第四讲-G蛋白偶联受体研究进展ppt课件

G蛋白偶联受体研究进展蛋白偶联受体研究进展G protein-coupled receptor,GPCRG protein-coupled receptor,GPCRG蛋白偶联受体研究进展G protein-coupled r1GPCRG蛋蛋白白偶偶联联受受体体(G protein-coupled receptor,GPCR),是是人人体体内内最最大大的的蛋蛋白白质质家家族族,迄迄今今已已报报道道了了近近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的的配配体体多多种种多多样样,包包括括生生物物胺胺、肽肽类类、糖糖蛋蛋白白、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。大大多多数数GPCRs通通过过G蛋蛋白白调调节节细细胞胞内内信信号号传传递递,例例如如,刺刺激激或或抑抑制制腺腺苷苷酸酸环环化化酶酶(AC)和和活活化化磷磷脂脂酶酶的的活活性性,调节钾及钙离子通道的活性。调节钾及钙离子通道的活性。有有些些GPCRs通通过过酪酪氨氨酸酸激激酶酶、Src、Stat3途途经经传传递递信信息息,与细胞增值、细胞转化有关。与细胞增值、细胞转化有关。GPCRG蛋白偶联受体(G protein-coupled 2人人类类基基因因组组测测序序表表明明,约约有有720个个基基因因参参与与了了GPCR的合成。的合成。GPCR功功能能失失调调会会导导致致许许多多疾疾病病的的产产生生,如如阿阿尔尔 茨茨 海海 默默 氏氏 症症(alzheimers)、帕帕 金金 森森 症症(Parkinson disease)、侏侏儒儒症症(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。人类基因组测序表明,约有720个基因参与了GPCR的合成。3 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末末端端,3个个胞胞外外环环(ECL1ECL3)及及34个个胞胞内内环环(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。GPCR的结构GPCR的肽链4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牛视紫红质结构的模式图胞外侧胞内侧ECLICLTM1TM75目目 前前 只只 有有 一一 种种 GPCR蛋蛋 白白 牛牛 视视 紫紫 红红 质质(bovine rhodopsin)的晶体三维结构被构建。的晶体三维结构被构建。细细胞胞质质的的末末端端区区域域通通常常被被疏疏水水残残基基所所环环绕绕,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。牛牛视视紫紫质质受受体体在在C末末端端有有一一段段短短的的螺螺旋旋,并并与与膜膜平平行行,称称之之为为TM8,可可能能对对于于受受体体的的结结构稳定起着重要的作用。构稳定起着重要的作用。一一些些亚亚家家族族受受体体间间存存在在着着一一些些相相似似的的结结构构,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。目前只有一种GPCR蛋白牛视紫红质(bovine rhod6GPCR分类分类A族族，又又称称为为视视紫紫红红质质(rhodopsin)/2肾肾上上腺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;胆胆囊囊收收缩缩肽肽、内内皮皮素素、速速激激肽肽、神神经经肽肽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、黑皮素及嗅觉受体;趋趋化化因因子子、互互补补因因子子、促促性性腺腺激激素素释释放放激激素素(GnRH)等等;褪黑激素受体及其它。褪黑激素受体及其它。GPCR分类A族，又称为视紫红质(rhodopsin)/7B族族,又又称称为为胰胰高高血血糖糖素素/血血管管活活性性肠肠肽肽/降降钙钙素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;胰胰高高血血糖糖素素、类类胰胰高高血血糖糖素素肽肽、垂垂体体腺腺苷苷酸酸环环化化酶酶活活化化肽肽、血血管管活活性性肠肠肽肽和和分分泌泌素素受受体体;Latrotoxin受体。受体。B族,又称为胰高血糖素/血管活性肠肽/降钙素受体样受体族,8C族族,又又称称为为神神经经递递质质/钙钙受受体体样样受受体体族族,分分为为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。C族,又称为神经递质/钙受体样受体族,分为5个亚族:9D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)D族真菌信息素(fungal pheromone)受体10第四讲-G蛋白偶联受体研究进展ppt课件11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族族受受体体的的N末末端端较较长长且且较较保保守守,主主要要结结合合一一些些大的配基大的配基,如胰高血糖素、分泌素等。