G蛋白偶联受体

很多其他激素类物质作用于相应的靶细胞时，都是先同膜表面的特异受体相结合，再引起膜内侧胞浆中cAMP含量的增加（有时是它的减少），实现激素对细胞内功能的影响。

这样就把cAMP称作第二信使，这是相对于把激素分子这类外来化学信号看作第一信使而言的。

导致cAMP产生的膜结构内部的过程颇为复杂：它至少与膜中三类特殊的蛋白质有关。

第一类是能与到达膜表面的外来化学信号作特异性结合的受体蛋白质，这是一些真正可以称作受体的物质。

目前已用分子生物学的方法证明，它们是一些独立的蛋白质分子；已经确定的近100种这类受体，都具有类似的分子结构，也属于同一蛋白质家族：即它们都由约300~400个氨基酸残基组成，有一个较长的细胞外N-末端，接着在肽链中出现7个由22~28个主要为疏水性氨基酸组成的α-螺旋，说明这肽链至少要反复贯穿膜7次，形成一个球形蛋白质分子，还有一段位于膜内侧的肽链C-末端。

目前认为，受体分子中第7个跨膜螺旋是能够识别、即能结合某种特定外来化学信号的部位。

在受体因结合了特异化学信号而激活时，将进而作用于膜中另一类蛋白质，即G-蛋白质。

G-蛋白是鸟苷酸结合蛋白（guanine nucleotide-binding protein）的简称，也是存在于膜结构中的一类蛋白质家族，根据它们分子结构中少数氨基酸残基序列上的不同，已被区分出有数十种，但结构和功能极为相似。

G-蛋白通常由α-、β-、和γ-3个亚单位组成；α-亚单位通常起催化亚单位的作用，当G-蛋白未被激活时，它结合了一分子的GDP（二磷酸鸟苷）；当G-蛋白与激活了的受体蛋白在膜中相遇时，α-亚单位与GDP分离而又与一分子的GTP（三磷酸鸟苷）结合，这时α-亚单位同其他两个亚单位分离，并对膜结构中（位置靠近膜的内侧面）的第三类称为膜的效应器酶的蛋白质起作用，后者的激活（或被抑制）可以引致胞浆中第二信使物质的生成增加（或减少）。

上述肾上腺素的作用，就是先由激素激活膜上相应的受体后，通过一种称为Gs（兴奋性G-蛋白）的G-蛋白的中介，激活了作为效应器酶的腺苷酸环化酶，使胞浆中的ATP生成了起第二信使作用的cAMP。

由于第二信使物质的生成经过多级催化作用，少数几个膜外化学信号分子同受体的结合，就可能在胞浆中生成数目众多的第二信使分子，这是这种类型的跨膜信号传递的重要特点之一。

目前发现膜的效应器酶并不只腺苷酸环化酶一种，因而第二信使物质也不只cAMP一种，如近年来还发现，有相当数量的外界刺激信号作用于受体后，可以通过一种称为Go的G-蛋白，再激活一种称为磷脂酶C的膜效应器酶，以膜结构中称为磷脂酰肌醇的磷脂分子为间接底物，生成两种分别称为三磷酸酰肌醇（IP3）和二酰甘油（DG）的第二信使，影响细胞内过程，完成跨膜信号传递。

虽然如此，对应于细胞所能接受的多种刺激和与它们相对应的受体数目而言，膜内G-蛋白、效应器酶和最后生成的第二信使类物质的种类，还是相对地少得多。

这说明，上述由膜中蛋白质酶促反应生成第二信使的途径，具有相当程度的"通用"性质。

由于上述这种G蛋白偶联受体介导的信号传导系统的跨膜信号传递的形式是在研究激素的作用机制时发现的，而且后来发现绝大多数肽类激素都是通过这一形式起作用的，因此曾一度错误地认为，这只是激素性化学信号跨膜信号传递方式。

但近年的资料说明，事实并非如此：在神经递质类物质中，除了上述氨基酸类递质外，其余不论是小分子的经典递质还是后来发现的数量众多的神经肽类物质（目前已近50种），都主要是以在突触后细胞中产生第二信使类物质来完成跨膜信号传递的，这些第二信使物质通过在胞浆中的扩散，在膜的内侧面作用于某些特殊的离子通道（图2-9中箭头3），引起突触后膜较广泛而缓慢的电变化。

