張浩楠，吳蓓麗

中國(guó)科學(xué)院上海藥物研究所中科院受體重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201023

G蛋白偶聯(lián)受體的結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究

張浩楠，吳蓓麗?

中國(guó)科學(xué)院上海藥物研究所中科院受體重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201023

G蛋白偶聯(lián)受體(G protein-coupled receptor, GPCR)在細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)過(guò)程中發(fā)揮關(guān)鍵作用，其三維結(jié)構(gòu)的解析對(duì)于深入理解GPCR的結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系具有重要意義。2000年以前，GPCR的高分辨率結(jié)構(gòu)解析一直是困擾科學(xué)家們的一個(gè)難題。近年來(lái)，GPCR的結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究實(shí)現(xiàn)了飛躍式的發(fā)展。本文簡(jiǎn)要綜述了GPCR結(jié)構(gòu)解析的方法與創(chuàng)新點(diǎn)，并以CCR5和P2Y1R兩種受體的結(jié)構(gòu)解析為例闡述GPCR結(jié)構(gòu)對(duì)于功能研究和藥物研發(fā)的重要性。

G蛋白偶聯(lián)受體；晶體結(jié)構(gòu)；CCR5；P2Y1R

生物體內(nèi)包含一系列復(fù)雜而精細(xì)的生理信號(hào)傳導(dǎo)通路，形成龐大的信號(hào)傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)，參與調(diào)節(jié)各項(xiàng)生理平衡從而保證生物體內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)。其中，GPCR參與了生物體內(nèi)大部分的生理活動(dòng)和信號(hào)調(diào)節(jié)，是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最大的受體超家族，由超過(guò)1 000種受體蛋白組成。GPCR具有七次跨膜螺旋結(jié)構(gòu)，其胞外區(qū)域結(jié)合細(xì)胞外信號(hào)分子(氣味、激素、神經(jīng)遞質(zhì)等)，胞內(nèi)區(qū)域招募并結(jié)合下游信號(hào)分子[1](G蛋白或β-arrestin效應(yīng)蛋白、第二信使等)。下游信號(hào)分子主要通過(guò)cAMP信號(hào)通路和磷脂酰肌醇信號(hào)通路參與調(diào)節(jié)體內(nèi)多項(xiàng)生理活動(dòng)。GPCR功能失調(diào)會(huì)導(dǎo)致多種疾病的產(chǎn)生，如心腦血管疾病、代謝疾病、神經(jīng)相關(guān)性疾病、視覺(jué)相關(guān)疾病、炎癥、免疫性疾病以及癌癥等，因此GPCR是人體內(nèi)重要的藥物靶標(biāo)[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前已上市的藥物中有40%以上作用于GPCR，其中著名的藥物包括奧氮平、氯雷他定、雷尼替丁、替加色羅等。

根據(jù)GPCR氨基酸序列的相似性，可將該受體家族分為四個(gè)亞家族，分別是類(lèi)視紫紅質(zhì)受體(A家族)、分泌素受體和粘附素受體(B家族)、代謝性谷氨酸受體(C家族)和味覺(jué)受體(F/TAS家族)[3]。其中A家族包含的受體數(shù)量最多，超過(guò)700個(gè)，調(diào)節(jié)人體內(nèi)大部分的生理活動(dòng)，是人體內(nèi)參與調(diào)節(jié)信號(hào)通路最多的GPCR亞家族。

1 GPCR結(jié)構(gòu)解析中的方法與創(chuàng)新

由于蛋白表達(dá)量低、穩(wěn)定性差、多種構(gòu)象共存等原因，GPCR的結(jié)構(gòu)解析一直是極具挑戰(zhàn)性的科學(xué)難題。直到2000年，第一個(gè)哺乳動(dòng)物體內(nèi)GPCR——牛視紫紅質(zhì)蛋白的結(jié)構(gòu)被成功解析，人類(lèi)第一次在原子水平看到了GPCR的三維結(jié)構(gòu)[4]。盡管如此，成功解析一個(gè)GPCR結(jié)構(gòu)仍需要攻克在蛋白表達(dá)、純化和結(jié)晶過(guò)程中的許多難題。隨著近年來(lái)膜蛋白研究技術(shù)的發(fā)展，GPCR的結(jié)構(gòu)研究得到了突破性的進(jìn)展[5]。下文將簡(jiǎn)單闡述GPCR結(jié)構(gòu)解析中的主要方法與創(chuàng)新點(diǎn)。