如胰高血糖素、分泌素等。C族族受受体体的的N未未端端(大大约约600个个氨氨基基酸酸)和和C未未端端都都很很长长,在在C-与与C-间间也也由由两两个个Cys形形成成二二硫硫键键,C-环短并且高度保守。环短并且高度保守。在GPCR家族中,A族受体数目最多。12第四讲-G蛋白偶联受体研究进展ppt课件13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一一类类是是小小分分子子配配体体,小小分分子子配配体体结结合合在在受受体体跨跨膜膜螺旋形成的结合裂隙中。螺旋形成的结合裂隙中。经经典典的的小小分分子子配配体体有有肾肾上上腺腺素素(E)、去去甲甲肾肾上上腺腺素素(NE)、多多巴巴胺胺(DA)、5-羟羟色色胺胺(5-HT)、组组胺胺(His)、乙乙酰酰胆胆碱碱(Ach)、前前列列腺腺素素(PGs)、白白三三烯烯(LTs)和和嘌呤嘌呤(purine)等。等。另另一一类类是是大大分分子子肽肽类类配配体体,肽肽类类配配体体主主要要结结合合在受体的胞外结构域。在受体的胞外结构域。P物物质质、神神经经激激肽肽A、神神经经激激肽肽B、血血管管紧紧张张素素、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。配体结合域A族受体的配体结合域14B族受体的配体结合域族受体的配体结合域与与A族族的的肽肽类类配配体体类类似似,B族族受受体体的的肽肽类类配配体体结结合部位主要位于受体的合部位主要位于受体的胞外结构域胞外结构域。B族族受受体体的的N末末端端在在大大多多数数配配体体与与受受体体的的结结合合中中起起关关键键作作用用。例例如如分分泌泌素素、血血管管肠肠肽肽、胰胰高高血血糖糖素素等等肽肽类类配配体体,它它们们不不仅仅与与受受体体的的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。B族受体的配体结合域15C族受体的配体结合域族受体的配体结合域C族族受受体体的的配配体体主主要要有有谷谷氨氨酸酸、GABA和和Ca2+。这这些些配配体体虽虽然然分分子子小小,但但是是其其与与A族族小小分分子子配配体体在在受受体体上上的的结结合合部部位位不不同同,均均位位于于受受体体胞胞外外的的N末端末端。C族受体的配体结合域16第四讲-G蛋白偶联受体研究进展ppt课件17GPCRs活化的分子机制1.分子内相互作用力使分子内相互作用力使GPCRs处于静止构象处于静止构象在在没没有有激激动动剂剂时时,分分子子内内相相互互作作用用力力使使GPCRs处处于于静静止止(非非活活性性)构构象象,当当受受体体与与激激动动剂剂结结合合或或受受体体发发生生突突变变时时,破破坏坏了了受受体体分分子子内内相相互互作作用用力力,使使受受体体的的关关键键序序列列暴暴露露给给G蛋蛋白白,从从而而活活化化G蛋蛋白白。可可以以认认为为,分分子子内内相相互互作作用用力力遭遭到到破破坏坏是是GPCRs活活化化机机制制之之一一。使使受受体体易易于于在在活活性性构构象象和和非非活活性性构构象象之之间间转变。转变。2.质子化是质子化是GPCRs活化的关键活化的关键A族族受受体体ICL2上上有有一一保保守守的的DRY(Glu/Asp-Arg-Tyr)基基序序,许许多多实实验验证证明明,当当受受体体活活化化时时,其其Glu/Asp发生质子化。发生质子化。GPCRs活化的分子机制1.分子内相互作用力使GPCRs处183.GPCRs活化中的构象变化活化中的构象变化GPCRs活活化化中中的的构构象象变变化化,研研究究的的最最多多的的是是视视紫紫红红质质。多多种种光光谱谱技技术术的的研研究究结结果果表表明明,在在视视紫紫红红质质活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信号号从从活活化化受受体体传传递递给给G蛋蛋白白的的机机理理还还不不清清楚楚。实实验验证证实实,GPCRs的的ICL2和和ICL3在在与与G蛋蛋白白偶偶联联中中发发挥挥重重要要作作用用。其其中中ICL3决决定定偶偶联联G蛋蛋白白亚亚基基的特异性的特异性,ICL2决定决定G蛋白的活化蛋白的活化。3.GPCRs活化中的构象变化195.受体二聚化受体二聚化研研究究表表明明,许许多多GPCRs,包包括括视视紫紫红红质质、分分泌泌素素、谷谷氨氨酸酸受受体体等等能能形形成成二二聚聚体体。激激动动剂剂有有时时能能提提高高受受体体二二聚聚体体的的水水平平,有有时时却却降降低低或或不不改改变变受受体体二二聚聚体的水平。体的水平。受受体体二二聚聚化化的的作作用用还还不不清清楚楚,可可能能与与受受体体个个体体发发育育和受体功能的多样性有关。和受体功能的多样性有关。5.受体二聚化20GPCRs双聚化的结构基础双聚化的结构基础尽尽管管GPCRs在在分分子子结结构构上上都都有有七七个个跨跨膜膜区区,但但不不同同的的GPCRs在在细细胞胞膜膜内内外外的的结结构构却却有有较较大大的的差差别别,因因此此分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。