第四讲-G蛋白偶联受体研究进展课件.ppt

1、GPCR G蛋白偶联受体蛋白偶联受体(G protein-coupled receptor, GPCR),是人体内最大的蛋白质家族是人体内最大的蛋白质家族,迄今已报道了近迄今已报道了近2000种种不同的不同的GPCRs。 GPCRs因能结合和调节因能结合和调节G蛋白活性而得名。蛋白活性而得名。 GPCRs的配体多种多样的配体多种多样,包括生物胺、肽类、糖蛋白、包括生物胺、肽类、糖蛋白、脂类、核苷酸、离子和蛋白酶等。脂类、核苷酸、离子和蛋白酶等。 各种光、嗅、味的信号分子也由各种光、嗅、味的信号分子也由GPCRs介导。介导。 大多数大多数GPCRs通过通过G蛋白调节细胞内信号传递蛋白调节细胞内信

2、号传递,例如例如,刺激或抑制腺苷酸环化酶刺激或抑制腺苷酸环化酶(AC)和活化磷脂酶的活性和活化磷脂酶的活性,调节钾及钙离子通道的活性。调节钾及钙离子通道的活性。 有些有些GPCRs通过酪氨酸激酶、通过酪氨酸激酶、Src、Stat3途经传递途经传递信息信息,与细胞增值、细胞转化有关。与细胞增值、细胞转化有关。人类基因组测序表明人类基因组测序表明,约有约有720个基因参与了个基因参与了GPCR的合成。的合成。GPCR功能失调会导致许多疾病的产生功能失调会导致许多疾病的产生,如阿如阿尔茨海默氏症尔茨海默氏症(alzheimers)、帕金森症、帕金森症(Parkinson disease)、侏儒症、侏

3、儒症(midgetism)、色、色盲症盲症(acritochronacy)以及哮喘以及哮喘(asthma)等。等。接近接近50%的药物是用的药物是用GPCR作为它们的靶标。作为它们的靶标。对于对于GPCR的研究具有极其重要的意义。的研究具有极其重要的意义。 GPCR的结构GPCR的肽链的肽链N末端末端,7个跨膜个跨膜螺旋螺旋(TM1TM7)。C末端末端,3个胞外环个胞外环(ECL1ECL3)及及34个胞内环个胞内环(ICL1ICL4)组成。组成。N端在胞外端在胞外,常常被糖基化。常常被糖基化。C端在胞内端在胞内,多表现为磷酸化。多表现为磷酸化。7个跨膜的个跨膜的螺旋反复穿过细胞膜的脂双层。螺旋

4、反复穿过细胞膜的脂双层。不同不同GPCR跨膜螺旋区的氨基酸比较保守跨膜螺旋区的氨基酸比较保守,而而C/N末端和回环区的氨基酸差异较大。末端和回环区的氨基酸差异较大。牛视紫红质结构的模式图牛视紫红质结构的模式图胞外侧胞外侧胞内侧胞内侧ECLICLTM1TM7目前只有一种目前只有一种GPCR蛋白蛋白牛视紫红质牛视紫红质(bovine rhodopsin)的晶体三维结构被构建。的晶体三维结构被构建。细胞质的末端区域通常被疏水残基所环绕细胞质的末端区域通常被疏水残基所环绕,它们一同形成了它们一同形成了G蛋白的结合位点。蛋白的结合位点。牛视紫质受体在牛视紫质受体在C末端有一段短的末端有一段短的螺旋螺旋,

5、并与膜平行并与膜平行,称之为称之为TM8,可能对于受体的可能对于受体的结构稳定起着重要的作用。结构稳定起着重要的作用。一些亚家族受体间存在着一些相似的结构一些亚家族受体间存在着一些相似的结构,如几乎所有如几乎所有GPCR都具有二硫键等。都具有二硫键等。GPCR分类分类A族，族，又称为又称为视紫红质视紫红质(rhodopsin) /2肾上腺肾上腺素受体族素受体族，分为，分为6个亚族个亚族:生物胺受体生物胺受体;胆囊收缩肽、内皮素、速激肽、神经肽胆囊收缩肽、内皮素、速激肽、神经肽Y等等;非脊椎动物的视蛋白和缓激肽受体非脊椎动物的视蛋白和缓激肽受体;腺嘌呤、大麻类、黑皮素及嗅觉受体腺嘌呤、大麻类、黑

6、皮素及嗅觉受体;趋化因子、互补因子、促性腺激素释放激趋化因子、互补因子、促性腺激素释放激素素(GnRH)等等;褪黑激素受体及其它。褪黑激素受体及其它。B族族,又称为又称为胰高血糖素胰高血糖素/血管活性肠肽血管活性肠肽/降钙素降钙素受体样受体族受体样受体族, 分为分为4个亚族个亚族:降钙素和促肾上腺皮质激素释放因子受体降钙素和促肾上腺皮质激素释放因子受体;甲状旁腺激素受体甲状旁腺激素受体;胰高血糖素、类胰高血糖素肽、垂体腺苷胰高血糖素、类胰高血糖素肽、垂体腺苷酸环化酶活化肽、血管活性肠肽和分泌素受酸环化酶活化肽、血管活性肠肽和分泌素受体体;Latrotoxin受体。受体。C族族,又称为又称为神经

