G蛋白偶联受体(GPCRs)研究进展

蛋白偶联受体（GPCRs）研究进展1李麦香，张燕玲，乔延江2北京中医药大学中药学院（100102）E-mail（[e-mail]）摘要：G蛋白偶联受体(GPCRs)是一个超级膜蛋白家族。该家族的结构特点为七个穿越细胞膜的α-双螺旋结构,其中N-端在细胞外,C-端在细胞内。他们识别并结合细胞外部环境中多种多样的信号分子，激活细胞内的异源三聚体的鸟苷酸结合蛋白（G-protein）。活化后的G蛋白结合GTP置换GDP,三聚体进行解离等变化，从而将信号传递到细胞内的效应分子，引起细胞内的一系列变化。市场上销售额前茅的药物中，有许多是作用于GPCRs的。对GPCRs的研究将会给医疗和医药带来新进展。其中理解GPCRs与信号分子的作用机制至关重要。庆幸的是牛视紫红质蛋白（rhodopsin）的结构已经清楚，其构效关系为其他GPCRs的研究提供了模板。另一个重要的G-蛋白偶联受体是血小板激活因子受体（PAFR），他与血小板激活因子的解聚与许多生理和病理变化相关。本文首先对GPCRs的市场，研究历史，结构分类进行了介绍，然后对牛视紫红质蛋白和血小板激活因子的构效关系现状进行了综述。关键词：膜蛋白，G-蛋白偶联受体，信号传导，牛视紫红质蛋白，血小板激活因子受体1.Ｇ蛋白偶联受体（GPCRs）简介每个细胞的活动都是信息通过细胞膜不同种类的受体，由细胞外传导到细胞内起作用的。Ｇ蛋白偶联受体是目前昀大的蛋白质受体超家族之一。作用于ＧPCRs的物质，通过作为激动剂、或作为拮抗剂、或干涉GPCRs的细胞传导而起作用。ＧPCRs家族被认为是通过相似的分子机制而起作用。首先细胞外配体结合于ＧPCRs，引起受体蛋白的构型变化，从而改变与其相偶联的不同种类的Ｇ蛋白异源三聚体的结合状态。这些Ｇ蛋白的α-亚基、β-、γ-亚基结合为复合物联结于细胞膜内表面。配体和与Ｇ蛋白偶联受体的相互作用触发α-亚基上GDP与GTP交换，从而导致Ｇ蛋白从受体上解离及α-亚基与β、γ-亚基复合物的分离。解离了的α-GTP亚基和β、γ-亚基与不同效应酶和离子通道作用，引起一系列生理反应。由于所有活化了的α-GTP亚基具有GDP酶的活性，α-亚基GTP亚基昀终被水解为α-GDP亚基，该状态与β、γ-亚基有高的亲和力，α-亚基与β、γ-亚基在结合为复合物。这个反应回到静息状态。1本课题得到“高等学校博士学科点专项科研基金资助课题（20030026004）”的资助2联系人简介：乔延江，教授，博士生导师，从事中药信息学研究，Tel：[phone]，E-mail：[e-mail]-1-Ｇ蛋白偶联受体（ＧPCRs）的市场和资源情况2.1Ｇ蛋白偶联受体（ＧPCRs）的市场情况Ｇ蛋白偶联受体（ＧPCRs）在人体内广泛表达并起着基础的生理和病理作用。因此，它们是治疗许多疾病的潜在靶标。在目前市场的近500种药品中，超过30%通过调节ＧPCRs功能而起作用的（见表１）[1]，在２000年在前100名药品中有26种化合物是作用于ＧPCRs靶标的，年销售额超过235亿美元，占全球药品市场总销售额的9%[２]。因此，商业利益和医疗效果使ＧPCRs超级家族成为昀成功的药物作用靶标（见表2）。ＧPCRs的激动剂和拮抗剂有广泛的医疗治病谱，包括疼痛（阿片受体激动剂如吗啡）、哮喘（β2－肾上腺受体激动剂如Salmeterol），消化道溃疡（组织胺受体拮抗剂如雷尼替丁）和高血压（血管紧张素受体拮抗剂如Losatan）。为了研究这些化合物，已经建立了有效的克隆表达受体的方法。同时，快速和有效的筛选上百种化合物库的方法也已经建立起来。从中很容易挑出具有激活或阻断受体作用的“类药”的小分子配体。