G蛋白偶联受体的偏好性激活：β?肾上腺素受体与Gαi信号通路的新机制

《SCIENCE ADVANCES》：Structure and dynamics determine G protein coupling specificity at a class A GPCR

本研究聚焦于G蛋白偶联受体（GPCR）的信号偏好性问题，以β?肾上腺素受体（β?AR）为模型，揭示了其选择性激活Gαi信号通路的分子机制，为药物设计提供了新思路。

　　G蛋白偶联受体（GPCR）在细胞信号转导中扮演着关键角色，其与G蛋白的结合具有选择性，但分子机制尚不清楚。本研究以β?肾上腺素受体（β?AR）为模型，通过开发Gαi偏好性激动剂LM189，结合冷冻电镜（cryo-EM）、分子动力学模拟、电子顺磁共振（EPR）、单分子F?rster共振能量转移（smFRET）和双电子-电子共振（DEER）等技术，揭示了β?AR选择性激活Gαi信号通路的分子机制，为设计偏好性激活特定信号通路的药物提供了理论基础，具有重要的科学意义和临床应用前景。

在细胞的世界里，信号传递就像一场精心编排的舞蹈，而G蛋白偶联受体（GPCR）则是这场舞蹈的关键舞者。GPCR家族庞大，拥有超过800名成员，它们通过与四种G蛋白亚家族（Gαs、Gαi/o、Gαq/11和Gα12/13）结合，激活下游不同的信号通路，从而调节细胞的各种生理功能。然而，GPCR与G蛋白结合的选择性一直是个谜，这就好比舞者在众多舞伴中如何精准地选择与之共舞的伙伴，而这个选择过程对于细胞信号的准确传递至关重要。

β?肾上腺素受体（β?AR）是A类GPCR的典型代表，在心血管系统中发挥着重要作用。它主要与Gαs结合，激活腺苷酸环化酶，增加心率和心肌收缩力。然而，β?AR也能与Gαi结合，激活PI3K-Akt信号通路，发挥心脏保护作用。但这种与Gαi的结合相对较弱，且其分子机制尚未明确。为了解开这一谜团，研究人员将目光聚焦在了β?AR上，试图揭示其与Gαi结合的偏好性机制。

国外的研究团队通过开发一种Gαi偏好性激动剂LM189，为研究β?AR与Gαi的结合机制提供了有力工具。他们利用冷冻电镜（cryo-EM）技术，成功解析了LM189结合的β?AR-Gαi复合物的结构，分辨率达到2.9 ?。这一结构显示，与β?AR-Gαs复合物相比，β?AR-Gαi复合物在细胞内表面，尤其是ICL2、TM6和TM5区域存在显著差异。ICL2在Gαi结合时呈现出更动态的构象，而TM6的向外移动程度与Gαs结合时相似，但旋转角度略有不同。这些结构差异为理解β?AR对Gαi的偏好性提供了重要线索。

为了进一步探究这些结构差异背后的动力学机制，研究人员采用了分子动力学模拟、电子顺磁共振（EPR）、单分子F?rster共振能量转移（smFRET）和双电子-电子共振（DEER）等多种技术手段。分子动力学模拟显示，LM189结合的β?AR在配体结合口袋的构象异质性较表观肾上腺素（epinephrine）结合的β?AR更小，且ICL2的动态性增加。EPR实验结果表明，在LM189结合时，ICL2的构象更倾向于动态变化，而Gαs结合时则更倾向于形成α螺旋。smFRET和DEER实验进一步证实了LM189能够稳定一种特定的TM6构象，这种构象与Gαi结合时的构象相似，从而促进了Gαi的招募。

这些研究结果表明，β?AR与Gαi的结合偏好性是由ICL2和TM6的独特构象所决定的。ICL2的动态性和TM6的特定构象为Gαi的结合提供了有利条件，而这种构象的形成又与LM189的结合密切相关。这一发现不仅深化了我们对GPCR信号偏好性的理解，还为设计能够选择性激活特定信号通路的药物提供了重要的理论依据。通过精准调控GPCR与G蛋白的结合选择性，有望开发出更安全、更有效的药物，用于治疗心血管疾病等与GPCR信号异常相关的疾病。

在研究方法上，研究人员综合运用了多种前沿技术。首先，通过冷冻电镜技术解析了高分辨率的β?AR-Gαi复合物结构，为后续研究奠定了基础。其次，分子动力学模拟帮助研究人员在原子水平上观察受体的动力学行为，揭示了配体结合口袋和ICL2的动态变化。电子顺磁共振（EPR）技术则用于监测ICL2的构象变化，提供了关于受体内部动态过程的直接证据。单分子F?rster共振能量转移（smFRET）和双电子-电子共振（DEER）技术进一步验证了TM6构象的变化及其与Gαi结合的关系。这些技术的综合应用，使得研究人员能够从不同角度深入探究β?AR与Gαi结合的分子机制。

在研究结果方面，研究人员发现LM189结合的β?AR在配体结合口袋的构象更加稳定，ICL2的动态性增加，且能够稳定一种特定的TM6构象，这种构象有利于Gαi的结合。这些结论是通过对冷冻电镜结构的分析、分子动力学模拟的结果以及EPR、smFRET和DEER实验数据的综合解读得出的。这些发现为理解GPCR信号偏好性提供了新的视角，并为药物设计提供了新的靶点和策略。

总之，本研究通过多种技术手段揭示了β?AR选择性激活Gαi信号通路的分子机制，强调了受体构象动态性在信号偏好性中的关键作用。这一成果不仅丰富了我们对GPCR信号转导机制的认识，还为开发新型偏好性药物提供了重要的理论支持，具有重要的科学意义和潜在的临床应用价值。