7、递质神经递质/钙受体样受体族钙受体样受体族, 分为分为5个亚族个亚族:谷氨酸受体谷氨酸受体;-氨基丁酸氨基丁酸(GABA)受体受体;钙受体钙受体;鼻神经外激素受体鼻神经外激素受体;味觉受体。味觉受体。D族族真菌信息素真菌信息素(fungal pheromone)受体受体E族族cAMP受体受体(cAMP receptor)在在GPCR家族中家族中,A族受体数目最多。族受体数目最多。A族受体共有二十多个高度保守位点。族受体共有二十多个高度保守位点。A族的族的12个高度保守位点功能见表。个高度保守位点功能见表。B族受体的族受体的N末端较长且较保守末端较长且较保守,主要结合一主要结合一些大的配基些大的

8、配基,如胰高血糖素、分泌素等。如胰高血糖素、分泌素等。C族受体的族受体的N未端未端(大约大约600个氨基酸个氨基酸)和和C未端未端都很长都很长,在在C-与与C-间也由两个间也由两个Cys形成二形成二硫键硫键,C-环短并且高度保守。环短并且高度保守。配体结合域配体结合域A族受体的配体结合域族受体的配体结合域一类是一类是小分子配体小分子配体,小分子配体结合在受体跨小分子配体结合在受体跨膜膜螺旋形成的结合裂隙中。螺旋形成的结合裂隙中。经典的小分子配体有肾上腺素经典的小分子配体有肾上腺素(E)、去甲肾上腺素、去甲肾上腺素(NE)、多巴胺、多巴胺(DA)、5-羟色胺羟色胺(5-HT)、组胺、组胺(His

9、)、乙酰胆碱乙酰胆碱(Ach)、前列腺素、前列腺素(PGs)、白三烯、白三烯(LTs)和和嘌呤嘌呤(purine)等。等。另一类是另一类是大分子肽类配体大分子肽类配体, 肽类配体主要结合肽类配体主要结合在受体的胞外结构域。在受体的胞外结构域。P物质、神经激肽物质、神经激肽A、神经激肽、神经激肽B、血管紧张素、血管紧张素、神经肽神经肽Y、白介素、白介素8,抗利尿激素等肽类配体。抗利尿激素等肽类配体。B族受体的配体结合域族受体的配体结合域与与A族的肽类配体类似族的肽类配体类似,B族受体的肽类配体族受体的肽类配体结合部位主要位于受体的结合部位主要位于受体的胞外结构域胞外结构域。B族受体的族受体的N末

10、端在大多数配体与受体的结合末端在大多数配体与受体的结合中起关键作用。例如分泌素、血管肠肽、胰中起关键作用。例如分泌素、血管肠肽、胰高血糖素等肽类配体高血糖素等肽类配体,它们不仅它们不仅与受体的与受体的N末末端结合端结合,而且而且与受体的与受体的ECL相互作用相互作用。C族受体的配体结合域族受体的配体结合域C族受体的配体主要有谷氨酸、族受体的配体主要有谷氨酸、GABA和和Ca2+。这些配体虽然分子小这些配体虽然分子小,但是其与但是其与A族小分子配族小分子配体在受体上的结合部位不同体在受体上的结合部位不同,均位于受体胞外均位于受体胞外的的N末端末端。GPCRs活化的分子机制1. 分子内相互作用力使

11、分子内相互作用力使GPCRs处于静止构象处于静止构象在没有激动剂时在没有激动剂时,分子内相互作用力使分子内相互作用力使GPCRs处于处于静止静止(非活性非活性)构象构象,当受体与激动剂结合或受体发当受体与激动剂结合或受体发生突变时生突变时,破坏了受体分子内相互作用力破坏了受体分子内相互作用力,使受体的使受体的关键序列暴露给关键序列暴露给G蛋白蛋白,从而活化从而活化G蛋白。可以认蛋白。可以认为为,分子内相互作用力遭到破坏是分子内相互作用力遭到破坏是GPCRs活化机制活化机制之一之一。使受体易于在活性构象和非活性构象之间。使受体易于在活性构象和非活性构象之间转变。转变。2. 质子化是质子化是GPC

12、Rs活化的关键活化的关键A族受体族受体ICL2上有一保守的上有一保守的DRY(Glu/Asp-Arg-Tyr)基序基序,许多实验证明许多实验证明,当受体活化时当受体活化时,其其Glu/Asp发生质子化。发生质子化。3. GPCRs活化中的构象变化活化中的构象变化GPCRs活化中的构象变化活化中的构象变化,研究的最多的是视紫红研究的最多的是视紫红质。多种光谱技术的研究结果表明质。多种光谱技术的研究结果表明,在视紫红质活在视紫红质活化为变视紫红质化为变视紫红质的过程中的过程中,发生了构象重排。发生了构象重排。4. GPCR与与G蛋白偶联蛋白偶联信号从活化受体传递给信号从活化受体传递给G蛋白的机理还