有有的的GPCRs双双聚聚化化依依靠靠二二硫硫键键,还还原原剂剂可可以以减减弱弱或或消除双聚体形成消除双聚体形成;另另一一些些则则可可能能通通过过分分子子间间的的疏疏水水键键相相互互作作用用形形成成双聚体双聚体,可被可被SDS(二烷基硫酸钠二烷基硫酸钠)解聚。解聚。GPCRs的的双双聚聚化化可可发发生生在在胞胞外外的的N端端、跨跨膜膜区区、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。GPCRs双聚化的结构基础21例如例如mGluR5含含19个个Cys的的胞胞外外N端端,其其中中9个个在在近近膜膜区区,其其双双聚聚化化可可以以被被还还原原剂剂DTT完完全全消消除除,表表明明二二硫硫键键在在形形成成双双聚聚化化中中起起关关键键作作用用,用用胰胰蛋蛋白白酶酶水水解解除除去去受受体体胞胞外外N端端后后,则则不不再再发发生生双双聚聚化化,这这表表明明mGluR5双双聚聚化化在在胞胞外外N端端。类类似似的的受受体体还还有有GluRl和和CaR。阿阿片片受受体体有有彼彼此此同同源源性性较较高高的的DOR、受受体体(KOR)、受受体体(MOR)三三种种亚亚型。型。例如22GPCRs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属属 于于 GPCRs。GABABR又又 包包 括括 GBR1和和GBR2两种亚型。两种亚型。GBR1 GBR2表达表达功能功能受受体体间间相相互互作作用用可可促促进进受受体体蛋蛋白白合合成成后后的的转转运运和和定定位位,也也解解释释了了体体外外单单独独表表达达的的GBR1不不具具有有天天然然组组织织受受体体功功能能的的分分子子机制。机制。在在功功能能方方面面,单单独独表表达达两两受受体体,激激动动剂剂引引起起的的AC抑抑制制、35s-GTP-s结结合合、GIRK的的激激活活等等几几乎乎不不能能发发生生,而而共共表表达达后后上上述述功能明显增强。功能明显增强。用用免免疫疫共共沉沉淀淀法法发发现现两两受受体体可可通通过过C末末端端形形成成双双聚聚体体.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形成双聚体形成双聚体。GPCRs双聚化对细胞信号转导的影响23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端端的的抗抗体体在在体体外外培培养养细细胞胞和和小小鼠鼠体体内内显显示示出出较较强强的的抑抑制制HIV-1复复制制的的作作用用,而而抗抗体体与与激激动动剂剂均均可可诱诱导导CCR5双双聚聚体体的的形形成成,而而针针对对受受体体其其它它部部位位的的抗抗体体不能导致受体双聚化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。因因此此提提示示,诱诱导导CCR5的的双双聚聚化化可可以以阻阻断断HIV-1通通过过CCR5引起的感染。引起的感染。受体的双聚化有病理和药理学方面的意义246.GPCRs的失敏及内吞作用的失敏及内吞作用绝绝大大多多数数与与G蛋蛋白白相相偶偶联联的的受受体体在在激激动动剂剂的的长长期期或或反反复复刺刺激激下下都都会会出出现现反反应应性性降降低低的的现现象象称称为为失失敏敏(desensitization)。受受体体失失敏敏作作用用随随着着激激动动剂剂作作用用时时间间的的延延长长会会经经历历不不同的变化过程。同的变化过程。在在激激动动剂剂刺刺激激后后几几秒秒至至几几小小时时内内,受受体体对对刺刺激激的的反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;如如果果这这种种作作用用持持续续存存在在,会会引引起起膜膜表表面面受受体体数数量量降降低低,即发生即发生内吞内吞(internalization);甚甚至至进进一一步步发发生生不不可可逆逆的的降降解解,从从而而引引起起受受体体下下调调(down-regulation).6.GPCRs的失敏及内吞作用25大大多多数数的的GPCRs激激活活后后,在在第第二二信信使使激激酶酶或或G蛋蛋白白偶偶联联受受体体激激酶酶的的作作用用下下发发生生快快速速磷磷酸酸化化;受受体体的的磷磷酸酸化化提提高高了了其其对对arrestin(阻阻碍碍蛋蛋白白)的的亲亲和和力力,两两者者形形成成复复合合体体并并促促使使受受体体与与G蛋蛋白白解解偶偶联联;进进而而此此复复合合体体与与笼笼形形蛋蛋白白衣衣被被小小泡泡结结合合并并在在dynamin(发发动动蛋蛋白白)的的调调解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。内内吞吞后后的的受受体体可可能能发发生生两两种种变变化化:一一是是在在衣衣被被小小泡泡内内发发生生去去磷磷酸酸化化,通通过过再再循循环环回回到到胞胞膜膜表表面面,完完成成复复敏敏(resensitization);二是受体被降解二是受体被降解,发生下调。发生下调。但但 是是 有有 些些 受受 体体 在在 此此 过过 程程 中中 并并 不不 需需 要要 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。