1.1 GPCR蛋白表達(dá)

GPCR在生物體內(nèi)表達(dá)量低，從天然組織中難以獲得足夠量的GPCR蛋白用于結(jié)構(gòu)解析。為了得到足夠量的GPCR蛋白樣品進(jìn)行蛋白結(jié)晶實(shí)驗(yàn)，必須使用重組蛋白表達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行蛋白表達(dá)。常用于蛋白表達(dá)的系統(tǒng)主要包括大腸桿菌(E. coli)、酵母、昆蟲(chóng)細(xì)胞和哺乳動(dòng)物細(xì)胞[6]。大部分結(jié)構(gòu)已解析的GPCR使用昆蟲(chóng)細(xì)胞表達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行蛋白表達(dá)。該表達(dá)系統(tǒng)與大腸桿菌表達(dá)系統(tǒng)相比，蛋白翻譯后修飾比較接近哺乳動(dòng)物細(xì)胞水平，可以更好地模擬人體細(xì)胞內(nèi)的天然環(huán)境，并且可以高量表達(dá)目的蛋白[7]。雖然哺乳動(dòng)物細(xì)胞更接近人源細(xì)胞，但哺乳動(dòng)物細(xì)胞表達(dá)蛋白的糖基化修飾復(fù)雜，增加了后續(xù)實(shí)驗(yàn)中去除糖基的難度，而去除糖基化不充分將會(huì)阻礙GPCR蛋白分子在脂立方相中的規(guī)則排列，影響其堆積形成晶體。以上問(wèn)題成為哺乳動(dòng)物細(xì)胞表達(dá)系統(tǒng)用于GPCR結(jié)構(gòu)解析的限制因素。在酵母細(xì)胞表達(dá)系統(tǒng)中，蛋白的N-糖基化修飾不同于昆蟲(chóng)細(xì)胞[8]，而以往研究表明正確的N-糖基化對(duì)于GPCR的正常表達(dá)及運(yùn)輸上膜非常必要[9-10]。因此，昆蟲(chóng)細(xì)胞是目前最常用于GPCR蛋白表達(dá)的表達(dá)系統(tǒng)。

1.2 GPCR蛋白穩(wěn)定性的提高

GPCR作為膜蛋白，其大部分分子表面疏水性強(qiáng)，在水溶液中易聚沉[11]，因此采用去污劑包裹GPCR蛋白分子的疏水部分形成微團(tuán)以防止其聚集[12]。即使在去污劑包裹的微團(tuán)里，GPCR分子的構(gòu)象依然很不穩(wěn)定，可處于多種構(gòu)象狀態(tài)，阻礙了晶體形成。獲得高穩(wěn)定性的GPCR蛋白樣品是解析其結(jié)構(gòu)的先決條件。

提高GPCR蛋白穩(wěn)定性的常用方法包括：第一、利用高親和力的特異性配體，將GPCR蛋白分子穩(wěn)定在某個(gè)單一構(gòu)象狀態(tài)，使其更易于規(guī)則排列堆積形成蛋白晶體[13-14]。第二、在GPCR構(gòu)象比較靈活的胞內(nèi)環(huán)區(qū)域或胞外N端區(qū)域插入可溶蛋白片段幫助穩(wěn)定GPCR構(gòu)象[14-15]，并提高GPCR蛋白產(chǎn)量。同時(shí)，融合蛋白可增大蛋白的親水表面積，輔助GPCR蛋白分子之間的相互作用，促進(jìn)晶體堆積。目前比較成功的融合蛋白包括T4溶菌酶蛋白、B256RIL[16]等。近年來(lái)越來(lái)越多適宜穩(wěn)定GPCR構(gòu)象的融合蛋白被發(fā)掘。第三、在GPCR分子中引入某些氨基酸突變，可增強(qiáng)GPCR分子內(nèi)部的相互作用力(包括氫鍵、鹽橋、二硫鍵、疏水作用等)，從而提高蛋白穩(wěn)定性[17-18]。另外，目前已有研究表明抗體和納米抗體同樣可以穩(wěn)定GPCR蛋白分子輔助其結(jié)晶[19]。利用上述方法獲得高穩(wěn)定性的GPCR蛋白樣品，即可進(jìn)行蛋白結(jié)晶實(shí)驗(yàn)。