13、不清楚。蛋白的机理还不清楚。实验证实实验证实,GPCRs的的ICL2和和ICL3在与在与G蛋白偶联蛋白偶联中发挥重要作用。其中中发挥重要作用。其中ICL3决定偶联决定偶联G蛋白蛋白亚亚基的特异性基的特异性,ICL2决定决定G蛋白的活化蛋白的活化。5. 受体二聚化受体二聚化研究表明研究表明,许多许多GPCRs,包括视紫红质、分泌素、包括视紫红质、分泌素、谷氨酸受体等能形成二聚体。激动剂有时能提高谷氨酸受体等能形成二聚体。激动剂有时能提高受体二聚体的水平受体二聚体的水平,有时却降低或不改变受体二聚有时却降低或不改变受体二聚体的水平。体的水平。受体二聚化的作用还不清楚受体二聚化的作用还不清楚,可能与

14、受体个体发育可能与受体个体发育和受体功能的多样性有关。和受体功能的多样性有关。GPCRs双聚化的结构基础双聚化的结构基础 尽管尽管GPCRs在分子结构上都有七个跨膜区在分子结构上都有七个跨膜区,但不同的但不同的GPCRs在细胞膜内外的结构却有较大的差别在细胞膜内外的结构却有较大的差别,因此分因此分子内部发生双聚化的区域、方式也不尽相同。子内部发生双聚化的区域、方式也不尽相同。有的有的GPCRs双聚化依靠双聚化依靠二硫键二硫键,还原剂可以减弱或还原剂可以减弱或消除双聚体形成消除双聚体形成;另一些则可能通过分子间的另一些则可能通过分子间的疏水键疏水键相互作用形成相互作用形成双聚体双聚体,可被可被S

15、DS(二烷基硫酸钠二烷基硫酸钠)解聚。解聚。GPCRs的双聚化可发生在胞外的的双聚化可发生在胞外的N端、跨膜区、端、跨膜区、胞内环、胞外环以及胞内的胞内环、胞外环以及胞内的C末端。末端。 例如例如 mGluR5含含19个个Cys的胞外的胞外N端端,其中其中9个在近膜区个在近膜区,其双其双聚化可以被还原剂聚化可以被还原剂DTT完全消除完全消除,表明表明二硫键二硫键在形成在形成双聚化中起关键作用双聚化中起关键作用,用胰蛋白酶水解除去受体胞外用胰蛋白酶水解除去受体胞外N端后端后,则不再发生双聚化则不再发生双聚化,这表明这表明mGluR5双聚化双聚化在在胞外胞外N端端。 类似的受体还有类似的受体还有G

16、luRl和和CaR。阿片受体有彼此同源。阿片受体有彼此同源性较高的性较高的DOR、受体受体(KOR)、受体受体(MOR)三种亚三种亚型。型。 GPCRs双聚化对细胞信号转导的影响双聚化对细胞信号转导的影响 GABABR属于属于GPCRs。GABABR又包括又包括GBR1和和GBR2两种亚型。两种亚型。 GBR1 GBR2表达表达功能功能受体间相互作用可促进受体蛋白合成后的转运和定位受体间相互作用可促进受体蛋白合成后的转运和定位,也解也解释了体外单独表达的释了体外单独表达的GBR1不具有天然组织受体功能的分子不具有天然组织受体功能的分子机制。机制。在功能方面在功能方面,单独表达两受体单独表达两受

17、体,激动剂引起的激动剂引起的AC抑制、抑制、35s-GTP-s结合、结合、GIRK的激活等几乎不能发生的激活等几乎不能发生,而共表达后上述而共表达后上述功能明显增强。功能明显增强。用免疫共沉淀法发现两受体可通过用免疫共沉淀法发现两受体可通过C末端形成双聚体末端形成双聚体.可可见见,GBR1在膜上的定位及发挥功能依赖于和在膜上的定位及发挥功能依赖于和GBR2形成双聚形成双聚体体。 受体的双聚化有病理和药理学方面的意义受体的双聚化有病理和药理学方面的意义 抗抗CCR5 N端的抗体在体外培养细胞和小鼠体内显示端的抗体在体外培养细胞和小鼠体内显示出较强的抑制出较强的抑制HIV-1复制的作用复制的作用,

18、而抗体与激动剂均而抗体与激动剂均可诱导可诱导CCR5双聚体的形成双聚体的形成,而针对受体其它部位的抗而针对受体其它部位的抗体不能导致受体双聚化体不能导致受体双聚化,也不能抑制也不能抑制HIV-1的感染。的感染。 因此提示因此提示,诱导诱导CCR5的双聚化可以阻断的双聚化可以阻断HIV-1通过通过CCR5引起的感染。引起的感染。6. GPCRs的失敏及内吞作用的失敏及内吞作用 绝大多数与绝大多数与G蛋白相偶联的受体在激动剂的长期或反蛋白相偶联的受体在激动剂的长期或反复刺激下都会出现反应性降低的现象称为复刺激下都会出现反应性降低的现象称为失敏失敏(desensitization)。 受体失敏作用随