最近证明，在视网膜信号转换过程中，光量子被作为受体的视色素如视紫红质（也具有7个跨膜α-螺旋的结构特点）吸收后，也是先激活称为Gt（转换蛋白）的G-蛋白，再激活作为效应器的磷酸二酯酶，使视杆细胞外段中cGMP的分解加强，最后使光刺激转变为外段膜的电变化。

G-蛋白偶联受体
G-蛋白偶联受体(G-protein linked receptor)
配体与受体结合后激活相邻的G-蛋白,
被激活的G-蛋白又可激活或抑制一种产生特异第二信使的酶或离子通道,引起膜电位的变化。

由于这种受体参与的信号转导作用要与GTP结合的调节蛋白相偶联,因此将它称为G蛋白偶联受
体。

这类受体的种类很多，并在结构上都很相似∶都是一条多肽链，并且有7次α螺旋跨膜区。

这
种7次跨膜受体蛋白的超家族包括视紫红质(脊椎动物眼中的光激活光受体蛋白)以及脊椎动物鼻中
的嗅觉受体。

G蛋白偶联受体是最大的一类细胞表面受体，它们介导许多细胞外信号的传导，包括激素、局
部介质和神经递质等。

G蛋白偶联受体的进化地位相当原始，不仅存在于亲缘关系较远的真核生物（如酵母）中，即
使在细菌中也存在与G-蛋白偶联受体相似的膜蛋白，如细菌的菌紫红质，它的作用是光驱动的H
+-泵。

但细菌中的此类蛋白并不具有G-蛋白偶联受体的功能，因为细菌中没有G蛋白,推测其偶联
系统并不相同。

受体与配体结合后即与膜上的偶联蛋白结合，使其释放活性因子，再与效应器发生反应。

由于这些偶联蛋白的结构和功能极为类似，且都能结合并水解GTP，所以通常称G蛋白，即鸟苷酸调节蛋白（guanine nucleotide regulatory protein）。

（一）G蛋白的分类G蛋白的种类已多达40余种，大多数存在于细胞膜上，由α、β、γ三个不贩亚单位构成，总分子量为100kDa左右。

其中β亚单位在多数G蛋白中都非常类似，分子量36kDa左右。

γ亚单位分子量在8-11kDa之间，除Gt外，大多数G蛋白的γ亚单位都是相同的。

βγ两个亚单位的不同可以将G蛋白分为Gs、Gi、Go、Gq、G?及Gt等六类。

这些不同类型的G蛋白在信号传递过程各种发挥不同的作用。

除此之外，在细胞内还存在另一类G蛋白，这类G蛋白具有鸟核苷酸的结合位点，有GTP酶活性，其功能也受鸟核苷酸调节，但与跨膜信息传递似乎没有直接相关。

在结构上不同于前述的G蛋白，分子量较小，在20-30kDa之间，不是以α、β、γ三聚体方式存在，而是单体分子，因此被称为小G蛋白（small G proteins）。

如ras表达产物为一种小G蛋白。

小G蛋白同ras蛋白具有同源性，同属于ras超家族（ras superfamily）。

哺乳动物G蛋白中属ras超家族约有50多个成员，根据它们序列同源性相近程度又可以分为Ras、Rho和Rab三个主要的亚家族。

（二）G蛋白与信号传递细胞表面的受体通过与其相应配体作用后，可经不同种类的G蛋白偶联，分别发挥不同的生物学效应。

与G蛋白偶联的多种受体具有共同的结构功能特点：分子量40-50kDa左右，由350-500氨基酸组组成，形成7个由疏水氨基酸组成的α螺旋区段，反复7次穿越细胞膜的脂质双层。

肽链的N末端在胞膜外，C末端在细胞内。

N末端上常有许多糖基修饰。

从功能上看，受体的识别区域并不象一般想象的那样在胞膜的外部，实际上是由7个跨膜区段间通过特定氨基酸残基之间的相互作用形成复杂的空间构象。

配体结合于识别区域之后，即导致整个受体构象的变化。

受体肽链的C末端和连接第5和第6个跨膜区段的第三个胞内环是G蛋白结合部位。

目前研究发现，趋化因子受体家族（chemokine receptor family）以及一些神经递质受体都属于G蛋白偶联的7次跨膜受体的超家族。

例如IL-8RA胞膜外N端Asp11、Llu275、Arg280以及可形成二硫键的Cys30和Cys277在与配体结合中起重要作用；紧接第三个空膜区第二个胞浆环中DRY序列对于与G蛋白的结合是必要的。

