喝咖啡上瘾了?拉斐尔·弗兰科和他的同事们介绍了一种受体,这种受体是一个庞大而多样的蛋白质家族的成员——g蛋白偶联受体——是我们药店里许多药物的靶点。他们的最新发现表明,不同的腺苷受体亚型如何结合在一起,成为一种浓度传感装置,突显出不同的g蛋白偶联受体组合可以产生的新特性,以及用药物靶向这些受体的潜力。 剑桥生理学家约翰纽波特兰利在1909年提出了一种介导药物作用的“接受物质”。 这个想法仍然是假设,直到两个进一步的突破 - 当Raymond P. Ahlquist在1948年提出存在两个肾上腺素接受者(α-和β-肾上腺素受体),并且当能够阻止这种接收器的药物在1965年开发时。阻滞剂仍然存在并且仍然存在 有助于对抗疾病。 其中一种是普萘洛尔,第一种临床上有用的β-肾上腺素能受体阻滞剂,詹姆斯布莱克于1988年获得诺贝尔奖。 阿尔弗雷德·G·吉尔曼(Alfred G. Gilman, 1994年诺贝尔奖得主)发现G蛋白后,兰利的“接受物质”被鉴定为G蛋白偶联受体(GPCR)家族蛋白。G蛋白存在于细胞膜的内表面,并通过一种激素(例如,肾上腺素)与细胞表面的一种同源GPCRs结合而产生的信号传播到细胞中。 分子生物学技术帮助识别氨基酸序列,结晶技术的重大进展帮助解决了数十种GPCRs的晶体结构,建立了它们的原型单分子结构,即7跨膜结构域蛋白与三聚体G蛋白偶联。2012年,罗伯特·j·莱夫科维茨(Robert J. Lefkowitz)和布莱恩·k·科比尔卡(Brian K. Kobilka)获得诺贝尔奖,以表彰他们对这一蛋白质家族的研究。 我们现在知道,GPCRs在哺乳动物基因组中高度多样化(据估计,人类大约有1000个GPCR基因——占人类蛋白质组的8% !),它们是药店中销售的约30%药物的目标。然而,尽管有了这些重大进展,它们在介导药物作用和细胞信号转导方面的作用仍然没有完全被了解。 GPCR四重奏作为信号开关 我们对GPCRs的信号功能很感兴趣,尤其是对腺苷受体的信号功能,腺苷是最古老的激素之一。腺苷受体调节广泛的身体功能,包括能量和温度的稳态和神经递质释放。但有趣的是,它们还能调节咖啡因对咖啡和可乐饮料、茶碱和可可碱的影响。 与许多其他GPCRs一样,哺乳动物的腺苷受体是相关蛋白(A1、A2A、A2B和A3)的亚家族。除了功能单一单元(单体)外,还可以形成由若干相等(homo)或不同(杂)单体组成的高阶复合物(低聚体)。因此,我们考虑进行研究,以了解为什么GPCR二聚体/低聚体存在于自然界的原因。 目前这一发现的起源始于12年前的一次偶然发现。为了显示与Gi蛋白偶联的A1R(介导腺苷酸环化酶的抑制和cAMP的减少)与与Gs偶联的A2AR(介导腺苷酸环化酶的激活和cAMP的增加)之间缺乏相互作用,我们发现了相反的结果。A1R和A2AR确实形成异构体,其信号输出不能被解释为其组分信号的总和。这赋予了A1R-A2AR复合物能够作为腺苷浓度的敏感传感器的特性,无论是在培养的细胞中还是在大脑的神经终端中。然而,实现这一目标的机制尚不清楚。 在BMC生物学上发表的两篇文章中,我们现在已经表明腺苷传感器装置的最小单元由四个受体组成,两个A1R和两个A2AR,同时与两个G蛋白(一个Gi和一个Gs)耦合。结合实验和计算模型,提出了一种紧凑的菱形异质四聚体的整体结构。 在第二个贡献中,我们展示了传感器在分子水平工作的机理。由于A1R对激素的亲和力较高,低浓度的腺苷主要与A1R结合,参与了i介导的信号转导,显著减少了cAMP的积累(左图)。然而,在较高的浓度下,腺苷逐渐与A2AR(中间面板)结合,直到饱和浓度,随着A1R和A2AR的充分占用,由于Gs被激活而Gi被阻断,cAMP水平显著增加。我们的结构模型表明,在紧凑型四聚体中,活化的A2A受体的c端尾部阻止了Gs和Gi的同时活化,导致优先的Gs偶联。 21世纪的一个挑战是了解其他GPCR(杂)寡聚体如何影响受体的生理作用,并评估其作为治疗靶点的潜力。高等生物中的几百个GPCRs已经提供了多样性,但我们现在还需要考虑当GPCRs形成异构体时所产生的新特性。目前已鉴定的异构体的数量已达数百种,其中包括肽受体、光子受体和激素受体。显然,靶向或干扰生理相关的GPCR异构体的可能性为新药物的发现提供了新的机会。 |