19、着激动剂作用时间的延长会经历不受体失敏作用随着激动剂作用时间的延长会经历不同的变化过程。同的变化过程。在激动剂刺激后几秒至几小时内在激动剂刺激后几秒至几小时内,受体对刺激的反受体对刺激的反应性降低应性降低,但细胞膜表面的受体数量并未减少但细胞膜表面的受体数量并未减少;如果这种作用持续存在如果这种作用持续存在,会引起膜表面受体数量降会引起膜表面受体数量降低低,即发生即发生内吞内吞(internalization);甚至进一步发生不可逆的降解甚至进一步发生不可逆的降解,从而引起从而引起受体下调受体下调(down-regulation). 大多数的大多数的GPCRs激活后激活后,在第二信使激酶或在第

20、二信使激酶或G蛋白偶蛋白偶联受体激酶的作用下发生联受体激酶的作用下发生快速磷酸化快速磷酸化;受体的磷酸化受体的磷酸化提高了其对提高了其对arrestin(阻碍蛋白阻碍蛋白)的亲和力的亲和力,两者形成复两者形成复合体并促使受体与合体并促使受体与G蛋白解偶联蛋白解偶联;进而此复合体与笼进而此复合体与笼形蛋白衣被小泡结合并在形蛋白衣被小泡结合并在dynamin(发动蛋白发动蛋白)的调解的调解作用下发生内吞作用下发生内吞,并并隐没隐没(sequestration)于胞内。于胞内。 内吞后的受体可能发生两种变化内吞后的受体可能发生两种变化:一是在衣被小泡内一是在衣被小泡内发生去磷酸化发生去磷酸化,通过再

21、循环回到胞膜表面通过再循环回到胞膜表面,完成完成复敏复敏(resensitization);二是受体被降解二是受体被降解,发生下调。发生下调。 但是有些受体在此过程中并不需要但是有些受体在此过程中并不需要arrestin和和dynamin的介导的介导,如血管紧张素如血管紧张素(AT)受体。受体。GPCRsGPinternalizationdown-regulationarrestinGPCRsarrestinGPresensitizationdynaminenzyme 与受体磷酸化相关的激酶与受体磷酸化相关的激酶 GPCRs被配体激活后被配体激活后,在激发下游信号转导通路的同在激发下游信号转导

22、通路的同时时,GPCRs本身也会发生快速的磷酸化本身也会发生快速的磷酸化,作用于受体的作用于受体的蛋白激酶家族已知有两种蛋白激酶家族已知有两种:第二信使激酶：包括第二信使激酶：包括cAMP依赖的蛋白激酶依赖的蛋白激酶(PKA)、蛋白激、蛋白激酶酶C(PKC)等等,其中其中PKA主要作用于主要作用于Gs偶联受体偶联受体,而而PKC则作则作用于用于Gq偶联受体偶联受体;GPCRs激酶激酶(G protein-coupled receptor kinases, GRKs)：主要作用于经典的信号反馈调节通路主要作用于经典的信号反馈调节通路,介导第二信使系统间介导第二信使系统间的相互对话。的相互对话。

23、GRKs有六种有六种:视紫红质激酶视紫红质激酶(GRK2)、肾上腺素受体、肾上腺素受体激酶激酶(GRKs)的两种异型体的两种异型体(GRK1和和GRK3)、遗传性、遗传性慢性舞蹈病患者慢性舞蹈病患者4号染色体中克隆出的号染色体中克隆出的IT11(GRK4、GRK5)以及一些从果蝇中克隆的多种同源物以及一些从果蝇中克隆的多种同源物. 受体磷酸化激酶的作用机制受体磷酸化激酶的作用机制 视紫红质激酶和视紫红质激酶和-肾上腺素受体激酶肾上腺素受体激酶存在于胞质存在于胞质中中,但它们的作用底物却在胞膜上但它们的作用底物却在胞膜上,因此因此,他们发挥作用时他们发挥作用时必须由胞质向胞膜发生必须由胞质向胞膜

24、发生移位移位(translocation)。 视紫红质激酶发生移位的主要机制：其视紫红质激酶发生移位的主要机制：其C末端的末端的Cys发生异戊二烯化发生异戊二烯化(isoprenylation),使得使得C末端水解末端水解,最最终导致激酶由胞质向胞膜移位。如将终导致激酶由胞质向胞膜移位。如将C末端的末端的Cys点点突变为突变为Ser,异戊二烯化被阻断异戊二烯化被阻断,视紫红质激酶的作用视紫红质激酶的作用随之降低。随之降低。 -肾上腺素受体激酶的移位机制：激酶本身并不发肾上腺素受体激酶的移位机制：激酶本身并不发生异戊二烯化生异戊二烯化,而是与受体相偶联的而是与受体相偶联的G蛋白发生异戊蛋白发生异

25、戊二烯化。受体被激活后二烯化。受体被激活后,G蛋白的蛋白的、亚基可激活亚基可激活-肾上腺素受体激酶肾上腺素受体激酶,同时同时亚基也发生异戊二烯化亚基也发生异戊二烯化,进进而对激酶接近胞膜上的受体起易化作用。而对激酶接近胞膜上的受体起易化作用。 arrestin蛋白、笼形蛋白与笼形蛋白衣被蛋白、笼形蛋白与笼形蛋白衣被 Arrestin最重要的作用是促使激活的、磷酸化的受体最重要的作用是促使激活的、磷酸化的受体与与G蛋白蛋白解偶联解偶联,加速受体的失敏。加速受体的失敏。 内吞的可能机制内吞的可能机制 衣被复合体主要有三类衣被复合体主要有三类:衣被蛋白衣被蛋白I(Coat protein-I, co

