【PDB-101】2012年5月 结构生物学亮点：G蛋白偶联受体【搬运·翻译】

    过去五年见证了GPCR结构研究的大爆发。GPCR（G protein-coupled receptor, G蛋白偶联受体）都是小个头的跨膜蛋白，大部分身子都埋在质膜之中。这德行简直就是结晶研究的噩梦。然而，研究这些硬骨头的确能带来很大好处：它们位处许多信号通路的中心，在从视觉到癌症发生等一系列至关重要的生命过程中都起着作用，是医疗研究的重要靶标。为这一切打下基础的是2000年视紫红质的结构，它是我们对GPCR形形色色结构的最初一瞥。近年出现了不少巧妙的工程技术——比如把可溶蛋白与受体融合，或是在受体身上点缀些普通抗体或纳米抗体，在它们的助力之下，各种各样具有可溶性配体的GPCR的结构正逐渐得以解明。

GPCR的结构

    通过比较不同GPCR的结构，PSI GPCR Network的研究人员发现了一些藏在它们结构与功能中的普遍规律，如上图中的β2肾上腺素受体所示（PDB条目2rh1）。不出意料，这些小受体无不拥有标志性的七条跨膜α螺旋，彼此间以伸入膜两侧溶剂之中的环相连。七条螺旋中有几条被脯氨酸（梅红色）中断，在螺旋中间形成一个弯折。这样子的弯折有两个作用。首先，它们改变螺旋的走向，使之向内靠拢，从而令整个受体的结构更紧凑。此外，PSI的研究人员还发现，这些弯折将整个受体分成了两大模块。胞外模块（红色）负责与配体结合，在不同的GPCR之间相差较大；胞内模块（蓝色）则在不同的GPCR之间十分相似，暗示着与这些五花八门的受体相互作用的是相同的一套G蛋白。

G蛋白与GPCR

    GPCR与配体结合之后，就将信号传递过膜，转送给G蛋白异源三聚体。当G蛋白与激活的GPCR结合时，它就把原来结合着的GDP换成一个GTP，然后分裂成两半。在这之后，活化的G蛋白再启动一系列胞内的信号级联反应……直到它的GTP被分解成GDP。上图的结构（来自PDB条目3sn6）展示了一个β2肾上腺素受体（粉色）与G蛋白（蓝色）的相互作用。这个结构捕捉到了信号传递过程正在进行时的一个瞬间，其时G蛋白已经扔掉了GDP，但还没来得及捡起一个GTP。

受体多，力量大

    生物学中没有哪个东西可用“简单”形容，GPCR自然也不例外。GPCR参与的信号通路可由GPCR的二聚化进行调控，既可让相同的GPCR形成同源二聚体（homodimer），也可以叫两个不同的GPCR形成异源二聚体（heterodimer）。CXCR4的结构（譬如此处展示的来自PDB条目3odu的结构）或许能让我们一睹二聚化发生的方式。目前为止，只有这个GPCR在结构研究中形成的二聚体结构——“边靠边”的二聚体——符合它在膜上结合的方式：别的GPCR在结构研究里老是形成首尾相接的二聚体。（ATP注：现在已经不止CXCR4一个能在体外形成靠谱的二聚体甚至寡聚体啦~）话虽如此，这现象倒也并不奇怪，因为GPCR们的表面非常“粘”，容易在被从膜中分离出来后做奇奇怪怪的事情。

配体结合

    尽管长相高度相似，GPCR们各自的任务却不尽相同：每个GPCR都得特异地结合某种特定的配体。又是对不同GPCR的结构进行一番比对之后，PSI的研究人员意识到GPCR身上第二个胞外环似乎格外重要。这个胞外环在不同GPCR间具有较大差异。举个栗子，视紫红质（PDB条目1f88）的第二个胞外环（下图中亮绿色）紧紧地扣在辅因子视黄醛（下图中黑色）头顶上，但在其他与可溶性配体搭档的GPCR中，这个胞外环通常会形成更加开放的结构。若想比较不同GPCR结构的差异，请前往原网页查看可互动的JSmol界面。