1.3 GPCR蛋白結(jié)晶

X射線晶體衍射技術(shù)是目前用于GPCR結(jié)構(gòu)解析的主要方法。利用傳統(tǒng)的氣液擴(kuò)散結(jié)晶方法很難獲得高質(zhì)量的GPCR蛋白晶體，目前主要利用脂立方相膜蛋白結(jié)晶技術(shù)進(jìn)行GPCR蛋白結(jié)晶實(shí)驗(yàn)，該方法由Landau等人于1966年提出[20]。脂立方相是將脂和水溶液按一定比例混合形成的在空間上連續(xù)的水通道和脂質(zhì)相，GPCR蛋白分子在脂質(zhì)相中移動(dòng)進(jìn)行晶體堆積。脂立方相模仿了天然的細(xì)胞膜脂雙層環(huán)境，可顯著提高GPCR蛋白的穩(wěn)定性，并降低了結(jié)晶實(shí)驗(yàn)對(duì)蛋白量的需求。

2 GPCR的晶體結(jié)構(gòu)解析

近年來(lái)，GPCR晶體結(jié)構(gòu)的研究取得了一系列突破性的進(jìn)展。2007年，第一個(gè)人源GPCR——β2腎上腺素受體的晶體結(jié)構(gòu)被解析，實(shí)現(xiàn)了人源GPCR結(jié)構(gòu)解析零的突破[14,21]。僅在2012年一年內(nèi)就有9種GPCR的晶體結(jié)構(gòu)被解析，至今已有超過(guò)30種GPCR的晶體結(jié)構(gòu)被解析，極大地促進(jìn)了人們對(duì)于GPCR三維結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)(表1)。這些結(jié)構(gòu)已解析的GPCR在結(jié)構(gòu)和功能上具有豐富的多樣性，既包括A家族的肽類(lèi)受體、脂類(lèi)受體等，也有B家族的胰高血糖素受體，C家族的SMO受體。所解析的大部分是GPCR與拮抗劑或反向激動(dòng)劑結(jié)合的復(fù)合物結(jié)構(gòu)，展示了處于非激活狀態(tài)的受體構(gòu)象。Rhodopsin、β2AR、A2AAR、P2Y12R等GPCR分別與拮抗劑和激動(dòng)劑結(jié)合的復(fù)合物結(jié)構(gòu)已被解析，顯示了GPCR蛋白從非活性狀態(tài)向活性狀態(tài)轉(zhuǎn)變的受體構(gòu)象變化。不同GPCR的配體在大小、形狀和電荷性質(zhì)上存在著很大的差異，已解析的GPCR結(jié)構(gòu)顯示了不同GPCR蛋白與各自配體的特異性結(jié)合模式，為不同GPCR識(shí)別性狀迥異的配體分子提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。從配體進(jìn)入途徑來(lái)說(shuō)，大部分GPCR的配體都是通過(guò)胞外區(qū)直接進(jìn)入開(kāi)放的配體結(jié)合口袋與GPCR相互作用，而脂類(lèi)受體的配體結(jié)合口袋則被蛋白N端區(qū)段或胞外環(huán)區(qū)封閉，其配體很可能經(jīng)由脂分子雙層進(jìn)入配體結(jié)合位點(diǎn)。