26、p-)、衣被蛋白、衣被蛋白(Coat protem-,cop)和笼形和笼形蛋白蛋白(clathrin)。 衣被蛋衣被蛋和衣被蛋白和衣被蛋白主要参与小泡在高尔基复合主要参与小泡在高尔基复合体和内质网之间的转运体和内质网之间的转运;笼形蛋白则主要参与液相物笼形蛋白则主要参与液相物质和受体由胞膜以及反向高尔基网质和受体由胞膜以及反向高尔基网(transGolginet-work,TGN)向向内涵体内涵体(endosome)的转运。的转运。 内吞后的受体隐没于内涵体。内涵体中的磷酸酶在内吞后的受体隐没于内涵体。内涵体中的磷酸酶在酸性条件下可以特异地引起磷酸化的酸性条件下可以特异地引起磷酸化的受体去磷酸

27、化受体去磷酸化,进而使得受体复敏并再循环至胞膜重新发挥作用。进而使得受体复敏并再循环至胞膜重新发挥作用。 这一过程与受体的失敏和内吞一样这一过程与受体的失敏和内吞一样,G蛋白受体激蛋白受体激酶酶,arrestin和笼型衣被小泡起到至关重要的作用。和笼型衣被小泡起到至关重要的作用。GPCRs的活化模式1. 二态模式二态模式受体处在受体处在非活性构象非活性构象(R)与与活性构象活性构象(R*)的平衡之的平衡之中中,即即RR*。 在没有激动剂的情况下在没有激动剂的情况下,R占绝大多数占绝大多数,R和和R*之之间的能障很低间的能障很低,使一部分使一部分R自发地变成自发地变成R*。 激动剂激动剂与与R*

28、有很强的亲和力有很强的亲和力,使平衡发生移动使平衡发生移动,增加增加R*的比例。的比例。 拮抗剂拮抗剂能稳定能稳定R,使平衡从使平衡从R*移向移向R。 中性拮抗剂中性拮抗剂与与R及及R*有相同的亲和力有相同的亲和力,因此不能因此不能改变平衡。改变平衡。2. 多态模式多态模式受体自发地在多个活性和非活性构象之间变化受体自发地在多个活性和非活性构象之间变化,因因而配体引起的生物效应取决于配体高亲和力结合而配体引起的生物效应取决于配体高亲和力结合的受体构象。的受体构象。 如果与如果与G蛋白偶联的受体构象是活性的蛋白偶联的受体构象是活性的,那么该那么该配体则作为激动剂；配体则作为激动剂； 如果受体的构

29、象是非活性的如果受体的构象是非活性的,则配体作为拮抗则配体作为拮抗剂与受体结合。剂与受体结合。3. “顺序结合和构象选择顺序结合和构象选择”模式模式受体自发地在不同的构象受体自发地在不同的构象(非活性非活性R和活性和活性R*)之之间转变间转变,激动剂不是一步直接与激动剂不是一步直接与R*结合结合,而是按一而是按一定顺序结合定顺序结合,因此在因此在R和和R*之间产生了一系列的中之间产生了一系列的中间构象间构象(R和和R)。 R R R R*开始开始,激动剂的一个结构基团与受体相互作用激动剂的一个结构基团与受体相互作用,然后然后TM的结构域自发地运动的结构域自发地运动,激动剂的其他基团按顺激动剂的

30、其他基团按顺序地与受体作用序地与受体作用,每一次相互作用稳定了一个或多每一次相互作用稳定了一个或多个跨膜结构域个跨膜结构域,最终激动剂稳定最终激动剂稳定R*。GPCR固有活性研究与新药开发固有活性研究与新药开发1GPCR固有活性及反相激动剂概念固有活性及反相激动剂概念 在非活性状态下在非活性状态下,GPCRs与与GP解偶联解偶联,而在活性状态而在活性状态下下, GPCRs结合并激活结合并激活GP。 固有活性固有活性：一个：一个GPCR在缺乏激动剂的条件下在缺乏激动剂的条件下,自发自发地产生构型变化地产生构型变化,从失活状态构型转变为激活状态构从失活状态构型转变为激活状态构型的能力。型的能力。

31、R R* 激动剂激动剂：能稳定：能稳定GPCR与激活状态与激活状态(R*),促使反应平促使反应平衡向衡向R*状态转构。状态转构。 R R* 反相激动剂反相激动剂：能稳定：能稳定GPCR于失活状态于失活状态(R),促使反应促使反应平衡向平衡向R状态转构。状态转构。 R R* 拮抗剂拮抗剂：不改变反应平衡状态：不改变反应平衡状态,但能阻断激动剂的刺但能阻断激动剂的刺激作用和反相激动剂的抑制作用。激作用和反相激动剂的抑制作用。RR*Full Agonist Agonist Antagonist Partial inverse agonist Full inverse agonistThe two s

