清华主页 - 清华新闻 - 科学研究 - 正文

药学院刘翔宇课题组合作报道构象限制的儿茶酚胺通过变构效应获得对β2肾上腺素受体的选择性

清华新闻网4月21日电 4月14日,拉斯维加斯网址线路药学院/北京生物结构前沿研究中心刘翔宇课题组与斯坦福大学布赖恩·科比尔卡(Brian Kobilka课题组,德国弗里德里希-亚历山大-埃尔朗根-纽伦堡大学化学与药理学系彼得·格梅纳(Peter Gmeiner教授课题组及加州大学圣地亚戈分校药理学系罗杰·苏那哈拉(Roger Sunahara教授课题组报道了一个出乎意料的发现,即在引入两个碳原子限制肾上腺素的构象之后,构象限制的肾上腺素(或去甲肾上腺素)获得了对β2肾上腺素受体(β2AR)上百倍的选择性(相较于序列非常相似的β1AR)。研究人员结合晶体学、配体结合动力学、G蛋白偶联受体信号转导实验、分子动力学模拟等多种手段,发现即使是具有相同正构配体结合口袋的G蛋白偶联受体亚型,如β1AR和β2AR,正构配体结合口袋的形状和稳定性也会受到周围残基的影响,从而导致配体亲和力的显著差异。该研究为设计和优化G蛋白偶联受体的亚型选择性配体提供了新思路。

想象一下有两间看着大小、材质都一模一样的小房子,房子高度都和你差不多,你走进去待着感觉不到什么差别。而当你戴上一顶厚帽子再走进去的时候,就感觉其中一间小房子很舒服,另一间特别别扭。你仔细找为什么会这样?然后发现其中一间的房顶是活动的。厚帽子虽然蹭着房顶,但是你不觉得挤。而另一间的房顶比较固定,你走进去就觉得硌着了。

该研究发现的差不多就是同样的原理。肾上腺素待在beta1或者beta2的结合口袋(小房子)里面的时候,感觉都差不多。但是戴了厚帽子的肾上腺素(c-Epi)就只喜欢beta2的口袋。研究者们找了半天发现在beta2里面,小房子的屋顶(F45.52)活动性较强,结合c-Epi时可以自己往上动一点点(0.8埃左右)。但是beta1里面就不行。研究者们进一步找到F45.52的活动性是受周围环境影响的,换了周围的环境(围绕它的四个氨基酸)以后,beta1又行了,而beta2就不行了。

所以,虽然一些GPCR的配体结合口袋(小房子)长得差不多,研究团队还是有办法找出喜欢其中某一个,而不喜欢另一个的化合物(亚型选择性药物)的。

G蛋白偶联受体(GPCRs)是重要的治疗靶点。基于GPCRs开发药物的主要挑战之一是避免脱靶副作用,并实现候选药物更大的亚型选择性。βARs参与调节如心跳、呼吸等关键的生理过程,是研究G蛋白偶联受体的经典模型。βARs受内源儿茶酚胺去甲肾上腺素(Norepi)和肾上腺素(Epi)的调控。Epi对于β1AR和β2AR具有相似的亲和力,而Norepi则对β1AR具有约为十倍的选择性。之前的研究表明,β1AR和β2AR的配体进入通道可能不同。分子动力学模拟的结果表明,配体的灵活性可能是影响配体通过胞外通道的重要因素。然而,当配体到达正构配体口袋时,配体的灵活性也会产生熵的限制,在结合口袋里它被限制为单一或有限的构象。为了研究配体灵活性的影响以及熵变对于儿茶酚胺与β1AR和β2AR结合的影响,研究团队合成了构象限制的肾上腺素(cEpi), 去甲肾上腺素(cNorEpi)和异丙肾上腺素(cISO)来限制或约束可旋转键,并研究了它们的药理学和信号传导的性质(图1)。结果显示,构象限制的儿茶酚胺cEpi、cNorEpi和cISO均获得了对β2AR的亚型选择性,其中cEpi对β2AR的亲和力比β1AR高了数百倍。

图1.构象限制的儿茶酚胺通过变构效应获得对β2肾上腺素受体的选择性(a.构象限制的儿茶酚胺的设计与合成。b.c-Epi对β2AR的亚型选择性。c.c-Epi与β2AR的结合口袋及周围关键的差异氨基酸。 d.突变受体正构位点周围残基影响c-Epi对受体的亲和力)

为了探究构象限制的儿茶酚对β2AR选择性的结构基础,研究团队解析了c-Epi和c-ISO与β2AR复合物的高分辨率晶体结构。当比较β2AR-Epi结构与β2AR-c-Epi结构时,所有的正构配体口袋的残基位置都是相似的,除了F19345.52侧链略有向上位移(~0.8?)。c-Epi和c-NorEpi与β1AR和β2AR结合的动力学研究表明,c-Epi与β2AR的结合速度比Epi快,说明配体的构象限制促进了其与受体的结合。这可能是由于熵的优势,也可能是受构象限制增加的疏水作用的影响。为了试图确定影响构象限制的儿茶胺亲和力的关键氨基酸,研究团队进行了突变体研究。研究团队关注了F45.52周围关键氨基酸的作用,在距离F45.52 附近5?的氨基酸中,β1AR和β2AR有四个不同的残基,这些氨基酸会影响F45.52所处环境,但不直接参与激动剂的结合。突变这四个氨基酸使得β2AR对 c-NorEpi和c-ISO的结合效力降低,而β1AR对c-NorEpi和c-ISO的效力增加。分子动力学模拟表明c-Epi在β1AR的正构口袋并不稳定,而突变四个氨基酸的β1AR与c-Epi结合模式更为稳定。由于c-Epi中两个碳的增加,需要由F19345.52向上位移所创造的额外空间。而β1AR中F45.52周围残基的变构效应可能不允许其像β2AR中那样向上移动。以上结果表明,正构位点周围残基的变构效应改变了口袋的形状,并有助于构象限制的儿茶酚胺获得对β2AR的选择性。

研究工作以“构象限制的儿茶酚胺通过变构效应获得对β2肾上腺素受体的选择性”(Constrained catecholamines gain β2AR selectivity through allosteric effects on pocket dynamics)为题发表在《自然·通讯》(Nature Communications)杂志上。

德国弗里德里希-亚历山大-埃尔朗根-纽伦堡大学化学与药理学系的彼得·格梅纳(Peter Gmeiner)教授,拉斯维加斯网址线路药学院刘翔宇教授,加州大学圣地亚戈分校药理学系罗杰·苏那哈拉(Roger Sunahara)教授,斯坦福大学布赖恩·科比尔卡(Brian Kobilka)教授为文章的通讯作者。拉斯维加斯网址线路药学院博士后许心宇为文章的第一作者。该课题得到了北京生物结构前沿研究中心、清华-北大生命科学联合中心、国家自然科学基金委、中国博士后科学基金等的支持。

论文链接:

https://www.nature.com/articles/s41467-023-37808-y

供稿:药学院

题图设计:任帅

编辑:李华山

审核:郭玲

2023年04月21日 09:39:18

相关新闻

读取内容中,请等待...

最新动态

拉斯维加斯网址线路新闻中心版权所有,拉斯维加斯网址线路新闻网编辑部维护,电子信箱: news@tsinghua.edu.cn
Copyright 2001-2020 news.tsinghua.edu.cn. All rights reserved.
XML 地图 | Sitemap 地图