2023年4月14日，清華大學(xué)藥學(xué)院/北京生物結(jié)構(gòu)前沿研究中心劉翔宇課題組與斯坦福大學(xué)Brian Kobilka課題組，德國(guó)弗里德里希-亞歷山大-埃爾朗根-紐倫堡大學(xué)化學(xué)與藥理學(xué)系Peter Gmeiner教授課題組及加州大學(xué)圣地亞戈分校藥理學(xué)系Roger Sunahara教授課題組合作在《自然通訊》（Nature Communications）雜志聯(lián)合發(fā)表題為“構(gòu)象限制的兒茶酚胺通過(guò)變構(gòu)效應(yīng)獲得對(duì)β2腎上腺素受體的選擇性”(Constrained catecholamines gain β2AR selectivity through allosteric effects on pocket dynamics)的文章。該工作報(bào)道了一個(gè)出乎意料的發(fā)現(xiàn)，即在引入兩個(gè)碳原子限制腎上腺素的構(gòu)象之后，構(gòu)象限制的腎上腺素（或去甲腎上腺素）獲得了對(duì)β2腎上腺素受體（β2AR）上百倍的選擇性（相較于序列非常相似的β1AR）。研究人員結(jié)合晶體學(xué)、配體結(jié)合動(dòng)力學(xué)、G蛋白偶聯(lián)受體信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)實(shí)驗(yàn)、分子動(dòng)力學(xué)模擬等多種手段，發(fā)現(xiàn)即使是具有相同正構(gòu)配體結(jié)合口袋的G蛋白偶聯(lián)受體亞型，如β1AR和β2AR，正構(gòu)配體結(jié)合口袋的形狀和穩(wěn)定性也會(huì)受到周圍殘基的影響，從而導(dǎo)致配體親和力的顯著差異。該工作為設(shè)計(jì)和優(yōu)化G蛋白偶聯(lián)受體的亞型選擇性配體提供了新思路。

想象一下有兩間看著大小、材質(zhì)都一模一樣的小房子，房子高度都和你差不多，你走進(jìn)去呆著感覺(jué)不到什么差別。而當(dāng)你帶上一頂厚帽子再走進(jìn)去的時(shí)候，就感覺(jué)其中一間小房子很舒服，另一間特別別扭。你仔細(xì)找為什么會(huì)這樣？然后發(fā)現(xiàn)其中一間的房頂是活動(dòng)的。厚帽子雖然蹭著房頂，但是你不覺(jué)得擠。而另一間的房頂比較固定，你走進(jìn)去就覺(jué)得硌著了。

本工作發(fā)現(xiàn)的差不多就是這樣一件事情。腎上腺素待在beta1或者beta2的結(jié)合口袋（小房子）里面的時(shí)候，感覺(jué)都差不多。但是帶了厚帽子的腎上腺素（c-Epi）就只喜歡beta2的口袋。研究者們找了半天發(fā)現(xiàn)在beta2里面，小房子的屋頂（F45.52）活動(dòng)性較強(qiáng)，結(jié)合c-Epi時(shí)可以自己往上動(dòng)一點(diǎn)點(diǎn)（0.8埃左右）。但是beta1里面就不行。研究者們進(jìn)一步找到F45.52的活動(dòng)性是受周圍環(huán)境影響的，換了周圍的環(huán)境（圍繞它的四個(gè)氨基酸）以后，beta1又行了，而beta2就不行了。

所以，雖然一些GPCR的配體結(jié)合口袋（小房子）長(zhǎng)的差不多，我們還是有辦法找出喜歡其中某一個(gè)，而不喜歡另一個(gè)的化合物（亞型選擇性藥物）的。

