別德爾症候群 蛋白複合體，其與Arf樣的GTP酶會形成膜包被複合體Arl6/Bbs3）。同時，細胞胞吐作用（ectocytosis）最近被發現作為單細胞綠藻衣藻的替代纖毛出口途徑出現。在胞吐作用過程中，纖毛或質膜的局部向外彎曲釋放出細胞外囊泡（EV），稱為ectosome或微囊泡。

【7】Nat Commun：科學家發現GPCR信號「對話」影響血管發育

doi：10.1038/ncomms11268

血液在血管內流動，將氧氣和營養成分運送到全身各處，而該過程存在一系列受到細胞特異性基因表達調控的複雜反應。在最近發表在國際學術期刊Nature Communication上的一項研究中，耶魯大學的研究人員發現了一個關鍵的介導因子能夠參與細胞內的反應過程，同時還證明了該因子如何影響新生血管的形成。

GPCR信號在血管的發育過程中起到重要作用，其中包括apelin（APLN）及其受體APLNR。但是這對配體-受體如何調控下遊一系列信號途徑仍然沒有得到深入的揭示。

在這項研究中，研究人員利用小鼠和斑馬魚模型發現一種小RNA分子——microRNA139-5p能夠直接影響兩個關GPRC信號途徑之間的對話，這兩種受體決定了新生血管生長所必需的細胞應答。他們還進一步揭示了血流如何影響了這種對話。

【8】Nature：科學家揭開B型G蛋白偶聯受體真面目

doi：10.1038/nature12393

來自美國斯克利普斯研究所和中國國家新藥篩選中心/中科院上海藥物所等研究機構的科學家，在國際上首次解析了胰高血糖素受體7次跨膜區域的三維分子結構，從而改變了長期以來在B型G蛋白偶聯受體結構研究方面所遭遇的困境。這是我國科學家作為主體研究者之一在闡明重大疾病藥物作用靶點的分子結構方面所取得的重大研究成果。利用該成果，研究人員有望設計和開發出治療2型糖尿病的口服新藥。《自然》雜誌近日在線發表了該研究成果。

《自然》刊發的新聞評述認為，這兩個受體7次跨膜區域結構的成功解析，是G蛋白偶聯受體研究領域的重大突破。G蛋白偶聯受體分為A、B、C、D、E、F等六種類型，約有40%的現代藥物以這類受體為靶點。從破解第一個G蛋白偶聯受體三維分子結構至今，科學家們共解析了20多個G蛋白偶聯受體，但迄今已獲解析的均屬於A型。從對維持生命活動的重要程度來看，B型G蛋白偶聯受體的作用不可忽視，但由於結構十分複雜，B型受體的分子面目一直未被揭開。

【9】Science：同期兩篇文章揭示G蛋白偶聯受體結構與功能研究突破性進展

doi：10.1126/science.1232807

美國《科學》雜誌（Science）同期發表兩篇在線文章，介紹了中科院上海藥物研究所徐華強課題組、蔣華良課題組、美國Scripps研究所Ray Stevens課題組、北卡羅那大學（UNC -Chapel Hill）Bryan Roth課題組的聯合研究成果。該項研究成功解析了五羥色胺受體1B及2B的兩個亞型晶體結構，從而突破了長期以來五羥色胺受體家族結構與功能研究的困境。

五羥色胺（也叫血清素）是人體中最重要的一種神經遞質與激素，在中樞神經系統中，五羥色胺控制著認知、學習、感情、情緒等腦神經活動；在外周神經系統中，五羥色胺控制著生殖、代謝、血管收縮、骨骼發育等生理功能。因此，五羥色胺系統一直是藥物研究與開發的熱點，作用於該系統的藥物廣泛用於抗精神分裂症、偏頭痛、抗嘔吐及肥胖症等疾病。但是，因為五羥色胺功能複雜，受體繁多[在人體中共有14種不同的五羥色胺受體，其中13種受體屬於G蛋白偶聯受體（GPCR）]，臨床用的五羥色胺調節劑具有非特異性，常引起毒性副作用，從而導致臨床用藥的失敗。五羥色胺受體與配體結合的分子機制是解決五羥色胺調節劑分子特異性的關鍵前提。但是由於五羥色胺GPCR受體是七次跨膜的膜蛋白，柔性較大，導致其蛋白質表達、提純與結晶難度極高。五羥色胺受體結構的長期匱乏，已抑制對五羥色胺受體的生物學理解及其藥物的研發。

【10】PNAS：膽固醇可調節G蛋白偶聯受體

doi：10.1073/pnas.1210373109

2012年榮獲諾貝爾化學獎的是兩位美國科學家：羅伯特·萊夫科維茨（Robert J. Lefkowitz）和布萊恩·科比爾卡（Brian K. Kobilka），他們因「G蛋白偶聯受體」研究領域的傑出貢獻而獲獎。

其中Brian K. Kobilka現任史丹福大學醫學院教授，美國科學院院士，2012年受聘清華大學「客座教授」，目前已完成在清華大學醫學院實驗室的建立，並已開始指導博士生和博士後。這位學者近期與瑞士科學家合作，在11月份美國《國家科學院院刊》（PNAS）上發表了題為「Cholesterol increases kinetic， energetic， and mechanical stability of the human β2-adrenergic receptor」的文章，介紹了對於G蛋白偶聯受體來說，膽固醇會造成什麼影響。

膽固醇是真核細胞膜的一個必要組成部分，能功能性調節膜蛋白，比如G蛋白偶聯受體，然而目前對於這一具體的調控過程，科學家們了解的還並不是十分清楚。為了解析膽固醇如何調節G蛋白偶聯受體的過程，在這篇文章中，研究人員採用了動態原子力單分子力譜技術（dynamic single-molecule force spectroscopy），量化分析了在有或者沒有膽固醇類似物：琥珀酸膽固醇酯（cholesteryl hemisuccinate，CHS）的前提下，人β2 腎上腺素受體（β2AR）的機械強度和柔韌性，構象變化，以及穩定維持受體的結構片段的動態活性。（生物谷Bioon.com）

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