大多数的GPCRs激活后,在第二信使激酶或G蛋白偶联受体激酶26GPCRsGPinternalizationdown-regulationarrestinGPCRsarrestinGPresensitizationdynaminenzymeGPCRsinternalizationdown-regul27与受体磷酸化相关的激酶与受体磷酸化相关的激酶GPCRs被被配配体体激激活活后后,在在激激发发下下游游信信号号转转导导通通路路的的同同时时,GPCRs本本身身也也会会发发生生快快速速的的磷磷酸酸化化,作作用用于于受受体体的的蛋白激酶家族已知有两种蛋白激酶家族已知有两种:第第二二信信使使激激酶酶：包包括括cAMP依依赖赖的的蛋蛋白白激激酶酶(PKA)、蛋蛋白白激激酶酶C(PKC)等等,其其中中PKA主主要要作作用用于于Gs偶偶联联受受体体,而而PKC则则作作用于用于Gq偶联受体偶联受体;GPCRs激激酶酶(G protein-coupled receptor kinases,GRKs)：主主要要作作用用于于经经典典的的信信号号反反馈馈调调节节通通路路,介介导导第第二二信信使使系系统统间间的相互对话。的相互对话。GRKs有有六六种种:视视紫紫红红质质激激酶酶(GRK2)、肾肾上上腺腺素素受受体体激激酶酶(GRKs)的的两两种种异异型型体体(GRK1和和GRK3)、遗遗传传性性慢慢性性舞舞蹈蹈病病患患者者4号号染染色色体体中中克克隆隆出出的的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.与受体磷酸化相关的激酶28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视紫紫红红质质激激酶酶和和-肾肾上上腺腺素素受受体体激激酶酶存存在在于于胞胞质质中中,但但它它们们的的作作用用底底物物却却在在胞胞膜膜上上,因因此此,他他们们发发挥挥作作用用时时必须由胞质向胞膜发生必须由胞质向胞膜发生移位移位(translocation)。视视紫紫红红质质激激酶酶发发生生移移位位的的主主要要机机制制：其其C末末端端的的Cys发发生生异异戊戊二二烯烯化化(isoprenylation),使使得得C末末端端水水解解,最最终终导导致致激激酶酶由由胞胞质质向向胞胞膜膜移移位位。如如将将C末末端端的的Cys点点突突变变为为Ser,异异戊戊二二烯烯化化被被阻阻断断,视视紫紫红红质质激激酶酶的的作作用用随随之降低。之降低。-肾肾上上腺腺素素受受体体激激酶酶的的移移位位机机制制：激激酶酶本本身身并并不不发发生生异异戊戊二二烯烯化化,而而是是与与受受体体相相偶偶联联的的G蛋蛋白白发发生生异异戊戊二二烯烯化化。受受体体被被激激活活后后,G蛋蛋白白的的、亚亚基基可可激激活活-肾肾上上腺腺素素受受体体激激酶酶,同同时时亚亚基基也也发发生生异异戊戊二二烯烯化化,进进而而对对激酶接近胞膜上的受体起易化作用。激酶接近胞膜上的受体起易化作用。受体磷酸化激酶的作用机制29arrestin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最最重重要要的的作作用用是是促促使使激激活活的的、磷磷酸酸化化的的受受体体与与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。arrestin蛋白、笼形蛋白与笼形蛋白衣被30内吞的可能机制内吞的可能机制衣衣被被复复合合体体主主要要有有三三类类:衣衣被被蛋蛋白白I(Coat protein-I,cop-)、衣衣被被蛋蛋白白(Coat protem-,cop)和和笼笼形形蛋蛋白白(clathrin)。衣衣被被蛋蛋和和衣衣被被蛋蛋白白主主要要参参与与小小泡泡在在高高尔尔基基复复合合体体和和内内质质网网之之间间的的转转运运;笼笼形形蛋蛋白白则则主主要要参参与与液液相相物物质质和和受受体体由由胞胞膜膜以以及及反反向向高高尔尔基基网网(transGolginet-work,TGN)向向内涵体内涵体(endosome)的转运。的转运。内内吞吞后后的的受受体体隐隐没没于于内内涵涵体体。内内涵涵体体中中的的磷磷酸酸酶酶在在酸酸性性条条件件下下可可以以特特异异地地引引起起磷磷酸酸化化的的受受体体去去磷磷酸酸化化,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。这这一一过过程程与与受受体体的的失失敏敏和和内内吞吞一一样样,G蛋蛋白白受受体体激激酶酶,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。内吞的可能机制31GPCRs的活化模式1.二态模式二态模式受受体体处处在在非非活活性性构构象象(R)与与活活性性构构象象(R*)的的平平衡衡之之中中,即即RR*。在在没没有有激激动动剂剂的的情情况况下下,R占占绝绝大大多多数数,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*。激激动动剂剂与与R*有有很很强强的的亲亲和和力力,使使平平衡衡发发生生移移动动,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。中中性性拮拮抗抗剂剂与与R及及R*有有相相同同的的亲亲和和力力,因因此此不不能能改变平衡。