32、tate-model of GPCR activation 激动剂增加基础激动剂增加基础G蛋白及效应系统活性蛋白及效应系统活性,拮抗剂对基拮抗剂对基础活性无效应础活性无效应,反相激动剂降低反相激动剂降低G蛋白基础活性蛋白基础活性2G蛋白偶联受体固有活性研究进展蛋白偶联受体固有活性研究进展 G蛋白在蛋白在GPCR固有活性中的作用固有活性中的作用 大约有大约有50%具有固有活性的具有固有活性的GPCR偶联偶联Gi/Go,有有25%具有固有活性的具有固有活性的GPCR偶联偶联Gs或或Gq; 主要是主要是Gq和和Gs调节的固有活性与疾病发生相关。但调节的固有活性与疾病发生相关。但实际上很多偶联实际上很

33、多偶联Gi/Go的的GPCR与疾病发生有重要关与疾病发生有重要关系。因此系。因此,在缺乏激动剂条件下在缺乏激动剂条件下,GPCR自发的产生构自发的产生构型变化是否改变型变化是否改变GPCR对不同对不同G蛋白亲和力蛋白亲和力,或者说或者说这种自发性构型变化是否会改变这种自发性构型变化是否会改变G蛋白偶联是非常重蛋白偶联是非常重要的问题。要的问题。 G蛋白偶联受体固有活性与受体表达水平关系蛋白偶联受体固有活性与受体表达水平关系 受体的固有活性会随着受体在细胞中的表达量的增受体的固有活性会随着受体在细胞中的表达量的增加而增加加而增加, 随着受体表达量的相应增加随着受体表达量的相应增加,受体对于激动受

34、体对于激动剂的反应剂的反应(效价和效能都增加效价和效能都增加)以及无激动剂条件下受以及无激动剂条件下受体的固有活性也增加。体的固有活性也增加。 用不同浓度的用不同浓度的肾上腺素受体肾上腺素受体cDNA瞬时转染载黑素瞬时转染载黑素细胞细胞,随着受体的表达量的增加随着受体的表达量的增加,NPY2、NPY4、CXCR4和和CCR5的固有活性和对激动剂反应增加。的固有活性和对激动剂反应增加。产生固有活性的这些受体和抑制性产生固有活性的这些受体和抑制性G蛋白的特性都用蛋白的特性都用百日咳毒素预处理进行了证实。百日咳毒素预处理进行了证实。 GPCR同源或异源二聚体与固有活性的关系同源或异源二聚体与固有活性

35、的关系 具有固有活性的具有固有活性的GPCR大多数都能形成同源或异源大多数都能形成同源或异源二聚体二聚体,二聚体形成与固有活性之间的关系是非常值二聚体形成与固有活性之间的关系是非常值得探讨的问题。目前有一些二聚体形成和固有活性得探讨的问题。目前有一些二聚体形成和固有活性关系研究报道关系研究报道,但结论并不一致。大部分受体二聚化但结论并不一致。大部分受体二聚化与固有活性水平正相关与固有活性水平正相关,但也有例外但也有例外,如趋化因子甲酸如趋化因子甲酸甲壳胺酸苯丙酸受体甲壳胺酸苯丙酸受体(The human formyl peptide receptor)和补体和补体C5a受体虽然具高固有活性受体

36、虽然具高固有活性,但是一但是一旦形成二聚体旦形成二聚体,固有活性就几乎消失。固有活性就几乎消失。 这些可以解释为这些可以解释为GPCR形成二聚体后可能会引起受体形成二聚体后可能会引起受体构型的变化构型的变化,或形成有利于自发的偶联或形成有利于自发的偶联G蛋白的构型蛋白的构型,或形成有利于偶联原来不同或形成有利于偶联原来不同G蛋白构型。蛋白构型。 激动剂暴露对激动剂暴露对GPCR固有活性的作用固有活性的作用 慢性暴露慢性暴露-和和-阿片受体或阿片受体或2肾上腺素受体于它们的肾上腺素受体于它们的选择性激动剂选择性激动剂,增加这些受体的固有活性增加这些受体的固有活性,并且使一些并且使一些原来表现出部

37、分激动剂或中性拮抗剂性质的化合物原来表现出部分激动剂或中性拮抗剂性质的化合物表现为反相激动剂。表现为反相激动剂。 阿片等物质成瘾与药物暴露有关。阿片等物质成瘾与药物暴露有关。 阿片类慢性处理导致的阿片类慢性处理导致的-阿片受体自发性激活增加阿片受体自发性激活增加可能与阿片类依赖发生有密切关系可能与阿片类依赖发生有密切关系,提示提示-阿片受体阿片受体固有活性抑制剂可能是寻找和发现阿片类成瘾治疗固有活性抑制剂可能是寻找和发现阿片类成瘾治疗药物的方向之一。药物的方向之一。 G蛋白偶联受体固有活性与基础神经活性的关系蛋白偶联受体固有活性与基础神经活性的关系 许多有固有活性的野生型许多有固有活性的野生型

