Cell Res | 破解阿片受体“信号密码”：浙江大学张岩团队揭示GPCR信号调控新机制

G蛋白偶联受体（GPCRs）具有跨膜结构域（TMD），这对跨细胞膜的信号转导至关重要。TMD由一束7个跨膜α-螺旋组成，由3个细胞外环（ECLs）和3个细胞内环（ICLs）连接。GPCRs最大的系统发育类别是A类，其特征是TMD，通常伴随着短的氨基端和不同长度的羧基端。GPCRs具有高度的灵活性，在与各种配体或下游信号效应物相互作用时，往往呈现不同的构象状态，每种状态都与特定的生理反应有关。激活GPCR的动力学既反映了内在的结构变化，也反映了由配体结合或换能器偶联引起的外在干扰。GPCRs的跨膜螺旋6 （TM6）在从无活性状态过渡到活性状态时，发生了显著的旋转和向外位移，后者相对于螺旋束的中心轴通常超过10 Å。这种运动伴随着TM5和TM7的旋转和轻微的向内移位。

虽然GPCR结构研究已经很好地表征了TM5-7的构象变化，但其他跨膜片段的变化，特别是位于TM核心外围的TM1，却受到了有限的关注。研究人员从许多冷冻电子显微镜（cryo-EM）结构中观察到TM1比其他TM具有更大的灵活性。TM1的柔韧性对邻近的TM2和TM7-螺旋8界面的潜在调节作用，以及其可能参与调节配体结合和GPCRs的下游信号传导，仍有待阐明。解决这些问题将增强对GPCR信号转导调控的理解。将这些见解纳入药物开发过程可以促进具有改进治疗特性的创新构象特异性药物的设计。事实上，分析GPCR与不同下游信号蛋白结合时的构象选择性不仅增强了对GPCR动力学的理解，而且有助于针对关键GPCR设计有偏见的配体。在这项研究中，研究人员将重点放在μ-阿片受体（μOR）上，研究TM螺旋动力学与下游信号调节之间的精确关系。μOR是一种关键的GPCR，参与多种下游信号通路，并且需要开发具有较小副作用的信号偏配体。

μOR是治疗疼痛、急性肺水肿、咳嗽、腹泻和寒战的阿片类药物的主要靶点。然而，μOR-阿片结合也会引起不良的副作用，如呼吸抑制和成瘾。因此，阿片类药物的临床应用往往受到耐受性和依赖性发展的限制。μOR可以激活多种信号通路，包括各种Gi蛋白亚型和β-arrestins （βarrs、β-arrestin-1和β-arrestin-2，也称为arrestin-2和arrestin-3）介导的信号通路。μOR激动剂激活的不同信号通路不同地调节受体运输、脱敏、内化和下游信号。μOR与G_i/o家族的所有7个成员相互作用，包括常规亚型（G_i1、G_i2、G_i3、G_oA和G_oB）和非典型亚型（G_z和G_g）。

μ OR介导信号转导的分子机制（图源自Cell Research ）

虽然高度保守，但这7种G蛋白亚型在结构和功能上存在差异。除G_z外，G_i/o家族的所有成员都是百日咳毒素ADP核糖基化的底物。然而，G_z具有独特的生化特性和调控属性，与其他G_i/o家族成员的序列相似性最小。因此，研究μOR-G_z复合物的分子机制及其下游信号通路至关重要。大量的工作致力于求解G_i耦合μOR的结构。然而，μOR-G_z和μOR -βarr偶联的分子基础仍然难以捉摸，这既阻碍了对μOR通过其多种接头蛋白介导的信号传导的全面理解，也阻碍了非呼吸抑制性镇痛药的开发。因此，阐明μOR识别和激活G_z和βarr的分子机制对于开发μOR靶向治疗药物至关重要。

为了阐明不同配体在各种下游信号通路上的共同激活机制，研究人员选择了两种原型肽激动剂，DAMGO （[D-Ala², N-MePhe⁴， Gly-ol]-脑啡肽，即Tyr-D-Ala-Gly-[N-MePhe]-Gly-ol）和内啡肽-1 (Tyr-Pro-Trp-Phe-NH₂)，用于μOR-G_z和μOR - βarr1复合物的冷冻电镜结构测定。值得注意的是，这些配体表现出不同的μOR结合模式，但激活G_i， G_z和β-阻滞蛋白途径的水平相当。此外，它们各自的μOR-G_i配合物的结构已经被阐明。

该研究报告了μOR-G_z和μOR -βarr1配合物的冷冻电镜结构，分辨率为2.8 Å。通过与μOR-G_i结构的比较，研究揭示了μOR在多种下游信号通路激活时发生的独特构象变化，特别是TM1相对于受体其他部分的位移。DAMGO-和内源性肽-1偶联的μOR-G_z和μOR-βarr1配合物在配体特异性配合物上表现出TM1的保守构象移位，表明TM1是μOR信号偏倚的保守变构调节剂。这些结果与分子动力学（MD）模拟和诱变相结合，建立了μOR构象动力学与信号转导结果之间的相关性。此外，该研究确定了由TM1、TM2和TM7组成的变构袋（称为TM1融合袋）。在这个口袋中，具有不同空间体积的配体不同地稳定TM1构象，使未来合理设计偏置配体成为可能。总的来说，该研究建立了一个理解μOR信号可塑性的框架，并暗示TM1动力学在GPCR信号的调控中，为GPCR信号多样性提供了机制见解，并促进了合理的药物发现。

https://www.nature.com/articles/s41422-025-01191-8

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