表1 結(jié)構(gòu)已解析的GPCR

2011年，β2AR和G蛋白異源三聚體的復(fù)合物結(jié)構(gòu)被解析，人們第一次看到了處于激活狀態(tài)的GPCR蛋白是如何與重要的下游信號(hào)蛋白G蛋白相互作用的[22]。2015年視紫紅質(zhì)(Rhodopsin)和β抑制蛋白(β-arrestin)復(fù)合物結(jié)構(gòu)的解析，則將GPCR與另一條信號(hào)通路中效應(yīng)蛋白的結(jié)合模式呈現(xiàn)在人們的面前[23]。這些GPCR結(jié)構(gòu)的解析使人們更加深入地了解GPCR在胞內(nèi)的信號(hào)傳導(dǎo)機(jī)制。

GPCR作為人體內(nèi)調(diào)節(jié)多種生理活動(dòng)的重要膜蛋白家族，仍有許多復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)需要進(jìn)一步研究，例如偏向性配體對(duì)受體活性的調(diào)節(jié)機(jī)制、變構(gòu)調(diào)節(jié)劑對(duì)受體構(gòu)象的影響、GPCR信號(hào)通路下游其他信號(hào)蛋白的招募以及非A家族GPCR的信號(hào)識(shí)別機(jī)制等，這些問(wèn)題都有待于繼續(xù)深入研究。因此，對(duì)GPCR的進(jìn)一步結(jié)構(gòu)研究仍具有十分重要的意義。

我們解析的趨化因子受體CCR5和嘌呤能受體P2Y1R的晶體結(jié)構(gòu)闡明了這兩種GPCR受體與特異性配體分子的精細(xì)作用機(jī)制，為艾滋病和血栓性疾病的新藥研發(fā)提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)和線索。下面，我們將簡(jiǎn)要介紹CCR5和P2Y1R的晶體結(jié)構(gòu)。

2.1 趨化因子受體CCR5的晶體結(jié)構(gòu)

趨化因子受體CCR5在巨噬細(xì)胞、樹(shù)突狀細(xì)胞及記憶T細(xì)胞等多種免疫細(xì)胞中表達(dá)，在免疫應(yīng)答調(diào)控中結(jié)合巨噬細(xì)胞炎癥因子1α(MIP-1α)[24]、巨噬細(xì)胞炎癥因子1β(MIP-1β)及單核細(xì)胞趨化蛋白2(MCP-2)等多種趨化因子[25-26]，激活并調(diào)控T細(xì)胞和單核細(xì)胞、巨嗜細(xì)胞系的遷移、增殖，因此CCR5在免疫應(yīng)答中發(fā)揮著重要作用[27]。此外，CCR5與艾滋病的發(fā)生息息相關(guān)。CCR5和另一種趨化因子受體CXCR4可作為HIV病毒的共受體，輔助病毒侵染宿主細(xì)胞[28]。不同類(lèi)型的HIV病毒選擇性結(jié)合不同共受體以感染人體細(xì)胞。根據(jù)對(duì)共受體的選擇性，HIV病毒被分成三種類(lèi)型，分別是R5嗜性、X4嗜性以及R5X4嗜性[29]。2010年，CXCR4分別與兩種拮抗劑結(jié)合的復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)被解析[30]。2013年，我們解析了CCR5與抗HIV病毒藥物馬拉維若結(jié)合的復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)[31]。CXCR4和CCR5的晶體結(jié)構(gòu)對(duì)于深入研究HIV病毒的感染機(jī)制及其他生物學(xué)功能提供了重要的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