G蛋白偶联受体（PDB条目1f88、3eml、 2vt4、2rh1、3odu、3pbl、3rze、4djh、4dkl、4ea3与3v2y）

    原网页中的JSmol界面可供查看11个不同的GPCR结构。在一个一个地欣赏这些结构时，注意跨膜螺旋（粉色）的相似性以及第二个胞外环（亮绿色）的多样性。所有结构中的配体都以空间填充模型展示，按原子上色。

    结果我还是没在2022年写完有关于RyR2的东西，实在可恶（还不是你自己拖延症发作）！不管怎么样吧，元旦不发点东西好像不太合适，于是按照之前的承诺——GPCR来喽！首先在这儿为想去看原文JSmol的小伙伴们预告一下，按照小标题上PDB号的顺序，那11个GPCR分别是：视紫红质、A2A腺苷受体、β1肾上腺素受体、β2肾上腺素受体、CXCR4、D3多巴胺受体、H1组胺受体、κ-阿片受体、μ-阿片受体、N/OFQ阿片受体和鞘氨醇-1-磷酸受体。

    Anyway，同样是遵照以前的诺言，我们在这儿稍微聊一聊GPCR这个人丁兴旺的大家族。这个“人丁兴旺”可没作任何夸张：GPCR超家族是人类基因组中最大的基因超家族，成员可能超过800个，占所有蛋白质编码基因的4%。GPCR全都具有跟一个模子里刻出来似的七次跨膜结构，这个结构实在太经典了，以至于它们别名就叫七次跨膜受体或蛇行受体（serpentine receptor, 起这个名字的人真是人才）。目前只在真核生物中发现了GPCR，不过它们在真核生物中的分布很广，动物有，领鞭毛虫（与动物关系很近的原生生物）有，黏菌有，连酵母都有。我们体内大部分生理过程中都能发现GPCR的身影，它们参与的活动包括而不限于视觉（视紫红质，说你呢！）、味觉（感受甜、苦、鲜味）、嗅觉、情绪/行为调节、免疫调控（CXCR4跟这个有关）、神经递质/激素活动等等，甚至还有GPCR参与感受细胞的密度。按照序列的同源性与功能的相似性，所有GPCR（不止人类基因组里的）可以被分为视紫红质样类（A类）、促胰液素受体家族类（B类）、促代谢型谷氨酸/信息素类（C类）、真菌交配型信息素受体类（D类）、cAMP受体类（E类）和Frizzled/Smoothened类（F类）六大类，其中最大的A类包揽了85%左右的GPCR，又被分为19个亚类。除此之外，还有一种专门针对脊椎动物GPCR的分类方法，叫做GRAFS，名字就是其下五大类——谷氨酸类（glutamate）、视紫红质类（rhodopsin）、黏附类（adhesion）、Frizzled/Taste2类和促胰液素类（secretin）的首字连写。本文第一幅图的进化树用的就是这个分类。可以发现无论是什么分类方法，名字里带视紫红质的家族都是最庞大的。话说回来，GPCR又多又杂，不同家族间序列的相似度大都催人泪下（尽管在进化渊源上它们确乎来自同一个分子祖先），但居然几乎无一例外地具有经典的七条跨膜螺旋和十分相似的3D结构（至少已知的结构是这样的）。我都不知道该先好奇这七条螺旋外加3D结构的作用到底在进化上有多重要，还是该先感叹这些彼此外观相仿的小受体竟能把功能玩出如此丰富多彩的花样了。

    因技术与能力限制，请前往原网页以查看原文中所有超链接以及可互动的JSmol文件。

    强烈推荐去PDB-101官网查看原文，顺便探索一下这个干货满满的科普平台。

作者：David S. Goodsell

原文网址：https://pdb101.rcsb.org/learn/structural-biology-highlights/g-protein-coupled-receptors

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封面出处：https://open.lib.umn.edu/pharmacology/chapter/g-protein-coupled-receptors/