第四讲 G蛋白偶联受体研究进展

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, 分为4个亚族: ①降钙素和促肾上腺皮质激素释放因子受体; ②甲状旁腺激素受体; ③胰高血糖素、类胰高血糖素肽、垂体腺苷 酸环化酶活化肽、血管活性肠肽和分泌素受 体; ④Latrotoxin受体。
C族,又称为神经递质/钙受体样受体族, 分为5 个亚族: ①谷氨酸受体; ②γ-氨基丁酸(GABA)受体; ③钙受体; ④鼻神经外激素受体; ⑤味觉受体。
源自文库
GRKs 有六种 : 视紫红质激酶 (GRK2) 、肾上腺素受体 激酶(βGRKs)的两种异型体(GRK1和GRK3)、遗传性 慢性舞蹈病患者 4号染色体中克隆出的 IT11(GRK4、 GRK5)以及一些从果蝇中克隆的多种同源物.
②受体磷酸化激酶的作用机制 视紫红质激酶和 β- 肾上腺素受体激酶存在于胞质中 , 但它们的作用底物却在胞膜上 ,因此,他们发挥作用时 必须由胞质向胞膜发生移位(translocation)。 视紫红质激酶发生移位的主要机制：其 C末端的 Cys 发生异戊二烯化 (isoprenylation), 使得 C 末端水解 , 最 终导致激酶由胞质向胞膜移位。如将 C末端的Cys点 突变为 Ser, 异戊二烯化被阻断 , 视紫红质激酶的作用 随之降低。 β- 肾上腺素受体激酶的移位机制：激酶本身并不发 生异戊二烯化 , 而是与受体相偶联的 G 蛋白发生异戊 二烯化。受体被激活后 ,G 蛋白的 β 、 γ 亚基可激活 β肾上腺素受体激酶 , 同时 γ 亚基也发生异戊二烯化 , 进 而对激酶接近胞膜上的受体起易化作用。
GPCR的结构
GPCR的肽链
N末端,7个跨膜α螺旋(TM1→TM7)。
C 末端 ,3 个胞外环 (ECL1→ECL3) 及 3~4 个胞内环
(ICL1→ICL4)组成。
N端在胞外,常常被糖基化。 C端在胞内,多表现为磷酸化。 7个跨膜的α螺旋反复穿过细胞膜的脂双层。 不同GPCR跨膜螺旋区的氨基酸比较保守,而 C/N末端和回环区的氨基酸差异较大。
A 族 受 体 ICL2 上 有 一 保 守 的 DRY(Glu/Asp-Arg-
Tyr)基序,许多实验证明,当受体活化时,其Glu/Asp 发生质子化。
3. GPCRs活化中的构象变化
GPCRs活化中的构象变化,研究的最多的是视紫红
质。多种光谱技术的研究结果表明 ,在视紫红质活 化为变视紫红质Ⅱ的过程中,发生了构象重排。
第二信使激酶：包括cAMP依赖的蛋白激酶(PKA)、蛋白激
酶C(PKC)等,其中PKA主要作用于Gs偶联受体,而PKC则作 用于Gq偶联受体; GPCRs激酶(G protein-coupled receptor kinases, GRKs)： 主要作用于经典的信号反馈调节通路 ,介导第二信使系统间 的相互对话。
人类基因组测序表明 , 约有 720 个基因参与了 GPCR的合成。 GPCR 功能失调会导致许多疾病的产生 ,如阿 尔 茨 海 默 氏 症 (alzheimers) 、 帕 金 森 症 (Parkinson disease)、侏儒症(midgetism)、色 盲症(acritochronacy)以及哮喘(asthma)等。 接近 50% 的药物是用 GPCR 作为它们的靶标。 对于GPCR的研究具有极其重要的意义。
GP arrestin GPCRs ＋GP enzyme GPCRs ＋arrestin dynamin internalization
resensitization
down-regulation
①与受体磷酸化相关的激酶 GPCRs被配体激活后 ,在激发下游信号转导通路的同 时,GPCRs本身也会发生快速的磷酸化,作用于受体的 蛋白激酶家族已知有两种:
