来源：中国科学杂志社
中国科学技术大学生命学院、合肥微尺度物质科学国家研究中心田长麟教授，石攀副研究员等在《国家科学评论》（National Science Review, NSR）发表研究成果，应用单颗粒冷冻电镜技术成功解析并比较了部分激动剂沙丁胺醇（Salbutamol）与完全激动剂异丙肾上腺素（Isoprenaline）结合β2AR-Gs复合物（β2肾上腺素受体-Gs蛋白）的异源三聚体复合物的结构，详细分析了两种激活剂分子之间微小结构差异影响β2AR与G蛋白相互作用，对GPCR药代动力学分析和偏向性药物开发具有重要意义。
G蛋白偶联受体（G protein coupled receptor, GPCR）是细胞信号转导的重要受体分子，广泛参与机体的生理和病理过程，是新药开发的热点研究领域之一，目前26.8%的上市药物以GPCR为作用靶点。G蛋白偶联受体的结构、构象变化研究是药物开发和筛选的重要依据。在配体结合后，GPCRs发生构象变化，产生cAMP，Ca2+，PIP3等第二信使，及Arrestin结合介导的细胞内化等复杂的胞质信号网络的激活，因此研究G蛋白偶联受体在配体结合后的结构和动态构象变化是国际研究热点和前沿。
前期研究表明，激动剂结合GPCR后的脱敏过程涉及到磷酸激酶A(PKA)介导的胞内环ICL3的磷酸化和GPCR激酶（GRK）介导的C末端的磷酸化，进而招募Arrestin的结合以及受体内化。GPCR脱敏在调节受体激活过程中起关键作用，也是靶向GPCR药物研发过程中的药代动力学研究的核心内容。完全激动剂结合GPCR后能高效产生cAMP等第二信使，但是很快会引起受体内化而对药物脱敏；部分激动剂结合GPCR后产生cAMP能力较弱，但是GPCR内化现象不明显而能长期产生cAMP。目前为止，不同功效的配体激活GPCR-G蛋白复合物的结构基础尚不完全清楚。
在这篇文章中，作者应用单颗粒冷冻电镜技术，解析并比较了部分激动剂沙丁胺醇（Salbutamol）与完全激动剂异丙肾上腺素（Isoprenaline）结合β2肾上腺素受体-Gs蛋白的异源三聚体复合物的结构。
β2肾上腺素受体（β2AR）是GPCR-A家族的重要成员，被认为是呼吸道疾病及哮喘的药物靶点，其小分子药物的研究十分广泛。Salbutamol和Isoprenaline分子结构类似，但是复合物结构比较表明，完全激动剂Isoprenaline、部分激动剂Salbutamol与β2AR的结合口袋显著不同，部分激动剂Salbutamol结合口袋处与受体的氢键相互作用及疏水相互作用减弱，为部分激动剂Salbutamol亲和力及作用效果的下降提供了结构基础（图1）。
图1. 部分激动剂Salbutamol或完全激动剂Isoprenaline激活b2AR-Gs复合物的冷冻电镜结构
受体胞内端TM3与TM6之间的离子锁以及TM6中的旋转异构开关是GPCR激活的重要标志。不同配体结合口袋处的构象变化传递到胞内区域，与Isoprenaline不同，Salbutamol不会触发TM6中的旋转异构开关，而只破坏TM3和TM6之间的离子锁定，从而导致其功效降低。
结合口袋处的结构差异通过变构调节传递到β2AR-Gs蛋白的结合界面（图2），部分激动剂Salbutamol结合β2AR-Gs复合物结构中第二个细胞内环（ICL2），第三个细胞内环（ICL3）和G蛋白之间的相互作用更为紧密，而完全激动剂Isoprenaline激活的β2AR-Gs复合物结构中受体与G蛋白的相互作用反而减弱。Salbutamol诱导的紧密相互作用可能阻碍磷酸蛋白激酶PKA的作用，进而减弱受体磷酸化，并将减弱抑制蛋白的结合及降低脱敏作用。这对改善药物治疗效果，同时最小化arrestin介导的β2AR脱敏并避免arrestin依赖的炎症反应起到重要作用。
图2. 部分激动剂Salbutamol或完全激动剂Isoprenaline激活的b2AR构象变化以及b2AR -Gs作用界面比较
以上研究结果扩展了人们对不同激动剂结合引起受体结构及其与G蛋白相互作用机制的认识，对GPCR药代动力学分析和偏向性药物开发具有重要意义。相关成果以 “Different Conformational Responses of the β2-Adrenergic Receptor-Gs Complex upon Binding ofthe Partial Agonist Salbutamol or the Full Agonist Isoprenaline” 为题，于2020年11月25日在线发表于National Science Review。中国科学技术大学田长麟教授和石攀副研究员为该论文的通讯作者。中国科学技术大学博士后杨帆、凌盛龙等为该论文的共同第一作者。该研究得到了科技部、国家自然科学基金委, 及中国科学院先导专项的资助。
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