（1）Gs：细胞表面受体与Gs（stimulating adenylate cyclase g protein,Gs）偶联激活腺苷酸环化酶，产生cAMP第二信使，继而激活cAMP依赖的蛋白激酶。

（2）Gi：细胞表面受体同Gi（inhibitory adenylate cyclase g protein,Gi）偶联则产生与Gs相反的生物学效应。

（3）Gt：可以激活cGMP磷酸二酯酶，同视觉有关。

（4）Go：可以产生百日咳杆菌毒不导致的一系列效应。

（5）Gq：同PLC偶联，在磷脂酰肌醇代谢途径信号传递过程中发挥重要作用。

（6）小G蛋白：近年来研究发现小G蛋白，特别是一些原癌基因表达产物有着广泛的调节功能。

Ras蛋白主要参与细胞增殖和信号转导；Rho蛋白对细胞骨架网络的构成发挥调节作用；Rab蛋白则参与调控细胞内膜交通（membrane traffic）。

此外，Rho和Rab亚家庭可能分别参与淋巴细胞极化（polarization）和抗原的提呈。

某些信号蛋白通过SH-3功能区将酪氨酸激酶途径同一些由小G蛋白所控制的途径连接起来，如Rho（与Ras有30%同源性）调节胞浆中微丝上肌动蛋白的聚合或解离，从而影响细胞形态。

这一事实解释了某些含有SH-3的蛋白同细胞骨架某些成份相关联或调节它们的功能
G蛋白偶联受体固有活性为新药开发提供新思路
作者:洪民华；池志强；刘景根来源:中国医药报发布者: 刘斌类别:新闻扫描日期: 2006-06-16 今日/总浏览: 1/3583 G蛋白偶联受体（GPCR）是与G蛋白有信号连接的一大类受体家族，目前世界
药物市场上有1/3的小分子药物是GPCR的激活剂或拮抗剂；在当今前50种最畅销
的上市药物中，20％属于G蛋白受体相关药物；2001年世界上前50位销售额最高
的药物中，有23个直接或间接地通过GPCR发挥药效。

G蛋白偶联受体已经被证明
是临床广泛应用药物的重要靶点，作用于G蛋白偶联受体的药物对疼痛认知障碍、
高血压、胃溃疡、鼻炎、哮喘等各类疾病均具有良好的治疗作用，深入研究这类
靶点的特性，可以进一步开发出更好的新药。

——编者按
G蛋白偶联受体（GPCR）是人体内最大的膜受体蛋白家族，是一类具有7个跨膜螺旋的跨膜蛋白受体，GPCR的结构特征和在信号传导中的重要作用决定了其可以作为很好的药物靶标。

近来研究发现，大多数G蛋白偶联受体具有一个很重要的特性——固有活性，即在无激动剂条件，受体固有的维持激活并维持下游信号传导通路的活性。

G蛋白偶联受体固有活性为新药开发提供了新的视点，反相激动剂开发、基因敲除/敲入治疗技术、固有激活受体技术是根据G蛋白偶联受体固有活性进行新药开发的三个重要方面。

■反相激动剂
在G蛋白偶联受体固有性活性中，激动剂可增加基础G蛋白及效应系统的活性，拮抗剂可对基础活性无效应，反相激动剂可降低G蛋白基础活性。

相当多的G蛋白偶联受体具有反相激动剂。

反相激动剂对于具固有活性的G蛋白偶联受体所造成的疾病有治疗价值，例如，KSHV-G蛋白偶联受体的反相激动剂可用于治疗卡波济肉瘤。

但是，现有的反相激动剂蛋白质特性限制了它们的临床应用。

目前，具有固有活性的PTH-PTHrPR突变体的反相激动剂已经被鉴定出，这种化合物可能用来治疗干骺端软骨发育异常。

反相激动剂对促甲状腺素受体(TSHR)和促黄体生成素受体(LHR)的作用可分别用来治疗甲状腺功能亢进症以及青春期早熟。

与阻碍固有活性功能相比，反相激动剂在恢复正常的GPCRs的功能上更加重要。

■基因敲除/敲入技术
能导致疾病的GPCR突变体在另一方面也有治疗价值，在PTH/PTHrP基因敲除老鼠中，具固有活性
PTH-PTHrPR的特定表达能拯救PTH/PTHrP缺陷的实验鼠。