G蛋白偶聯(lián)受體(GPCRs)是重要的治療靶點(diǎn)。基于GPCRs開發(fā)藥物的主要挑戰(zhàn)之一是避免脫靶副作用，并實(shí)現(xiàn)候選藥物更大的亞型選擇性。βARs參與調(diào)節(jié)如心跳、呼吸等關(guān)鍵的生理過(guò)程，是研究G蛋白偶聯(lián)受體的經(jīng)典模型。βARs受內(nèi)源兒茶酚胺去甲腎上腺素(Norepi)和腎上腺素(Epi)的調(diào)控。Epi對(duì)于β₁AR和β₂AR具有相似的親和力，而 Norepi則對(duì)β₁AR具有約為十倍的選擇性。之前的研究表明，β₁AR和β₂AR的配體進(jìn)入通道可能不同。分子動(dòng)力學(xué)模擬的結(jié)果表明，配體的靈活性可能是影響配體通過(guò)胞外通道的重要因素。然而，當(dāng)配體到達(dá)正構(gòu)配體口袋時(shí)，配體的靈活性也會(huì)產(chǎn)生熵的限制，在結(jié)合口袋里它被限制為單一或有限的構(gòu)象。為了研究配體靈活性的影響以及熵變對(duì)于兒茶酚胺與β₁AR和β₂AR結(jié)合的影響，我們合成了構(gòu)象限制的腎上腺素（cEpi）, 去甲腎上腺素（cNorEpi）和異丙腎上腺素（cISO）來(lái)限制或約束可旋轉(zhuǎn)鍵，并研究了它們的藥理學(xué)和信號(hào)傳導(dǎo)的性質(zhì)（圖一）。結(jié)果顯示，構(gòu)象限制的兒茶酚胺cEpi、cNorEpi和cISO均獲得了對(duì)β₂AR的亞型選擇性，其中cEpi對(duì)β₂AR的親和力比β₁AR高了數(shù)百倍。

圖一 構(gòu)象限制的兒茶酚胺通過(guò)變構(gòu)效應(yīng)獲得對(duì)β2腎上腺素受體的選擇性

(a.構(gòu)象限制的兒茶酚胺的設(shè)計(jì)與合成。b.c-Epi對(duì)β2AR的亞型選擇性。c.c-Epi與β2AR的結(jié)合口袋及周圍關(guān)鍵的差異氨基酸。 d. 突變受體正構(gòu)位點(diǎn)周圍殘基影響c-Epi對(duì)受體的親和力。)

為了探究構(gòu)象限制的兒茶酚對(duì)β₂AR選擇性的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，我們解析了c-Epi和c-ISO與β₂AR復(fù)合物的高分辨率晶體結(jié)構(gòu)。當(dāng)比較β₂AR-Epi結(jié)構(gòu)與β₂AR-c-Epi結(jié)構(gòu)時(shí)，所有的正構(gòu)配體口袋的殘基位置都是相似的，除了F193^45.52側(cè)鏈略有向上位移(~0.8 ?)。c-Epi和c-NorEpi與β₁AR和β₂AR結(jié)合的動(dòng)力學(xué)研究表明，c-Epi與β₂AR的結(jié)合速度比Epi快，說(shuō)明配體的構(gòu)象限制促進(jìn)了其與受體的結(jié)合。這可能是由于熵的優(yōu)勢(shì)，也可能是受構(gòu)象限制增加的疏水作用的影響。為了試圖確定影響構(gòu)象限制的兒茶胺親和力的關(guān)鍵氨基酸，我們進(jìn)行了突變體研究。我們關(guān)注了F^45.52周圍關(guān)鍵氨基酸的作用，在距離F^45.52 附近5 ?的氨基酸中，β₁AR和β₂AR有4個(gè)不同的殘基，這些氨基酸會(huì)影響F^45.52所處環(huán)境，但不直接參與激動(dòng)劑的結(jié)合。突變這四個(gè)氨基酸使得β₂AR對(duì) c-NorEpi和c-ISO的結(jié)合效力降低，而β₁AR對(duì)c-NorEpi和c-ISO的效力增加。分子動(dòng)力學(xué)模擬表明c-Epi在β₁AR的正構(gòu)口袋并不穩(wěn)定，而突變四個(gè)氨基酸的β₁AR與c-Epi結(jié)合模式更為穩(wěn)定。由于c-Epi中兩個(gè)碳的增加，需要由F193^45.52向上位移所創(chuàng)造的額外空間。而β₁AR中F^45.52周圍殘基的變構(gòu)效應(yīng)可能不允許其像β₂AR中那樣向上移動(dòng)。以上結(jié)果表明，正構(gòu)位點(diǎn)周圍殘基的變構(gòu)效應(yīng)改變了口袋的形狀，并有助于構(gòu)象限制的兒茶酚胺獲得對(duì)β₂AR的選擇性。

德國(guó)弗里德里希-亞歷山大-埃爾朗根-紐倫堡大學(xué)化學(xué)與藥理學(xué)系的Peter Gmeiner教授，清華大學(xué)藥學(xué)院劉翔宇教授，加州大學(xué)圣地亞戈分校藥理學(xué)系Roger Sunahara教授，斯坦福大學(xué)Brian Kobilka教授為本文的通訊作者。清華大學(xué)藥學(xué)院博士后許心宇博士為本文的第一作者。本課題得到了北京生物結(jié)構(gòu)前沿研究中心、清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心、國(guó)家自然科學(xué)基金委、中國(guó)博士后科學(xué)基金等支持。

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