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G蛋白偶联受体信号转导多样性的动态结构被金长文的研究小组同合作者揭示

        2019年5月15日,Molecular Cell杂志发表了一篇题为"Conformational Complexity and Dynamics in a Muscarinic Receptor Revealed by NMR Spectroscopy"的在线研究论文,报告了用液体核磁共振技术研究M2毒蕈碱乙酰胆碱受体的结构动态工作,并结合功能实验和分子动力学模拟,揭示了GPCR信号转导多样性的分子机制。这项研究是由北京大学化学学院的金长文教授研究组与清华大学、美国斯坦福大学和德国埃尔朗根-纽伦堡大学的合作伙伴共同完成的。

        G蛋白偶联受体(GPCR)家族是膜蛋白家族中最大的一类受体,在视觉、嗅觉、味觉、激素和神经递质信号转导等方面发挥着重要的生理作用,也是一个关键的药物靶点。近年来,随着对越来越多的GPCR在失活和激活状态下的晶体和电镜结构的分析,这类大类受体的激活机制得到了越来越深入的了解。然而,GPCR受体的失活和激活结构只代表信号转导过程开始和结束时相对稳定的构象状态,在激活过程中受体发生了复杂多样的动态构象变化。这些变化可能与不同配体诱导的信号转导的多样性有关。目前,GPCR在激活过程中的动态构象变化尚不清楚,国际上对GPCR的研究还处于起步阶段。液体核磁共振(NMR)是研究GPCR动态结构和活化机理的一种不可缺少的研究方法,它能在原子分辨率水平上研究蛋白质相互作用和构象变化,并能提供晶体或电镜结构缺失的信息。

        M2毒蕈碱乙酰胆碱受体(M2R)是一种典型的GPCR,在调节心率和多种中枢神经系统功能方面发挥着重要作用。它是研究GPCR信号转导、调控和药物设计的模型受体。本研究将13CH3-ε-甲硫氨酸同位素标记探针引入M2R,检测受体与一系列配体分子结合时的核磁谱变化(图一)。分析M2R的动态构象变化与G蛋白活化和抑制蛋白(arrestin)招募效应差异的相关性。同时,通过分子动力学模拟,进一步解释了不同配体结合引起的构象和功能变化的分子机制。本研究首次将M2R的配体结构、受体构象变化与配体功能多样性联系起来,揭示M2R信号转导多样性的可能分子机制,为该类重要受体的药物研究和开发提供理论指导。

图1:内源配体乙酰胆碱(acetylcholine)和晶体结构分析配体iperoxo有不同的作用。

它们在与受体结合时表现出不同的化学位移指纹图谱,表明当受体被激活时会发生不同的构象变化。

        金长文教授和Brian K. Kobilka教授为该论文的共同通讯作者。清华大学医学院博士生徐俊是第一位作者。原北京大学核磁共振中心副研究员胡蕴菲参与了核磁场实验和数据处理与分析。牛晓刚和李红卫博士协助完成收集核磁数据。本研究的功能实验和分子动力学模拟实验由德国Ellangen-Nuremberg大学化学和药学系PeterGmeiner完成。Shoji Maeda是斯坦福大学医学院的一名助理研究员,他帮助进行了这项研究的功能实验。本研究由国家重点研究开发项目、清华-北京生命科学联合中心和北京高精度结构生物中心资助。所有的核磁实验数据都是在北京大学核磁共振中心和凤凰工程核磁平台上收集的。

        金长文的研究组长期以来致力于用液态核磁共振表征生物大分子的结构和动态构象变化。本文是金昌文研究组和Brian Kobilka研究组在GPCR动态结构协同研究中的阶段性成果,展示了核磁共振在膜蛋白受体动态研究中的重要应用。正在进行更深入系统的动态结构研究,这将有助于进一步加深对GPCR信号转导多样性的分子机制的理解。

 

 

 

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