Table2.Best-sellingtherapeuticstargetedatGPCRsin2000[2]ProductReceptor(s)IndicationCompanyZyprexa®Serotonin5-HT2anddopamineSchizophreniaorantipsychoticEliLilly,Indianapolis,IN,USAClaritin®HistamineH1RhinitisorallergySchering-Plough,Kenilworth,NJ,USARisperdalTMSerotonin5-HT2SchizophreniaJohnson&Johnson,Titusville,NJ,USAImigranTMSerotonin5-HT1B/1DMigraineGlaxoSmithKline,Harlow,UKCozaar®AngiotensinAT2HypertensionMerckandCo.,WhitehouseStation,NJ,USASerevent®β2-adrenoceptorAsthmaGlaxoSmithKlineSingulair®BLT1AsthmaMerckandCo.GastridinTMHistamineH2PepticulcerMerckandCo.Zantac/TagametTMHistamineH2PepticulcerGlaxoSmithKlineZirtecTMHistamineH1RhinitisorallergyPfizer,Sandwich,UKBuSpar®Serotonin5-HT1aAnti-depressantBristol-MyersSquibb,NewYork,NY,USAGaster®HistamineH2PepticulcerYamanouchi,Tokyo,JapanTable1.Moleculartargetsofknowndrugs[1]TargetNumberofdrugs(n=483)GPCRs217Enzymes135Hormonesandfactors53Unknown34Ionchannels24Nuclearreceptors10DNA10-2-Ｇ蛋白偶联受体（ＧPCRs）的资源情况据调查人类35000个基因中，大约有750个是ＧPCRs。其中几乎一半可能属于感觉受体，剩下的400个左右可以考虑为药物靶标。而这其中约30个已经作为药物上市，210个ＧPCRs家族已经找到自然配体，剩余160个被称为“孤儿受体”，功能未知。认出这些受体的生理作用将有助于了解它们的病理作用，这是一个艰难的任务。但是，根据对这个超级家族研究的成功历史，有理由相信这些新受体水平的治疗作用将会使大范围的人类疾病治疗受益[３]。3.ＧPCRs研究历史本世纪20年代Ehrlich和他的学生Dale第一次明确地叙述了反应细胞的“接受物质”的概念。他们是基于经典的生理、药物实验通过肾上腺受体、乙酰胆碱受体作用于离体骨骼肌、平滑肌和舌下唾液腺的激动剂和拮抗剂的实验结果提出来的。在接下来的1920-1970年的半个世纪中Clark,Ariens,Stephenson,BlackandFurchgott等科学家把这些概念发展为经典的受体理论。1960年-1970年经历了生物化学和药学家的首次结合，很快带来了本学科一系列决定性的发现，塑造了本学科原型。首先是第二信息cAMP的发现，它能调节十几种受体的反应；接着发现了负责合成cAMP的cAMP环化酶，后来的cAMP依赖的蛋白激酶发现。1971年Rodbell提出了鸟嘌呤核苷酸调节蛋白作为传递体作用于激素受体和腺苷酸环化酶之间。Gilman和他的同事接着就证明了该蛋白的存在。这些发现提供了信号从细胞外传到细胞内的昀早的分子基础。分子受体的研究（直接评估受体的特性而不是下游的效用推理）可以追随到1970年。当时受体的物理存在受到质疑。像其他许多事情一样，更进一步需要几种新的技术，昀相关的是受体的放射标记的配体结合实验和亲合标记技术的出现。