改变平衡。GPCRs的活化模式1.二态模式322.多态模式多态模式受受体体自自发发地地在在多多个个活活性性和和非非活活性性构构象象之之间间变变化化,因因而而配配体体引引起起的的生生物物效效应应取取决决于于配配体体高高亲亲和和力力结结合合的受体构象。的受体构象。如如果果与与G蛋蛋白白偶偶联联的的受受体体构构象象是是活活性性的的,那那么么该该配体则作为激动剂；配体则作为激动剂；如如果果受受体体的的构构象象是是非非活活性性的的,则则配配体体作作为为拮拮抗抗剂剂与受体结合。与受体结合。2.多态模式333.“顺序结合和构象选择顺序结合和构象选择”模式模式受受体体自自发发地地在在不不同同的的构构象象(非非活活性性R和和活活性性R*)之之间间转转变变,激激动动剂剂不不是是一一步步直直接接与与R*结结合合,而而是是按按一一定定顺顺序序结结合合,因因此此在在R和和R*之之间间产产生生了了一一系系列列的的中中间间构象构象(R和和R)。R R R R*开开始始,激激动动剂剂的的一一个个结结构构基基团团与与受受体体相相互互作作用用,然然后后TM的的结结构构域域自自发发地地运运动动,激激动动剂剂的的其其他他基基团团按按顺顺序序地地与与受受体体作作用用,每每一一次次相相互互作作用用稳稳定定了了一一个个或或多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*。3.“顺序结合和构象选择”模式34GPCR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在非非活活性性状状态态下下,GPCRs与与GP解解偶偶联联,而而在在活活性性状状态态下下,GPCRs结合并激活结合并激活GP。固固有有活活性性：一一个个GPCR在在缺缺乏乏激激动动剂剂的的条条件件下下,自自发发地地产产生生构构型型变变化化,从从失失活活状状态态构构型型转转变变为为激激活活状状态态构构型的能力。型的能力。R R*激激动动剂剂：能能稳稳定定GPCR与与激激活活状状态态(R*),促促使使反反应应平平衡向衡向R*状态转构。状态转构。R R*反反相相激激动动剂剂：能能稳稳定定GPCR于于失失活活状状态态(R),促促使使反反应应平衡向平衡向R状态转构。状态转构。R R*拮拮抗抗剂剂：不不改改变变反反应应平平衡衡状状态态,但但能能阻阻断断激激动动剂剂的的刺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。GPCR固有活性研究与新药开发1GPCR固有活性及反相激动35RR*Full Agonist Agonist Antagonist Partial inverse agonist Full inverse agonistThe two state-model of GPCR activationRR*Full Agonist Agonist Antago36激激动动剂剂增增加加基基础础G蛋蛋白白及及效效应应系系统统活活性性,拮拮抗抗剂剂对对基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激动剂增加基础G蛋白及效应系统活性,拮抗剂对基础活性无效应,372G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大约约有有50%具具有有固固有有活活性性的的GPCR偶偶联联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;主主要要是是Gq和和Gs调调节节的的固固有有活活性性与与疾疾病病发发生生相相关关。但但实实际际上上很很多多偶偶联联Gi/Go的的GPCR与与疾疾病病发发生生有有重重要要关关系系。因因此此,在在缺缺乏乏激激动动剂剂条条件件下下,GPCR自自发发的的产产生生构构型型变变化化是是否否改改变变GPCR对对不不同同G蛋蛋白白亲亲和和力力,或或者者说说这这种种自自发发性性构构型型变变化化是是否否会会改改变变G蛋蛋白白偶偶联联是是非非常常重重要要的问题。的问题。2G蛋白偶联受体固有活性研究进展38G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受体体的的固固有有活活性性会会随随着着受受体体在在细细胞胞中中的的表表达达量量的的增增加加而而增增加加,随随着着受受体体表表达达量量的的相相应应增增加加,受受体体对对于于激激动动剂剂的的反反应应(效效价价和和效效能能都都增增加加)以以及及无无激激动动剂剂条条件件下下受受体的固有活性也增加。体的固有活性也增加。用用不不同同浓浓度度的的肾肾上上腺腺素素受受体体cDNA瞬瞬时时转转染染载载黑黑素素细细胞胞,随随着着受受体体的的表表达达量量的的增增加加,NPY2、NPY4、CXCR4和和CCR5的的固固有有活活性性和和对对激激动动剂剂反反应应增增加加。产产生生固固有有活活性性的的这这些些受受体体和和抑抑制制性性G蛋蛋白白的的特特性性都都用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。