HIV病毒莢膜糖蛋白gp120的第三可變環(huán)區(qū)域(V3 loop)是結(jié)合共受體CXCR4和CCR5的關(guān)鍵位點(diǎn)。將不同HIV病毒gp120的V3 loop進(jìn)行氨基酸序列比對(duì)，發(fā)現(xiàn)X4嗜性病毒的V3 loop含有較多的正電性氨基酸[32]，而CXCR4的晶體結(jié)構(gòu)顯示其配體結(jié)合口袋內(nèi)含有較多的負(fù)電性氨基酸[30](圖1(b))，例如受體跨膜螺旋以及胞外環(huán)上的天冬氨酸，而這些氨基酸也是影響HIV病毒入侵的關(guān)鍵氨基酸[30]。與CXCR4不同，CCR5配體結(jié)合口袋內(nèi)的氨基酸帶電荷較少(圖1(c))。這些不同電性氨基酸在受體CXCR4和CCR5的分布分別與X4嗜性病毒、R5嗜性病毒V3 loop的氨基酸的電荷分布相關(guān)，說(shuō)明了共受體配體結(jié)合口袋內(nèi)的電荷分布對(duì)于選擇性識(shí)別不同種類(lèi)的HIV病毒具有重要作用。此外，基于CCR5和CXCR4分別與R5嗜性病毒和X4嗜性病毒gp120的分子對(duì)接模型，我們進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)不同共受體的配體結(jié)合口袋內(nèi)關(guān)鍵氨基酸的側(cè)鏈長(zhǎng)短不同造成了空間位阻的巨大差異，是導(dǎo)致CXCR4和CCR5選擇性識(shí)別不同HIV病毒的另一重要因素[33-34]。這些發(fā)現(xiàn)為我們深入理解HIV病毒與共受體的特異性結(jié)合模式提供了結(jié)構(gòu)依據(jù)。

馬拉維若是目前美國(guó)食品藥物監(jiān)管局(FDA)批準(zhǔn)上市的唯一以CCR5為靶點(diǎn)的抗HIV病毒感染藥物[35]，以往的研究表明馬拉維若是CCR5的變構(gòu)調(diào)節(jié)劑[36-37]，但其作用機(jī)制一直未能被明確闡明。數(shù)據(jù)表明CCR5的天然配體——HIV病毒糖蛋白gp120和趨化因子等主要與CCR5受體的N端區(qū)域和第二胞外環(huán)結(jié)合[38-39]，而CCR5結(jié)構(gòu)顯示馬拉維若的結(jié)合位點(diǎn)較深，與CCR5天然配體的結(jié)合區(qū)域不同，其主要位于由跨膜螺旋構(gòu)成的結(jié)合口袋內(nèi)(圖1(a))，因此馬拉維若無(wú)法像正構(gòu)配體那樣通過(guò)形成空間位阻阻斷CCR5與其天然配體的結(jié)合。我們?cè)贑CR5與馬拉維若的復(fù)合物結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)在A家族GPCR受體中高度保守的氨基酸Trp248和Tyr244的構(gòu)象與其他已解析的GPCR非活性構(gòu)象相似并區(qū)別于處于活性狀態(tài)的GPCR結(jié)構(gòu)，而已有研究表明這兩個(gè)保守氨基酸在GPCR受體激活時(shí)會(huì)發(fā)生構(gòu)象改變[22,40]，這表明CCR5與馬拉維若結(jié)合時(shí)其構(gòu)象處于非活性狀態(tài)。此外，馬拉維若分子中的苯環(huán)與受體的氨基酸Trp248形成疏水作用，進(jìn)一步穩(wěn)定了CCR5的非活性構(gòu)象。綜上所述，馬拉維若能夠阻斷HIV病毒結(jié)合CCR5，并非依賴(lài)于馬拉維若的空間位阻作用，而是將CCR5的構(gòu)象穩(wěn)定在非活性狀態(tài)，降低了CCR5與HIV病毒糖蛋白gp120的結(jié)合能力，從而抑制了病毒感染。CCR5結(jié)構(gòu)揭示了藥物分子馬拉維若的抗病毒機(jī)制，對(duì)基于結(jié)構(gòu)的抗HIV藥物研發(fā)具有重要的意義。

圖1 CCR5和馬拉維若的復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)：(a)CCR5的晶體結(jié)構(gòu)(紫色螺旋表示CCR5，綠色棍棒形結(jié)構(gòu)表示馬拉維若)；(b) CXCR4胞外區(qū)表面電勢(shì)圖；(c)CCR5胞外區(qū)表面電勢(shì)圖(紅色代表負(fù)電荷區(qū)域，藍(lán)色代表正電荷區(qū)域)

