通過國際合作，圣裘德兒童研究醫(yī)院的科學家利用數(shù)據(jù)科學、藥理學和結構信息，對受體中結合腎上腺素的每種氨基酸在這種天然配體存在的情況下如何促進受體活性進行原子水平的研究。他們準確地發(fā)現(xiàn)了哪些氨基酸控制配體的關鍵藥理學特性。研究的腎上腺素受體是 G 蛋白偶聯(lián)受體 (GPCR) 家族的成員，該家族是美國食品和藥物管理局 (FDA) 批準的所有藥物中三分之一的目標。因此，了解 GPCR 如何響應天然或治療性配體對于開發(fā)對受體活性具有精確影響的新療法至關重要。這項工作今天發(fā)表在《科學》雜志上。

要了解手表的工作原理，人們可以將其一塊一塊地拆開，并研究每個部件在其計時功能中所扮演的角色。同樣，在 GPCR 等蛋白質中，每個氨基酸可能在蛋白質如何響應外部信號方面發(fā)揮不同的作用。St. Jude 的研究人員與斯坦福大學、蒙特利爾大學、MRC 分子生物學實驗室和劍橋大學的科學家合作，通過一次替換一個氨基酸來研究 β2-腎上腺素受體 (β2AR)，以了解其貢獻該受體中的每個氨基酸介導信號反應。

“科學家們通過一次破壞一個基因來了解基因如何促進細胞功能。我們問，‘為什么我們不更進一步呢?讓我們了解每種氨基酸如何通過突變來促進受體的功能， 一次一個氨基酸，”共同通訊作者、來自圣裘德結構生物學系卓越中心的M. Madan Babu 博士說道。數(shù)據(jù)驅動發(fā)現(xiàn)總監(jiān)兼生物數(shù)據(jù)科學 George J. Pedersen 講座教授。“通過進化，受體中的每個氨基酸都以某種方式被塑造，以確保它與天然配體(在本例中為腎上腺素)結合，并引發(fā)適當?shù)纳矸磻?rdquo;

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GPCR 是跨越細胞膜的蛋白質，通過將外部信號傳輸?shù)郊毎麅炔浚瑢⒓毎獠颗c其內部環(huán)境連接起來。對于 β2AR，腎上腺素與細胞外部分的 GPCR 結合，誘導細胞內的反應。

當配體結合時，它會引起受體形狀的變化，特別是在 G 蛋白結合的受體的細胞內區(qū)域。配體和 G 蛋白的結合位點位于蛋白質的相對兩側，但通過跨越整個蛋白質的復雜氨基酸接觸網絡連接。GPCR 內的構象(形狀)變化會激活 G 蛋白，從而觸發(fā)細胞內的下游信號反應。通過對多種組織和 GPCR(包括 β2AR)的影響，腎上腺素可以觸發(fā)戰(zhàn)斗或逃跑反應，例如在腎上腺素激增期間。

為了了解 GPCR 中每個氨基酸的作用，該項目的主要作者和共同通訊作者、現(xiàn)就職于馬爾堡菲利普大學的 Franziska Heydenreich 博士對 β2AR 中的 412 個氨基酸進行了突變。然后，她評估了每個突變體對配體腎上腺素的反應，并確定了功效和效力的經典藥理學特性。功效衡量配體可以引起的最大反應，效力衡量引起最大反應一半所需的配體量。目的是在原子尺度上揭示每種氨基酸如何促進這些藥理學特性。

“令人驚訝的是，400 多種氨基酸中只有約 80 種具有這些藥理特性。在這些藥理學相關的氨基酸中，只有三分之一位于配體或 G 蛋白與受體結合的區(qū)域內，”Heydenreich 說。

巴布說：“觀察到一些氨基酸控制功效，一些氨基酸控制效力，還有一些氨基酸同時影響兩者，這是很有趣的。” “這意味著如果你想制造一種更有效的藥物，你現(xiàn)在知道新配體需要影響某些特定殘基。” 研究人員還指出，每個殘基對功效和效力的單獨貢獻并不相等，這意味著在設計新的治療配體時有更多機會微調藥物反應。

“幾十年來，人們一直在測量多種配體-受體信號系統(tǒng)的功效和效力。現(xiàn)在我們可以了解蛋白質序列中的特定氨基酸如何影響這些藥理學特性，”巴布解釋道。

“結果的一個令人著迷的方面是效力和功效可以通過不同的機制相互獨立地調節(jié)。這為理解遺傳變異如何影響個體之間的藥物反應提供了基礎。”蒙特利爾大學生物化學和分子醫(yī)學系的共同通訊作者、免疫學和癌癥研究所所長 Michel Bouvier 博士添加。

美麗的網絡

先前的研究闡明了 β2AR 活性和非活性狀態(tài)的結構。基于這些知識，研究人員開始了一項新的調查。他們探索了先前被證明不參與配體或 G 蛋白結合的三分之二藥理學相關氨基酸是否可能在受體活性和非活性狀態(tài)之間的轉變中發(fā)揮作用。

Heydenreich 說：“我們開始系統(tǒng)地研究活性狀態(tài)特有的每個殘基接觸，以了解形成活性狀態(tài)接觸的所有氨基酸是否都很重要。”

研究人員開發(fā)了一個數(shù)據(jù)科學框架來系統(tǒng)地整合藥理學和結構數(shù)據(jù)，并揭示了 GPCR 信號傳導的第一張全面圖景。“當我們將藥理學數(shù)據(jù)映射到結構上時，它們形成了一個美麗的網絡，”巴布說。

“它為連接配體結合口袋和控制功效和效力的 G 蛋白結合位點的變構網絡提供了新的見解。” 斯坦福大學醫(yī)學院的共同通訊作者、2012 年諾貝爾化學獎得主 Brian Kobilka 補充道。

通過在原子水平上了解 GPCR 信號傳導，研究人員樂觀地認為他們可以開始更深入的探索——觀察活性和非活性構象之間的瞬時亞狀態(tài)，并探索蛋白質的構象景觀。

海登賴希說：“我們現(xiàn)在知道要追蹤哪些突變體，那些只影響功效、效力或兩者兼而有之的突變體。”

“現(xiàn)在，我們可以對這些突變體進行分子動力學計算和單分子實驗，以揭示變構網絡影響介導信號反應的功效和效力的確切機制。這是我們通過圣裘德 GPCR 研究合作組織追求的一個方向，該合作組織包括來自多個機構的 PI。” 巴布解釋道。

除了這些參與調節(jié)活性狀態(tài)特異性接觸并在突變時影響藥理學的“驅動”殘基之外，巴布和他的同事還打算探索這項工作揭示的其他關鍵發(fā)現(xiàn)。他們的目標是研究“過客”氨基酸，盡管它們在活性狀態(tài)下接觸，但在突變時不會影響功效或效力。他們還對“調節(jié)劑”殘基感興趣，這些殘基不會介導活性狀態(tài)特異性接觸，但在突變時會改變藥理學。他們的數(shù)據(jù)科學方法整合了結構信息和藥理學測量，并不局限于 β2AR。它可以擴展到任何 GPCR，以增強我們對控制此類關鍵藥物靶點的機制的理解。