38、G蛋白偶联受体是那些神经蛋白偶联受体是那些神经递质包括去甲肾上腺素、递质包括去甲肾上腺素、5羟色胺、褪黑素、多巴胺、羟色胺、褪黑素、多巴胺、乙酰胆碱、组胺、腺苷、阿片肽、神经激肽、谷氨乙酰胆碱、组胺、腺苷、阿片肽、神经激肽、谷氨酸的受体。酸的受体。 这些发现提示神经递质的这些发现提示神经递质的G蛋白偶联受体的固有活性蛋白偶联受体的固有活性很可能与基础神经活性有关。很可能与基础神经活性有关。 固有活性激活的固有活性激活的GPCR突变体与疾病的关系突变体与疾病的关系 病理性以及人工诱变的固有活性直接导致疾病的发病理性以及人工诱变的固有活性直接导致疾病的发生。例如：生。例如： 将人工诱变的固有活性激

39、活的将人工诱变的固有活性激活的,-去甲肾上腺素表达去甲肾上腺素表达于小鼠的心脏或血管平滑肌于小鼠的心脏或血管平滑肌,产生心肌肥厚和高血压。产生心肌肥厚和高血压。 固有活性激活的固有活性激活的KSHV-GPCR突变体与卡波氏肉瘤突变体与卡波氏肉瘤的发生有密切关系。的发生有密切关系。 固有活性激活的固有活性激活的PTH-PTHrPR的突变体在软骨发育的突变体在软骨发育异常疾病中有重要的作用。异常疾病中有重要的作用。 先天性夜盲、家族性甲亢、低血钙等疾病分别与固先天性夜盲、家族性甲亢、低血钙等疾病分别与固有活性激活的视紫红质受体、有活性激活的视紫红质受体、TSH受体、钙受体突受体、钙受体突变体有关。

40、变体有关。 反相激动剂是治疗上述疾病的潜在药物反相激动剂是治疗上述疾病的潜在药物。3反相激动剂与固有活性研究反相激动剂与固有活性研究 根据两态模型根据两态模型,G蛋白偶联受体固有活性上调蛋白偶联受体固有活性上调,反相激反相激动剂的抑制效应相应增加动剂的抑制效应相应增加,而反相激动剂作用各种野而反相激动剂作用各种野生型生型G蛋白偶联受体的效应分析更进一步证实了两态蛋白偶联受体的效应分析更进一步证实了两态模型。模型。 反相激动剂与反相激动剂与G蛋白偶联受体固有活性的这种关系蛋白偶联受体固有活性的这种关系,使反相激动剂成为验证固有活性的有力工具。使反相激动剂成为验证固有活性的有力工具。 现在反相激动

41、剂已经成为了研究受体固有活性的经现在反相激动剂已经成为了研究受体固有活性的经典工具。典工具。相当多的相当多的G蛋白偶联受体具有反相激动剂。蛋白偶联受体具有反相激动剂。例如例如,阿片受体的反相激动剂阿片受体的反相激动剂ICI 174、864, ICI 154、129,RTI-5989-25阿片受体的反相激动剂阿片受体的反相激动剂-chlornal-trexamine多巴胺受体的反相激动剂多巴胺受体的反相激动剂(+)-butaclam-o,l 5-羟色胺受体的反相激动剂羟色胺受体的反相激动剂Mianserin2肾上腺素的反相激动剂肾上腺素的反相激动剂ICI118、551等等。等等。反相激动剂对于具

42、固有活性的反相激动剂对于具固有活性的G蛋白偶联受蛋白偶联受体所造成的疾病有治疗价值。体所造成的疾病有治疗价值。KSHV-G蛋白偶联受体的反相激动剂可用于治疗蛋白偶联受体的反相激动剂可用于治疗卡波济肉瘤。卡波济肉瘤。反相激动剂对反相激动剂对TSHR和和LHR的作用可分别用来治的作用可分别用来治疗甲状腺功能亢进症以及青春期早熟。疗甲状腺功能亢进症以及青春期早熟。4GPCR固有活性与新药开发固有活性与新药开发 在固有活性激活受体筛选模型中在固有活性激活受体筛选模型中, 主要采用主要采用CART (Constitutively activating receptor technology)技术。技术。

43、 (A)用受体过表达用受体过表达,或或G蛋白胞内胞外环分子结构突变蛋白胞内胞外环分子结构突变产生的产生的G蛋白偶联受体的蛋白偶联受体的CART激活激活,来建立达到一定来建立达到一定水平的受体固有活性。水平的受体固有活性。 (B)转染转染CART激活的受体入哺乳动物细胞激活的受体入哺乳动物细胞,从而使表从而使表达在细胞表面的受体产生达在细胞表面的受体产生CART激活。而激活。而突变突变GPCR胞外所有跨膜环都是预选药物作用区域胞外所有跨膜环都是预选药物作用区域。 (C)分析含有分析含有CART激活的激活的G蛋白偶联受体的细胞蛋白偶联受体的细胞,检检测它们的生物反应测它们的生物反应,并利用这一系列

44、的生物反应来开并利用这一系列的生物反应来开发相关的功能分析阵列。筛选靶向含有发相关的功能分析阵列。筛选靶向含有CART激活激活G蛋白受体细胞或细胞膜的小分子化合物库蛋白受体细胞或细胞膜的小分子化合物库,来鉴定与来鉴定与这些受体相互作用的小分子化合物。用各种功能分这些受体相互作用的小分子化合物。用各种功能分析阵列检测激活或抑制性的小分子与受体的作用。析阵列检测激活或抑制性的小分子与受体的作用。General process of CART(A)(B)(C )与与G G蛋白偶联受体相关的药物作用与蛋白偶联受体相关的药物作用与治疗治疗 1RGS调节药物调节药物 在在GPCR信号转导系统中信号转导系统