2.2 嘌呤能受體P2Y1R的晶體結(jié)構(gòu)

嘌呤能受體P2Y1R在人體內(nèi)分布廣泛，在心、腦、血管等組織中均有表達(dá)，其內(nèi)源性激動(dòng)劑主要是ADP和ATP。P2Y1R主要參與由ADP誘導(dǎo)的血小板聚集反應(yīng)，與人體的各種嚴(yán)重的血栓性疾病密切相關(guān)，因此P2Y1R是極其重要的抗血栓藥物靶點(diǎn)。2015年，我們解析了P2Y1R分別與核苷酸類(lèi)拮抗劑MRS2500和非核苷酸類(lèi)拮抗劑BPTU結(jié)合的復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)，揭示了該受體蛋白與配體的特異性結(jié)合模式，對(duì)抗血栓藥物研發(fā)具有重大意義[41]。

出乎意料的是，P2Y1R結(jié)構(gòu)顯示該受體具有完全不同的兩個(gè)配體結(jié)合位點(diǎn)。其中，核苷酸類(lèi)拮抗劑MRS2500的結(jié)合位點(diǎn)位于P2Y1R的跨膜螺旋區(qū)內(nèi)部，其配體結(jié)合口袋由受體的N末端、第二、第六、第七跨膜螺旋以及第二胞外環(huán)構(gòu)成(圖2(b))，受體與MRS2500間的相互作用力主要是氫鍵和鹽橋作用。P2Y1R與另外一種嘌呤能受體P2Y12R均以ADP為天然配體，但是比較這兩種受體的晶體結(jié)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)兩者與各自核苷酸類(lèi)配體的結(jié)合位點(diǎn)和作用方式有很大差異[41-42]。P2Y1R結(jié)構(gòu)中核苷酸類(lèi)配體MRS2500的腺嘌呤環(huán)靠近受體的第六、第七跨膜螺旋，結(jié)合口袋位置更靠近胞外區(qū)，而P2Y12R結(jié)構(gòu)中核苷酸類(lèi)配體2MeSADP的腺嘌呤環(huán)深入配體結(jié)合口袋內(nèi)部，與受體的第三、第四跨膜螺旋形成疏水作用[41-42]。這一發(fā)現(xiàn)充分體現(xiàn)了GPCR對(duì)信號(hào)識(shí)別機(jī)制的多樣性。

更引起結(jié)構(gòu)科學(xué)家們關(guān)注的是，非核苷酸類(lèi)拮抗劑BPTU的結(jié)合位點(diǎn)位于P2Y1R跨膜螺旋的外表面，與脂分子雙層相互接觸(圖2(a))，而在以往解析的GPCR結(jié)構(gòu)中配體分子全部位于第七次跨膜螺旋區(qū)內(nèi)部。BPTU是首個(gè)被發(fā)現(xiàn)的位于受體分子常規(guī)配體結(jié)合口袋以外區(qū)域的高選擇性GPCR配體分子。BPTU的結(jié)合口袋由受體第一、第二、第三跨膜螺旋和第一胞外環(huán)上的疏水氨基酸構(gòu)成，主要通過(guò)疏水作用與BPTU相互作用，唯一的極性作用是BPTU分子中尿素基團(tuán)上的兩個(gè)N原子與P2Y1R的氨基酸L102形成的兩個(gè)氫鍵。BPTU的結(jié)合方式說(shuō)明BPTU是P2Y1R的變構(gòu)調(diào)節(jié)劑，而進(jìn)一步的配體結(jié)合實(shí)驗(yàn)表明，BPTU可通過(guò)穩(wěn)定受體的非活性構(gòu)象提高激動(dòng)劑的解離速度，從而達(dá)到對(duì)P2Y1R進(jìn)行變構(gòu)調(diào)節(jié)的目的。P2Y1R與BPTU的復(fù)合物結(jié)構(gòu)首次揭示了GPCR在常規(guī)配體結(jié)構(gòu)口袋以外區(qū)域的新型變構(gòu)配體結(jié)合位點(diǎn)，有助于進(jìn)一步全面了解GPCR受體的特異性配體結(jié)合模式，并為未來(lái)開(kāi)展GPCR藥物研發(fā)指明了新的方向。