G蛋白偶联受体固有活性与受体表达水平关系39GPCR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的关系具具有有固固有有活活性性的的GPCR大大多多数数都都能能形形成成同同源源或或异异源源二二聚聚体体,二二聚聚体体形形成成与与固固有有活活性性之之间间的的关关系系是是非非常常值值得得探探讨讨的的问问题题。目目前前有有一一些些二二聚聚体体形形成成和和固固有有活活性性关关系系研研究究报报道道,但但结结论论并并不不一一致致。大大部部分分受受体体二二聚聚化化与与固固有有活活性性水水平平正正相相关关,但但也也有有例例外外,如如趋趋化化因因子子甲甲酸酸甲甲壳壳胺胺酸酸苯苯丙丙酸酸受受体体(The human formyl peptide receptor)和和补补体体C5a受受体体虽虽然然具具高高固固有有活活性性,但但是是一一旦旦形成二聚体形成二聚体,固有活性就几乎消失。固有活性就几乎消失。这这些些可可以以解解释释为为GPCR形形成成二二聚聚体体后后可可能能会会引引起起受受体体构构型型的的变变化化,或或形形成成有有利利于于自自发发的的偶偶联联G蛋蛋白白的的构构型型,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。GPCR同源或异源二聚体与固有活性的关系40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慢性性暴暴露露-和和-阿阿片片受受体体或或2肾肾上上腺腺素素受受体体于于它它们们的的选选择择性性激激动动剂剂,增增加加这这些些受受体体的的固固有有活活性性,并并且且使使一一些些原原来来表表现现出出部部分分激激动动剂剂或或中中性性拮拮抗抗剂剂性性质质的的化化合合物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。阿阿片片类类慢慢性性处处理理导导致致的的-阿阿片片受受体体自自发发性性激激活活增增加加可可能能与与阿阿片片类类依依赖赖发发生生有有密密切切关关系系,提提示示-阿阿片片受受体体固固有有活活性性抑抑制制剂剂可可能能是是寻寻找找和和发发现现阿阿片片类类成成瘾瘾治治疗疗药药物的方向之一。物的方向之一。激动剂暴露对GPCR固有活性的作用41G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许多多有有固固有有活活性性的的野野生生型型G蛋蛋白白偶偶联联受受体体是是那那些些神神经经递递质质包包括括去去甲甲肾肾上上腺腺素素、5羟羟色色胺胺、褪褪黑黑素素、多多巴巴胺胺、乙乙酰酰胆胆碱碱、组组胺胺、腺腺苷苷、阿阿片片肽肽、神神经经激激肽肽、谷谷氨氨酸的受体。酸的受体。这这些些发发现现提提示示神神经经递递质质的的G蛋蛋白白偶偶联联受受体体的的固固有有活活性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。G蛋白偶联受体固有活性与基础神经活性的关系42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病理理性性以以及及人人工工诱诱变变的的固固有有活活性性直直接接导导致致疾疾病病的的发发生。例如：生。例如：将将人人工工诱诱变变的的固固有有活活性性激激活活的的,-去去甲甲肾肾上上腺腺素素表表达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。固固有有活活性性激激活活的的KSHV-GPCR突突变变体体与与卡卡波波氏氏肉肉瘤瘤的的发生有密切关系。发生有密切关系。固固有有活活性性激激活活的的PTH-PTHrPR的的突突变变体体在在软软骨骨发发育育异常疾病中有重要的作用。异常疾病中有重要的作用。先先天天性性夜夜盲盲、家家族族性性甲甲亢亢、低低血血钙钙等等疾疾病病分分别别与与固固有有活活性性激激活活的的视视紫紫红红质质受受体体、TSH受受体体、钙钙受受体体突突变体有关。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。固有活性激活的GPCR突变体与疾病的关系433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根据据两两态态模模型型,G蛋蛋白白偶偶联联受受体体固固有有活活性性上上调调,反反相相激激动动剂剂的的抑抑制制效效应应相相应应增增加加,而而反反相相激激动动剂剂作作用用各各种种野野生生型型G蛋蛋白白偶偶联联受受体体的的效效应应分分析析更更进进一一步步证证实实了了两两态态模型。模型。反反相相激激动动剂剂与与G蛋蛋白白偶偶联联受受体体固固有有活活性性的的这这种种关关系系,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。现现在在反反相相激激动动剂剂已已经经成成为为了了研研究究受受体体固固有有活活性性的的经经典工具。典工具。3反相激动剂与固有活性研究44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。例例如如,阿阿片片受受体体的的反反相相激激动动剂剂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。