C族受体的配体结合域 C族受体的配体主要有谷氨酸、GABA和Ca2+。 这些配体虽然分子小 , 但是其与 A 族小分子配 体在受体上的结合部位不同 ,均位于受体胞外 的N末端。
GPCRs活化的分子机制
1. 分子内相互作用力使GPCRs处于静止构象
在没有激动剂时,分子内相互作用力使GPCRs处于
另一类是大分子肽类配体, 肽类配体主要结合 在受体的胞外结构域。
P物质、神经激肽 A、神经激肽 B、血管紧张素、
神经肽Y、白介素8,抗利尿激素等肽类配体。
B族受体的配体结合域 与 A 族的肽类配体类似 ,B 族受体的肽类配体 结合部位主要位于受体的胞外结构域。 B族受体的N末端在大多数配体与受体的结合 中起关键作用。例如分泌素、血管肠肽、胰 高血糖素等肽类配体 , 它们不仅与受体的 N 末 端结合,而且与受体的ECL相互作用。
配体结合域
A族受体的配体结合域 一类是小分子配体,小分子配体结合在受体跨 膜α螺旋形成的结合裂隙中。
经典的小分子配体有肾上腺素 (E)、去甲肾上腺素
(NE) 、多巴胺 (DA) 、 5- 羟色胺 (5-HT) 、组胺 (His) 、 乙酰胆碱(Ach)、前列腺素(PGs)、白三烯(LTs)和 嘌呤(purine)等。
谷氨酸受体等能形成二聚体。激动剂有时能提高 受体二聚体的水平,有时却降低或不改变受体二聚 体的水平。 受体二聚化的作用还不清楚,可能与受体个体发育 和受体功能的多样性有关。
①GPCRs双聚化的结构基础
尽管GPCRs在分子结构上都有七个跨膜区 ,但不同的 GPCRs在细胞膜内外的结构却有较大的差别 ,因此分 子内部发生双聚化的区域、方式也不尽相同。 有的GPCRs双聚化依靠二硫键,还原剂可以减弱或 消除双聚体形成; 另一些则可能通过分子间的疏水键相互作用形成 双聚体,可被SDS(二烷基硫酸钠)解聚。 GPCRs 的双聚化可发生在胞外的 N端、跨膜区、 胞内环、胞外环以及胞内的C末端。
大多数的 GPCRs 激活后 ,在第二信使激酶或 G蛋白偶 联受体激酶的作用下发生快速磷酸化;受体的磷酸化 提高了其对 arrestin(阻碍蛋白 ) 的亲和力 , 两者形成复 合体并促使受体与 G 蛋白解偶联 ; 进而此复合体与笼 形蛋白衣被小泡结合并在dynamin(发动蛋白)的调解 作用下发生内吞,并隐没(sequestration)于胞内。 内吞后的受体可能发生两种变化 :一是在衣被小泡内 发生去磷酸化 , 通过再循环回到胞膜表面 , 完成复敏 (resensitization);二是受体被降解,发生下调。 但 是 有 些 受 体 在 此 过 程 中 并 不 需 要 arrestin 和 dynamin的介导,如血管紧张素Ⅱ(ATⅡ)受体。
GPCR分类
A族，又称为视紫红质(rhodopsin) /β2肾上腺 素受体族，分为6个亚族: ①生物胺受体; ②胆囊收缩肽、内皮素、速激肽、神经肽 Y 等; ③非脊椎动物的视蛋白和缓激肽受体; ④腺嘌呤、大麻类、黑皮素及嗅觉受体; ⑤趋化因子、互补因子、促性腺激素释放激 素(GnRH)等; ⑥褪黑激素受体及其它。
6. GPCRs的失敏及内吞作用
绝大多数与G蛋白相偶联的受体在激动剂的长期或反 复刺激下都会出现反应性降低的现象称为失敏 (desensitization)。 受体失敏作用随着激动剂作用时间的延长会经历不 同的变化过程。 在激动剂刺激后几秒至几小时内 ,受体对刺激的反 应性降低,但细胞膜表面的受体数量并未减少; 如果这种作用持续存在 ,会引起膜表面受体数量降 低,即发生内吞(internalization); 甚至进一步发生不可逆的降解 ,从而引起受体下调 (down-regulation).