45、中,除受体、除受体、G蛋白和效应器蛋白和效应器外外,还有其他蛋白与还有其他蛋白与G蛋白相互作用影响蛋白相互作用影响GTP循环循环,调调节受体信号转导途径。节受体信号转导途径。 G蛋白信号的调节物质蛋白信号的调节物质(RGS)是能够通过是能够通过G蛋白调节蛋白调节信号转导的蛋白家族信号转导的蛋白家族。部分。部分RGS具有激活具有激活GTP酶活酶活性的功能性的功能,也称为也称为GTP酶激活蛋白酶激活蛋白(GAP),能增强能增强GTP酶活性酶活性,减少由于受体激活介导的信号过程减少由于受体激活介导的信号过程,进而削弱进而削弱激动剂的作用。激动剂的作用。RGS可以直接拮抗可以直接拮抗G效应分子效应分子

46、,阻断信号向效应蛋白传递阻断信号向效应蛋白传递;与与亚基结合后拮抗亚基结合后拮抗G介导的生物效应介导的生物效应;直接与受体结合或作为直接与受体结合或作为G效应分子调节信号转导通路。效应分子调节信号转导通路。 目 前目 前 , 已 经 确 认 了已 经 确 认 了 R G S 的 几 个 家 族 成 员的 几 个 家 族 成 员 , 其 中其 中RGS7,RGS4,RGS9等亚型与疾病发生密切相关等亚型与疾病发生密切相关,。 RGS9拮抗剂用于治疗帕金森病；拮抗剂用于治疗帕金森病； RGS4用于治疗精神分裂症；用于治疗精神分裂症； 但目前但目前RGS调节剂尚未成药。调节剂尚未成药。 2GPCR信

47、号的精细调节信号的精细调节 GPCR的数量很多的数量很多,但效应蛋白数量和信号转导通路但效应蛋白数量和信号转导通路非常有限非常有限,因此因此,维持多样化的细胞功能必然存在着某维持多样化的细胞功能必然存在着某些特定的精细信号调节机制。些特定的精细信号调节机制。 精细调节可能与精细调节可能与GPCR和和G蛋白偶联的特异性、膜组蛋白偶联的特异性、膜组构、信号途径的互相调节有关。构、信号途径的互相调节有关。一种一种GPCR可能与几种可能与几种G蛋白偶联蛋白偶联,例如例如,2A-肾上肾上腺素能受体分别与腺素能受体分别与Gi,Gs,Gq偶联偶联;相反相反,不同的不同的GPCR可能与同一个代谢途径、同一可能

48、与同一个代谢途径、同一类型的类型的G蛋白偶联蛋白偶联,如如5-HT2A和毒蕈碱型乙酰胆碱和毒蕈碱型乙酰胆碱M5受体都与受体都与Gq偶联。偶联。某种细胞功能可能受到多种物质共同的精细调节。某种细胞功能可能受到多种物质共同的精细调节。 信号途径互相调节是指信号转导通路之间可能存在信号途径互相调节是指信号转导通路之间可能存在的相互作用的相互作用,激活或抑制某种受体可以调节其他受体激活或抑制某种受体可以调节其他受体的反应。的反应。 临床上临床上,抑郁症、帕金森病的发病机制都与信号途径抑郁症、帕金森病的发病机制都与信号途径的相互作用有关。的相互作用有关。 膜组构指不同膜组构指不同GPCR和和G蛋白定位于

49、特定的细胞膜微蛋白定位于特定的细胞膜微结构域结构域,而不是随机分布。而不是随机分布。不同细胞调节相同的信号转导通路的差异不同细胞调节相同的信号转导通路的差异与相同与相同G蛋白偶联的两种受体的信号并不会出现蛋白偶联的两种受体的信号并不会出现叠加。叠加。 激动剂定向的信号转导激动剂定向的信号转导(ADTRS)理论认为理论认为,激活激活GPCR后后,只能选择性刺激某一种只能选择性刺激某一种G蛋白亚型蛋白亚型,激活一激活一种代谢途径种代谢途径,这可能是由于不同的受体活性状态激活这可能是由于不同的受体活性状态激活不同的不同的G蛋白造成的。蛋白造成的。 只选择性激活一种受体活性状态的激动剂，被称作只选择性

50、激活一种受体活性状态的激动剂，被称作配体选择性激动剂配体选择性激动剂或或受体活性状态选择性激动剂受体活性状态选择性激动剂。药物不仅对受体亚型有选择性药物不仅对受体亚型有选择性,而且对同一受体介导而且对同一受体介导的代谢途径也有选择性的代谢途径也有选择性,能激活有利的代谢途径能激活有利的代谢途径,阻断阻断不利的代谢途径。不利的代谢途径。 与与ADTRS有关的另一个新的概念是有关的另一个新的概念是变构激动作用变构激动作用,这这种特殊的激动作用是指在不同系统中激动剂作用于种特殊的激动作用是指在不同系统中激动剂作用于同一受体同一受体,既可能产生激动作用也可能产生反向激动既可能产生激动作用也可能产生反向