反反相相激激动动剂剂对对于于具具固固有有活活性性的的G蛋蛋白白偶偶联联受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蛋蛋白白偶偶联联受受体体的的反反相相激激动动剂剂可可用用于于治治疗疗卡波济肉瘤。卡波济肉瘤。反反相相激激动动剂剂对对TSHR和和LHR的的作作用用可可分分别别用用来来治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。相当多的G蛋白偶联受体具有反相激动剂。454GPCR固有活性与新药开发固有活性与新药开发在在固固有有活活性性激激活活受受体体筛筛选选模模型型中中,主主要要采采用用CART(Constitutively activating receptor technology)技术。技术。(A)用用受受体体过过表表达达,或或G蛋蛋白白胞胞内内胞胞外外环环分分子子结结构构突突变变产产生生的的G蛋蛋白白偶偶联联受受体体的的CART激激活活,来来建建立立达达到到一一定定水平的受体固有活性。水平的受体固有活性。(B)转转染染CART激激活活的的受受体体入入哺哺乳乳动动物物细细胞胞,从从而而使使表表达达在在细细胞胞表表面面的的受受体体产产生生CART激激活活。而而突突变变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)分分析析含含有有CART激激活活的的G蛋蛋白白偶偶联联受受体体的的细细胞胞,检检测测它它们们的的生生物物反反应应,并并利利用用这这一一系系列列的的生生物物反反应应来来开开发发相相关关的的功功能能分分析析阵阵列列。筛筛选选靶靶向向含含有有CART激激活活G蛋蛋白白受受体体细细胞胞或或细细胞胞膜膜的的小小分分子子化化合合物物库库,来来鉴鉴定定与与这这些些受受体体相相互互作作用用的的小小分分子子化化合合物物。用用各各种种功功能能分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。4GPCR固有活性与新药开发46General process of CART(A)(B)(C)General process of CART(A)(B)(47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信信号号转转导导系系统统中中,除除受受体体、G蛋蛋白白和和效效应应器器外外,还还有有其其他他蛋蛋白白与与G蛋蛋白白相相互互作作用用影影响响GTP循循环环,调调节节受体信号转导途径。受体信号转导途径。G蛋蛋白白信信号号的的调调节节物物质质(RGS)是是能能够够通通过过G蛋蛋白白调调节节信信号号转转导导的的蛋蛋白白家家族族。部部分分RGS具具有有激激活活GTP酶酶活活性性的的功功能能,也也称称为为GTP酶酶激激活活蛋蛋白白(GAP),能能增增强强GTP酶酶活活性性,减减少少由由于于受受体体激激活活介介导导的的信信号号过过程程,进进而而削削弱弱激动剂的作用。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,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。与G蛋白偶联受体相关的药物作用与治疗1RGS调节药物48目目 前前,已已 经经 确确 认认 了了 RGS的的 几几 个个 家家 族族 成成 员员,其其 中中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。目前,已经确认了RGS的几个家族成员,其中RGS7,RGS4492GPCR信号的精细调节信号的精细调节GPCR的的数数量量很很多多,但但效效应应蛋蛋白白数数量量和和信信号号转转导导通通路路非非常常有有限限,因因此此,维维持持多多样样化化的的细细胞胞功功能能必必然然存存在在着着某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。精精细细调调节节可可能能与与GPCR和和G蛋蛋白白偶偶联联的的特特异异性性、膜膜组组构、信号途径的互相调节有关。构、信号途径的互相调节有关。一一种种GPCR可可能能与与几几种种G蛋蛋白白偶偶联联,例例如如,2A-肾肾上上腺素能受体分别与腺素能受体分别与Gi,Gs,Gq偶联偶联;相相反反,不不同同的的GPCR可可能能与与同同一一个个代代谢谢途途径径、同同一一类类型型的的G蛋蛋白白偶偶联联,如如5-HT2A和和毒毒蕈蕈碱碱型型乙乙酰酰胆胆碱碱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。2GPCR信号的精细调节50信信号号途途径径互互相相调调节节是是指指信信号号转转导导通通路路之之间间可可能能存存在在的的相相互互作作用用,激激活活或或抑抑制制某某种种受受体体可可以以调调节节其其他他受受体体的反应。的反应。临临床床上上,抑抑郁郁症症、帕帕金金森森病病的的发发病病机机制制都都与与信信号号途途径径的相互作用有关。的相互作用有关。膜膜组组构构指指不不同同GPCR和和G蛋蛋白白定定位位于于特特定定的的细细胞胞膜膜微微结构域结构域,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与相相同同G蛋蛋白白偶偶联联的的两两种种受受体体的的信信号号并并不不会会出出现现叠加。