所以，有固有活性的GPCR突变体能弥补相应受体的激素缺陷。

在基因表达上，具固有活性的GPCR突变体基因敲入是一种使内源性配体（如胰岛素）下调，从受体激活上直接考虑的很有前景的基因治疗方法。

基于上述发现，具固有活性的GPCR突变体基因敲入不失为一种相应的激素替代治疗方法。

这种替代治疗对于那种应用费用昂贵的激素，或激素给药吸收困难的患者更加有实际意义。

基因载体技术的发展使这种治疗用于临床更加有可能。

■固有激活受体技术
因为G蛋白偶联受体是极具吸引力的药物治疗靶点，几十年来，世界各国的医药公司都倾注全力开发这类受体靶点。

目前，几百种新鉴定出的G蛋白偶联受体为新药，特别是为中枢神经系统的新药开发提供了充足的机会，这些新鉴定的受体可成为21世纪新药开发的重点。

但是对于这些受体，研究者面临两大问题：一是如何鉴定特定疾病过程相关的所有G蛋白偶联受体类型，及区分不同G蛋白偶联受体亚型药理和信号传导的差异；二是如何找到通过立体结构分析设计选择性的G蛋白偶联受体调节因子的方法。

为了解决这些问题，产生了新的鉴定小分子药物与G蛋白偶联受体作用的固有激活受体技术（CART）筛选方法，利用这种方法可以在不需要使用内源性配体的条件下筛选药物。

通过基因序列以及与内源性配体相互作用的能力已经发现了将近160种G蛋白偶联受体。

为了找到这些潜在药物靶点的配体，需要鉴定出一大类的与特定疾病过程相关的G蛋白偶联受体，并分出各种G蛋白偶联受体亚型的药理和信号传导差异。

而这种高通量筛选需要一种与没发现内源性配体的孤儿受体结合的小分子配体的技术，这种技术涉及用有固有活性的G蛋白偶联受体来鉴定几类药理分子，包括激动剂、反相激动剂和受体异构调节分子，而G蛋白偶联受体胞外所有跨膜环都是配体和药物作用区域。

这种技术可以实现内源性配体未知的受体信号通路的激活，在没有内源性配体结合的情况下，G蛋白偶联受体仍能固有激活二级信号反应通路。

这种技术的关键是改变G蛋白偶联受体的遗传结构，导致受体产生稳定激活的状态。

利用这种方法，稳定激活的G蛋白偶联受体细胞模型还可用于筛选调节下游信号通路的小分子。

筛选出这些小分子可进一步用作验证受体功能和与疾病关系的药理学工具，这些小分子最终还可能成为药物设计及新治疗方法开发的先导化合物。

CART筛选方法的好处在于：首先，它可模仿配体结合受体后启发的生物反应，而这种模仿可以在不知道内源性配体的情况下进行，这使得从基因序列鉴定到小分子筛出的药物开发过程加速。

其次，非配体依赖的这种技术为G蛋白偶联受体的变构调节因子提供了开发平台。

因为CART不需要使用天然配体，因而就没有候选药物一定要结合到配体结合部位的限制。

除了配体结合部位，其他调控因子作用于受体其他变构部位对整个信号通路的影响都可检测到。

与由于自然突变引发的受体固有活性有关的人类疾病，包括视网膜炎、先天性夜盲（视紫红质突变）、家族性甲亢（TSH受体突变）、低血钙（钙受体突变）、软骨发育不良（副甲状腺受体突变）等。

反相激动剂是治疗这类疾病的潜在药物，目前，有一些反相激动剂治疗药物正处于开发阶段。

表达有固有活性的β2肾上腺素受体的转基因老鼠表现出心血管变异，而这种变异只能用反相激动剂才能逆转。

另外，近来Morisset等两种组胺H3受体异型表现出固有活性。

用降低这种固有活性的药物处理。