代谢型谷氨酸受体异源二聚体激活机制的研究

摘要

G蛋白偶联受体(GPCR)作为一类最庞大的膜受体家族，可以响应多种细胞外化学和物理的刺激，并且可以通过招募不同的下游信号伴侣来传递不同的信息，完成多种生理功能。因此GPCR是非常重要的药物靶点，以其为靶点的药物大约占全球药物市场份额的27%。虽然很多GPCR可以以单体的形式发挥功能，但是越来越多的证据表明GPCR可以自己与自己或者相互之间形成同源二聚体或者异源二聚体。目前，大多数GPCR异源二聚体在体内所扮演的生理作用还处于未知状态。 GPCR超家族拥有超过800个成员，可以分为A族，B族，C族和F族。代谢型谷氨酸受体(mGluR)属于C族成员，拥有8个成员，可以分为3个亚族：亚族Ⅰ（mGluR1和mGluR5），亚族Ⅱ（mGluR2和mGluR3），亚族Ⅲ（mGluR4、mGuR6、mGluR7和mGluR8）。mGluR通过结合非常重要的神经递质谷氨酸（glutamate）来来介导下游信号，在神经系统中发挥着非常重要的作用，参与到认知、记忆、焦虑、疼痛感知等生理过程中。mGluR是一种严格的二聚体，二聚化对受体的激活非常重要，最近有报道称他们不仅可以形成同源二聚体，而且不同亚族之间还可以相互组合形成异源二聚体来发挥功能。但是同源二聚体与异源二聚体之间的激活机制以及下游的信号通路是否一样，仍然研究得不清楚。 本课题以mGluR为研究模型，探讨了GPCR异源二聚体的激活机制。我们发现虽然在mGluR2和mGluR4同源二聚体中，两侧的亚基都有G蛋白偶联功能，但是在mGluR2-4异源二聚体中，只有mGluR4的亚基担任G蛋白偶联的角色，展示出一种不对称激活现象，并且该现象在大部分的mGluR异源二聚体（mGluR2-4、mGluR2-6、mGluR2-7、mGluR2-8、mGluR3-4、mGluR3-6、mGluR3-7和mGluR3-8异源二聚体）中都是存在的，具有普遍性的意义；通过构建不同结构域的嵌合体和组成型活性突变体的方法，我们发现这种不对称激活现象与受体的7次跨膜区（HD区）的变构调节有关；最后，我们发现该不对称激活现象可以被结合在HD区的变构分子逆转。在mGluR2-4异源二聚体中，用mGluR4的负向变构剂（NAM）增加mGluR4的HD区激活能垒或者用mGluR2的正向变构剂（PAM）降低mGluR2的激活能垒时，mGluR2的HD区可以重新获得G蛋白偶联功能。通过分子动力学模拟分析，我们发现mGluR4的HD区的静息状态下构象波动以及HD区底部ICL1和ICL3之间的距离都比mGluR2的大，该结果进一步验证了mGluR4的激活能垒低于mGluR2。该研究细节性的展示出了GPCR同源二聚体与异源二聚体之间的激活差异，发现GPCR异源二聚体中一种有趣的不对称激活现象，并且该现象是可以被小分子变构分子所调节。 我们的研究展示了变构分子对于倾向性的不对称激活的调节作用，对于GPCR二聚体亚基之间的相互作用的变构调节提出来一种新的机制，为基于GPCR异源二聚体的药物筛选提供了理论基础。GPCR的同源二聚体和异源二聚体都是不同的功能实体，虽然他们都由相同的单体组成，但是都表现出自己独特的属性，就好比虽然后代的基因都来源于父亲和母亲，却展示着自己独有的特性一样。GPCR异源二聚体必须被当做区别于单体和同源二聚体的独特药物靶点来进行药理学和生理学的研究。

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