这些技术的成熟运用和系统研究，昀终导致离子通道和7穿膜受体的发现。昀先研究是乙酰胆碱受体、肾上腺受体和视紫红质蛋白。原因如下：电鱼的放电器官含有极丰富的烟碱乙酰胆碱受体；视紫红质蛋白同样资源丰富，因为在牛视网膜棒状细胞的蛋白制品中，视紫红质蛋白的含量占90%。美国纽约Duke大学医学研究中心的RobertJ.Lefkowitz和他的同事们从1970年开始研究β2-肾上腺受体的原因是：（1）它是腺苷酸环化酶的作用的几个受体之一；（2）它有明显的临床心血管作用；（3）1960年β-肾上腺受体阻断剂在临床上应用；（4）通过该研究探索几种用于该类研究的新技术。由于该受体有许多不同结构的激动剂和拮抗剂，是研究放射性配体，亲合标记试剂和亲和层析技术的好材料。1986年的突破性地开始用合成cDNA克隆β2-肾上腺受体，随后和Merk的RichedDixon合作寻找到了β2-肾上腺受体的基因，并且第一次发现编码β2-肾上腺受体的基因无内含子。同样情况的有α2-肾上腺受体，毒箭碱乙酰胆碱受体，多巴胺D1受体和其它几个ＧPCRs。同样重要的发现是β2-肾上腺受体的序列与视紫红质蛋白的同源。并且类似于预测了细菌的7TM细菌视紫红质蛋白，该蛋白是一种光驱动的质子泵。这使我们认识到很有可能许多或所有GPCRs的具有共同的7TM排列。这种假设在后来的几年中很快被证实[4]。-3-年以来，几百种不同的ＧPCRs被克隆和测序。这些结果表明作用于ＧPCRs的配体结构有很大的不同。有不同的分类方法。一种是基于配体结构的分类，另一种是基于氨基酸序列相似性和Ｇ蛋白偶联特征的分类。按配体结构分：主要有小分子生物胺类，如作用于神经递质的5-羟色胺（5-HT），多巴胺/肾上腺素和毒蕈碱样乙酰胆碱受体（mAChR），有与前者显著不同的糖蛋白激素，如甲状腺激素（TSH）,卵泡促进激素（FSH），黄体激素/戎毛促性腺激素（LH/CG）大分子的配体；还有多种多肽等。一些近来发现的HIV进入体细胞必须的化学促活素也是ＧPCRs的配体。其它配体包括L-谷氨酸盐（脑内主要的兴奋递质），核苷酸（ATP/UTP），Postanoid，钙离子（钙感受器）和脂等（如PAF）。按序列相似性分可分为四类（见表３）[5]。视紫红质蛋白代表的类型I是ＧPCRs家族中昀大的超级家族。作用于该类型的配体多种多样。该类型的标志是约20个氨基酸高度保守（见图1），这些氨基酸大部分，包括几个保守的Pro存在于穿膜受体的细胞浆部分。突变研究的数据结果表明这些高度保守的氨基酸残基是蛋白稳定或活性作用时构型变化必须的。促胰液素／胰高血糖素受体家族（类型II）组成了一个相互较小的肽素受体家族。这个家族的共同特征是：有２０个左右相同的氨基酸；一个相对较长的包括６个保守很好的半胱氨酸残基的Ｎ－端细胞外结构域。类型III由谷氨酸受体（mGluRs）(有８种亚基)钙感受器、r-GABA受体和100多种存在于鼻梨骨基部神经元的推测可能是外激素受体。这个家族的标志是有一个超长的细胞外Ｎ－端结构域与配体的结合相关。类型IV具有相对较短N-端部分并且有47-87％序列相同。选择性表达于鼻梨器官神经元的末端，目前推测有30-40个外激素受体组成。Figure1AsecondarystructurediagramofbovineRho.Theamino-terminaltailandextracellulardomainistowardthetop,andthecarboxyl-terminaltailandcytoplasmicdomainistowardthebottom.Transmembraneα-helicalsegments(H1toH7)andthecationicamphipathichelixH8areshownincylinders.AnessentialdisulfidebondlinksCys-11