清華大學又1篇Nature！首次報道beta2腎上腺素受體胞內別構拮抗劑的工作機理

本文轉載自「結構生物學高精尖創新中心」，原標題：Brian Kobilka研究組《自然》發文報道beta2腎上腺素受體胞內別構拮抗劑的工作機理。

8月17日，清華大學醫學院、結構生物學高精尖創新中心Brian Kobilka研究組在《自然》（Nature）期刊在線發表題為《利用X射線晶體結構揭示beta2腎上腺素受體胞內別構拮抗劑的工作機理》的文章 （Mechanism of intracellular allosteric β2AR antagonist reveled by X-ray crystal structure）。首次報道了beta2腎上腺素受體同時結合正構拮抗劑卡拉洛爾（carazolol）與胞內別構拮抗劑Cmpd-15的複合物結構。該成果對G蛋白偶聯受體別構調節物的研發具有指導意義。

G蛋白偶聯受體是一類具有七次跨膜結構的膜蛋白受體。這類受體可以感知包括氣味分子、激素、神經遞質、趨化因子等信號，從而調節生理反應。G蛋白偶聯受體是一類重要的藥物靶標，大約30%的商業化藥物以G蛋白偶聯受體作為靶點。由於對GPCR結構和功能研究的傑出貢獻，Brian Kobilka教授和Robert Lefkowitz教授分享了2012年的諾貝爾化學獎。

傳統上針對GPCR的藥物研發工作主要以其正構底物結合位點（即天然底物結合位點）為靶點。這類正構底物結合位點在不同亞型的GPCR之間往往非常保守。例如在人體中一共有九個腎上腺素受體，它們都可以被腎上腺素激活，所以其正構底物結合位點十分相似。這就導致研發出的藥物往往對不同亞型的特異性不夠，造成藥物副作用。別構調節物指的是不結合在GPCR正構底物結合位點的小分子化合物。其結合位置通常保守性較低，因此有可能具有更好的特異性。目前報道的GPCR結構大多數都是結合了正構拮抗劑，只有極少數結構裡面結合了別構調節物。Brian Kobilka教授自從在清華大學建立實驗室以來，一直保持和世界上不同實驗室合作，共同研發GPCR的別構調節物，並利用結構生物學的方法研究別構調節物發揮功能的分子機理。

第15號化合物（Compound 15， Cmpd-15）是Robert Lefkowitz研究組利用親和篩選的方式，從DNA編碼的小分子化合物庫裡面鑒定出來的一個beta2腎上腺素受體別構拮抗劑 （Ahn, S. et al. 2017）。生化實驗表明Cmpd-15可能穿過細胞膜，結合在beta2腎上腺素受體的胞內位置。Beta腎上腺素受體的正構拮抗劑，即乙型阻滯劑（beta-blocker）是一類極為重要的處方葯。而Cmpd-15是第一個別構型的乙型阻滯劑，其重要性不言而喻。

圖1 beta2腎上腺素受體結合正構拮抗劑卡拉洛爾（carazolol）與胞內別構拮抗劑Cmpd-15的複合物結構

在這項工作中，Brian Kobilka研究組利用一個beta2腎上腺素受體和T4溶菌酶的融合蛋白（β2AR-T4L）進行晶體學研究。研究初期利用β2AR-T4L與Cmpd-15共結晶，獲得了2.5埃的晶體數據。但是由於Cmpd-15溶解性很差，在結晶條件中最高只能加到200uM。在晶體數據里雖然看到胞內部分有很弱的電子密度，但是無法準確判斷Cmpd-15的結合方式。後來合作研究組對Cmpd-15進行了修飾，在其上加入一個羧酸聚乙二醇基團以提高其溶解度。改造後的小分子即為Cmpd-15PA。Brian Kobilka研究組又獲得了β2AR-T4L與Cmpd-15PA複合物2.7埃的晶體結構。其晶體數據清楚的揭示了Cmpd-15的結合方式，羧酸聚乙二醇基團在晶體中處於柔性不可見的狀態。Cmpd-15結合在跨膜螺旋1、2、6、7的胞內端與胞內環1以及螺旋8形成的底物口袋。結構分析、分子動態模擬以及生化實驗結果表明Cmpd15通過兩種方式形成功能。一是通過穩定跨膜螺旋6，將beta2腎上腺素受體穩定在非激活狀態，從而影響正構底物的親和力。二是直接與下游信號蛋白如G蛋白或者arrestin競爭，干擾下游信號傳導。

值得注意的是2016年12月《自然》上曾經報道了兩個趨化因子受體CCR2和CCR9與各自胞內別構調節物的複合物結構（Zheng, Y. et al. 2016, Oswald, C. et al. 2016）。儘管小分子的化學結構很不一樣，和小分子相互作用的氨基酸序列也不保守，但是本工作中β2AR上的Cmpd15結合區域和趨化因子受體上的別構調節物結合區域在結構上很接近，都是由跨膜螺旋1、2、6、7的胞內部分組成。這表明該位置可能在不同類型的GPCR裡面都可以作為別構調節物結合口袋，本工作對針對其他GPCR的別構藥物研發工作具有指導意義。

本工作是清華大學醫學院、結構生物學高精尖創新中心、斯坦福大學醫學院分子與細胞生理學系Brian Kobilka教授與杜克大學Robert Lefkowitz教授、常州大學陳新教授以及斯坦福大學Ron Dror教授共同合作的成果。其中Brian Kobilka教授實驗室負責結構生物學工作、Robert Lefkowitz教授實驗室負責生化實驗工作、陳新教授實驗室負責化學合成工作，Ron Dror教授實驗室負責分子動態模擬工作。Brian Kobilka 教授與Robert Lefkowitz教授為本文的共同通訊作者。醫學院助理研究員劉翔宇博士與杜克大學Seungkirl Ahn博士為本文的共同第一作者。本課題得到北京市結構生物學高精尖創新中心的資助。衍射數據收集得到日本Spring-8同步輻射光源的支持和協助。

原文鏈接：

http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature23652.html

本網站所有註明「來源：生物探索」的文字、圖片和音視頻資料，版權均屬於生物探索所有，其他平台轉載需得到授權。本網所有轉載文章系出於傳遞更多信息之目的，且明確註明來源和作者，不希望被轉載的媒體或個人可與我們聯繫(editor@biodiscover.com)，我們將立即進行刪除處理。所有文章僅代表作者觀點，不代表本站立場。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！