圖2 P2Y1R 的兩個(gè)結(jié)合口袋。(a)P2Y1R 與BPTU的復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)(藍(lán)色螺旋代表P2Y1R，球形結(jié)構(gòu)代表BPTU)；(b)P2Y1R 與MRS2500的復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)(藍(lán)色螺旋代表P2Y1R，球形結(jié)構(gòu)代表MRS2500)

以往的研究表明，GPCR受體分子從非活性狀態(tài)向活性狀態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)，第五至第七跨膜螺旋發(fā)生了較大的構(gòu)象變化，而第一至四跨膜螺旋處于相對(duì)穩(wěn)定的構(gòu)象狀態(tài)[43-44]，因此人們一度認(rèn)為GPCR的第五至第七跨膜螺旋在受體激活過(guò)程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。在P2Y1R結(jié)構(gòu)中，MRS2500結(jié)合在受體的跨膜螺旋區(qū)內(nèi)，通過(guò)限制P2Y1R的第六、第七跨膜螺旋的構(gòu)象來(lái)抑制受體激活。然而，在與BPTU結(jié)合的P2Y1R結(jié)構(gòu)中，BPTU與第五至第七跨膜螺旋并無(wú)相互作用，而是通過(guò)阻礙第二、第三跨膜螺旋的構(gòu)象變化抑制受體的激活。這一發(fā)現(xiàn)說(shuō)明，雖然GPCR的第一至第四跨膜螺旋與第五至第七跨膜螺旋相比，在受體激活過(guò)程中發(fā)生的構(gòu)象變化較小，但兩個(gè)結(jié)構(gòu)域?qū)τ谑荏w的激活同等重要。這為我們進(jìn)一步全面了解GPCR的激活機(jī)制提供了新的依據(jù)。

3 展望

在過(guò)去的幾十年，GPCR結(jié)構(gòu)信息的缺乏限制了科學(xué)家們對(duì)GPCR的功能研究和藥物研發(fā)。近年來(lái)，GPCR的結(jié)構(gòu)研究得到了跨越式的發(fā)展，使我們對(duì)這一重要的受體超家族有了較為深入的了解。隨著更多GPCR精細(xì)結(jié)構(gòu)逐漸展現(xiàn)在人們面前，GPCR對(duì)細(xì)胞信號(hào)的識(shí)別、傳導(dǎo)和調(diào)控機(jī)制將得到更為全面的理解和認(rèn)識(shí)。同時(shí)，GPCR的三維結(jié)構(gòu)也有助于相關(guān)藥物設(shè)計(jì)和研發(fā)，對(duì)于人類(lèi)疾病的治療具有重要意義。然而，目前GPCR的生物學(xué)研究還有許多問(wèn)題尚未解決，因此GPCR的結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究仍然需要我們的不懈努力。

(2016年5月10日收稿)

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(編輯：段艷芳)

Structural studies of G protein-coupled receptors

ZHANG Haonan, WU Beili
CAS Key Laboratory of Receptor Research, Shanghai Institute of Materia Medica, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201203, China

G protein-coupled receptors (GPCRs) play key roles in cell signal transduction. GPCR structures are important for understanding structure-functional relationship of the GPCR superfamily. Before the year 2000, the high-resolution GPCR structure is one of the major obstacles in structural biology field. In recent years, the structural studies of GPCRs have been developed remarkably. Here, we briefly summarize the methods used in GPCR structure determination, and also take the CCR5 and P2Y1R structures as examples to discuss the significance of GPCR structures on functional studies and drug discovery.

G protein-coupled receptor, crystal structure, CCR5, P2Y1R

10.3969/j.issn.0253-9608.2016.03.006

?通信作者，E-mail: beiliwu@simm.ac.cn