G蛋白偶联受体研究进展
G protein-coupled receptor, GPCR
GPCR
G蛋白偶联受体(G protein-coupled receptor, GPCR), 是人体内最大的蛋白质家族 ,迄今已报道了近 2000种 不同的GPCRs。 GPCRs因能结合和调节G蛋白活性而得名。 GPCRs的配体多种多样,包括生物胺、肽类、糖蛋白、 脂类、核苷酸、离子和蛋白酶等。 各种光、嗅、味的信号分子也由GPCRs介导。 大多数GPCRs通过G蛋白调节细胞内信号传递 ,例如, 刺激或抑制腺苷酸环化酶 (AC)和活化磷脂酶的活性 , 调节钾及钙离子通道的活性。 有些 GPCRs 通过酪氨酸激酶、 Src 、 Stat3 途经传递 信息,与细胞增值、细胞转化有关。
②GPCRs双聚化对细胞信号转导的影响 GABABR 属 于 GPCRs 。 GABABR 又 包 括 GBR1 和 GBR2两种亚型。 GBR1＋ GBR2→表达→功能
受体间相互作用可促进受体蛋白合成后的转运和定位 ,也解
释了体外单独表达的GBR1不具有天然组织受体功能的分子 机制。 在功能方面 , 单独表达两受体 , 激动剂引起的 AC 抑制、 35sGTP-s结合、GIRK的激活等几乎不能发生,而共表达后上述 功能明显增强。 用免疫共沉淀法发现两受体可通过 C 末端形成双聚体 . 可 见,GBR1在膜上的定位及发挥功能依赖于和 GBR2形成双聚 体。
D族—真菌信息素(fungal pheromone)受体 E族—cAMP受体(cAMP receptor)
在GPCR家族中,A族受体数目最多。 A族受体共有二十多个高度保守位点。 A族的12个高度保守位点功能见表。 B 族受体的 N 末端较长且较保守 , 主要结合一 些大的配基,如胰高血糖素、分泌素等。 C族受体的N未端(大约600个氨基酸)和C未端 都很长 , 在 C-Ⅰ与 C-Ⅱ间也由两个 Cys 形成二 硫键,C-Ⅲ环短并且高度保守。
ICL
胞内侧
TM1
TM7
胞外侧
ECL
牛视紫红质结构的模式图
目 前 只 有 一 种 GPCR 蛋 白 — 牛 视 紫 红 质 (bovine rhodopsin)的晶体三维结构被构建。 细胞质的末端区域通常被疏水残基所环绕 , 它们一同形成了G蛋白的结合位点。 牛视紫质受体在 C 末端有一段短的 α 螺旋 , 并与膜平行 , 称之为 TM8, 可能对于受体的 结构稳定起着重要的作用。 一些亚家族受体间存在着一些相似的结构 , 如几乎所有GPCR都具有二硫键等。
受体的双聚化有病理和药理学方面的意义 抗CCR5 N端的抗体在体外培养细胞和小鼠体内显示 出较强的抑制 HIV-1 复制的作用 , 而抗体与激动剂均 可诱导CCR5双聚体的形成,而针对受体其它部位的抗 体不能导致受体双聚化,也不能抑制HIV-1的感染。 因此提示 , 诱导 CCR5 的双聚化可以阻断 HIV-1 通过 CCR5引起的感染。
4. GPCR与G蛋白偶联
信号从活化受体传递给 G 蛋白的机理还不清楚。
实验证实 ,GPCRs 的 ICL2 和 ICL3 在与 G 蛋白偶联 中发挥重要作用。其中 ICL3 决定偶联 G 蛋白 α 亚 基的特异性,ICL2决定G蛋白的活化。
5. 受体二聚化
研究表明 , 许多 GPCRs, 包括视紫红质、分泌素、
静止 (非活性 )构象 , 当受体与激动剂结合或受体发 生突变时 , 破坏了受体分子内相互作用力 , 使受体 的关键序列暴露给 G 蛋白 , 从而活化 G 蛋白。可以 认为,分子内相互作用力遭到破坏是GPCRs活化机 制之一。使受体易于在活性构象和非活性构象之 间转变。
2. 质子化是GPCRs活化的关键
例如 mGluR5含19个Cys的胞外N端,其中9个在近膜区,其双 聚化可以被还原剂 DTT完全消除 ,表明二硫键在形成 双聚化中起关键作用 ,用胰蛋白酶水解除去受体胞外 N 端后 , 则不再发生双聚化 , 这表明 mGluR5 双聚化在 胞外N端。 类似的受体还有 GluRlα 和 CaR 。阿片受体有彼此同 源性较高的DOR、κ受体(KOR)、μ受体(MOR)三种 亚型。