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清华大学又1篇Nature!首次报道beta2肾上腺素受体胞内别构拮抗剂的工作机理

2017/08/20 来源:结构生物学高精尖创新中心
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导读
8月17日,清华大学医学院、结构生物学高精尖创新中心Brian Kobilka研究组在《自然》(Nature)期刊在线发表题为《利用X射线晶体结构揭示beta2肾上腺素受体胞内别构拮抗剂的工作机理》的文章。


本文转载自“结构生物学高精尖创新中心”,原标题:Brian Kobilka研究组《自然》发文报道beta2肾上腺素受体胞内别构拮抗剂的工作机理。

8月17日,清华大学医学院、结构生物学高精尖创新中心Brian Kobilka研究组在《自然》(Nature)期刊在线发表题为《利用X射线晶体结构揭示beta2肾上腺素受体胞内别构拮抗剂的工作机理》的文章 (Mechanism of intracellular allosteric β2AR antagonist reveled by X-ray crystal structure)。首次报道了beta2肾上腺素受体同时结合正构拮抗剂卡拉洛尔(carazolol)与胞内别构拮抗剂Cmpd-15的复合物结构。该成果对G蛋白偶联受体别构调节物的研发具有指导意义。

G蛋白偶联受体是一类具有七次跨膜结构的膜蛋白受体。这类受体可以感知包括气味分子、激素、神经递质、趋化因子等信号,从而调节生理反应。G蛋白偶联受体是一类重要的药物靶标,大约30%的商业化药物以G蛋白偶联受体作为靶点。由于对GPCR结构和功能研究的杰出贡献,Brian Kobilka教授和Robert Lefkowitz教授分享了2012年的诺贝尔化学奖。

传统上针对GPCR的药物研发工作主要以其正构底物结合位点(即天然底物结合位点)为靶点。这类正构底物结合位点在不同亚型的GPCR之间往往非常保守。例如在人体中一共有九个肾上腺素受体,它们都可以被肾上腺素激活,所以其正构底物结合位点十分相似。这就导致研发出的药物往往对不同亚型的特异性不够,造成药物副作用。别构调节物指的是不结合在GPCR正构底物结合位点的小分子化合物。其结合位置通常保守性较低,因此有可能具有更好的特异性。目前报道的GPCR结构大多数都是结合了正构拮抗剂,只有极少数结构里面结合了别构调节物。Brian Kobilka教授自从在清华大学建立实验室以来,一直保持和世界上不同实验室合作,共同研发GPCR的别构调节物,并利用结构生物学的方法研究别构调节物发挥功能的分子机理。

第15号化合物(Compound 15, Cmpd-15)是Robert Lefkowitz研究组利用亲和筛选的方式,从DNA编码的小分子化合物库里面鉴定出来的一个beta2肾上腺素受体别构拮抗剂 (Ahn, S. et al. 2017)。生化实验表明Cmpd-15可能穿过细胞膜,结合在beta2肾上腺素受体的胞内位置。Beta肾上腺素受体的正构拮抗剂,即乙型阻滞剂(beta-blocker)是一类极为重要的处方药。而Cmpd-15是第一个别构型的乙型阻滞剂,其重要性不言而喻。


图1 beta2肾上腺素受体结合正构拮抗剂卡拉洛尔(carazolol)与胞内别构拮抗剂Cmpd-15的复合物结构

在这项工作中,Brian Kobilka研究组利用一个beta2肾上腺素受体和T4溶菌酶的融合蛋白(β2AR-T4L)进行晶体学研究。研究初期利用β2AR-T4L与Cmpd-15共结晶,获得了2.5埃的晶体数据。但是由于Cmpd-15溶解性很差,在结晶条件中最高只能加到200uM。在晶体数据里虽然看到胞内部分有很弱的电子密度,但是无法准确判断Cmpd-15的结合方式。后来合作研究组对Cmpd-15进行了修饰,在其上加入一个羧酸聚乙二醇基团以提高其溶解度。改造后的小分子即为Cmpd-15PA。Brian Kobilka研究组又获得了β2AR-T4L与Cmpd-15PA复合物2.7埃的晶体结构。其晶体数据清楚的揭示了Cmpd-15的结合方式,羧酸聚乙二醇基团在晶体中处于柔性不可见的状态。Cmpd-15结合在跨膜螺旋1、2、6、7的胞内端与胞内环1以及螺旋8形成的底物口袋。结构分析、分子动态模拟以及生化实验结果表明Cmpd15通过两种方式形成功能。一是通过稳定跨膜螺旋6,将beta2肾上腺素受体稳定在非激活状态,从而影响正构底物的亲和力。二是直接与下游信号蛋白如G蛋白或者arrestin竞争,干扰下游信号传导。

值得注意的是2016年12月《自然》上曾经报道了两个趋化因子受体CCR2和CCR9与各自胞内别构调节物的复合物结构(Zheng, Y. et al. 2016, Oswald, C. et al. 2016)。尽管小分子的化学结构很不一样,和小分子相互作用的氨基酸序列也不保守,但是本工作中β2AR上的Cmpd15结合区域和趋化因子受体上的别构调节物结合区域在结构上很接近,都是由跨膜螺旋1、2、6、7的胞内部分组成。这表明该位置可能在不同类型的GPCR里面都可以作为别构调节物结合口袋,本工作对针对其他GPCR的别构药物研发工作具有指导意义。

本工作是清华大学医学院、结构生物学高精尖创新中心、斯坦福大学医学院分子与细胞生理学系Brian Kobilka教授与杜克大学Robert Lefkowitz教授、常州大学陈新教授以及斯坦福大学Ron Dror教授共同合作的成果。其中Brian Kobilka教授实验室负责结构生物学工作、Robert Lefkowitz教授实验室负责生化实验工作、陈新教授实验室负责化学合成工作,Ron Dror教授实验室负责分子动态模拟工作。Brian Kobilka 教授与Robert Lefkowitz教授为本文的共同通讯作者。医学院助理研究员刘翔宇博士与杜克大学Seungkirl Ahn博士为本文的共同第一作者。本课题得到北京市结构生物学高精尖创新中心的资助。衍射数据收集得到日本Spring-8同步辐射光源的支持和协助。

原文链接:

http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature23652.html

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