叠加。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,激活51激激动动剂剂定定向向的的信信号号转转导导(ADTRS)理理论论认认为为,激激活活GPCR后后,只只能能选选择择性性刺刺激激某某一一种种G蛋蛋白白亚亚型型,激激活活一一种种代代谢谢途途径径,这这可可能能是是由由于于不不同同的的受受体体活活性性状状态态激激活活不同的不同的G蛋白造成的。蛋白造成的。只只选选择择性性激激活活一一种种受受体体活活性性状状态态的的激激动动剂剂，被被称称作作配配体体选选择择性性激激动动剂剂或或受受体体活活性性状状态态选选择择性性激激动动剂剂。药药物物不不仅仅对对受受体体亚亚型型有有选选择择性性,而而且且对对同同一一受受体体介介导导的的代代谢谢途途径径也也有有选选择择性性,能能激激活活有有利利的的代代谢谢途途径径,阻阻断断不利的代谢途径。不利的代谢途径。与与ADTRS有有关关的的另另一一个个新新的的概概念念是是变变构构激激动动作作用用,这这种种特特殊殊的的激激动动作作用用是是指指在在不不同同系系统统中中激激动动剂剂作作用用于于同同一一受受体体,既既可可能能产产生生激激动动作作用用也也可可能能产产生生反反向向激激动动作用。作用。激动剂定向的信号转导(ADTRS)理论认为,激活GPCR后,52受受体体的的功功能能还还可可通通过过受受体体转转运运得得到到调调节节,经经典典的的受受体体转转运运包包括括激激动动剂剂诱诱导导的的GPCR激激活活、受受体体脱脱敏敏、受受体体内吞和受体再循环。内吞和受体再循环。阿阿片片、致致幻幻剂剂的的药药物物渴渴求求行行为为与与阿阿片片受受体体的的转转运运有有关关;长长期期使使用用抗抗抑抑郁郁药药、抗抗精精神神病病药药都都与与5-HT2A受受体体下下调有关调有关;调调节节多多巴巴胺胺受受体体转转运运的的药药物物对对于于帕帕金金森森病病亦亦具具有有治治疗作用。疗作用。受体的功能还可通过受体转运得到调节,经典的受体转运包括激动剂53受受体体脱脱敏敏和和下下调调是是可可分分的的,药药物物可可以以引引起起受受体体失失敏敏,但但不一定诱发受体下调不一定诱发受体下调;受受体体内内吞吞对对失失敏敏受受体体的的去去磷磷酸酸化化和和再再循循环环是是必必要要的的,因因此此,抑抑制制受受体体内内吞吞但但不不影影响响受受体体脱脱敏敏的的药药物物会会使使处处于失敏状态的受体数量增加于失敏状态的受体数量增加,例例如如,吗吗啡啡和和芬芬太太尼尼会会使使脱脱敏敏的的阿阿片片受受体体大大量量增增加加。吗吗啡啡和和埃埃托托啡啡处处理理小小鼠鼠7 d后后导导致致耐耐受受的的产产生生,但但只只有有埃埃托托啡啡能能使使受受体体下下调调,表表明明阿阿片片受受体体激激动动剂剂对对转转运运蛋蛋白的调节方式是不同的。白的调节方式是不同的。受体脱敏和下调是可分的,药物可以引起受体失敏,但不一定诱发受54GPCR的的信信号号转转导导精精细细调调节节的的另另一一个个机机制制是是GPCR的的二二聚聚化化和和寡寡聚聚化化。受受体体二二聚聚化化对对激激动动剂剂的的有有效效结结合合和信号转导甚至产生新的药物结合位点都是必需的。和信号转导甚至产生新的药物结合位点都是必需的。受体间既可形成受体间既可形成同源二聚体同源二聚体,也能形成也能形成异源二聚体异源二聚体例例如如腺腺苷苷A1受受体体可可以以与与多多巴巴胺胺D1受受体体形形成成二二聚聚体体,因因此此,腺腺苷苷受受体体也也有有可可能能成成为为治治疗疗帕帕金金森森病病的的药药物物新靶点。新靶点。GPCR的信号转导精细调节的另一个机制是GPCR的二聚化和寡55药药物物反反应应的的个个体体化化与与群群体体化化可可能能是是由由于于基基因因的的多多型型性造成的。性造成的。受体存在基因多型性受体存在基因多型性,如如1和和2-受体、受体、5-HT2C受体。受体。对对纯纯合合子子2-肾肾上上腺腺素素能能受受体体遗遗传传密密码码子子16Arg/Arg的的病人应尽早高强度地进行抗炎治疗。病人应尽早高强度地进行抗炎治疗。氟氟西西汀汀可可以以引引起起小小鼠鼠mRNA的的剪剪接接发发生生变变化化,从从而而对对抗抑郁的产生。抗抑郁的产生。在在高高血血压压病病人人、型型假假性性甲甲状状旁旁腺腺功功能能减减退退的的病病人人都都发现了发现了G蛋白的突变。蛋白的突变。药物反应的个体化与群体化可能是由于基因的多型性造成的。56GPCRs配配体体的的多多样样性性决决定定了了其其活活化化机机制制的的复复杂杂性性。GPCRs不不仅仅仅仅是是简简单单的的开开关关装装置置,而而是是高高度度动动态态结结构构,处处于于非非活活性性和和活活性性构构象象的的平平衡衡之之中中。不不仅仅激激动动剂剂,而而且拮抗剂也能调节受体功能。且拮抗剂也能调节受体功能。GPCRs是是一一大大类类具具有有重重要要生生理理功功能能的的受受体体,GPCRs失失敏敏与与许许多多疾疾病病和和病病理理生生理理过过程程有有着着密密切切的的联联系系,例例如如阿阿片片类类药药物物的的耐耐受受和和依依赖赖与与阿阿片片受受体体的的失失敏敏和和内内吞吞关关系系密密切切,受受体体的的失失敏敏与与内内吞吞对对受受体体功功能能的的调调节节非非常常重要重要GPCRs配体的多样性决定了其活化机制的复杂性。GPCRs不57