醫學院布萊恩·科比爾卡教授研究組合作在《科學

發布時間:2019-07-07 23:32??點擊次數:193??來源:成都市京健人民醫院

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醫學院布萊恩·科比爾卡教授研究組合作在《科學》發文闡述beta2腎上腺素受體胞內別構激動劑的調控機理

清華新聞網7月1日電  6月28日,清華大學醫學院、結構生物學高精尖創新中心布萊恩·科比爾卡(Brian Kobilka)教授研究組合作在《科學》(Science)期刊在線發表題為《胞內別構激動劑調控beta2腎上腺素受體的機理》(Mechanism of β2AR regulation by an intracellular positive allosteric modulator)的文章,首次報道了激活態的beta2腎上腺素受體(β2AR)同時結合正構激動劑BI167107和別構激動劑Cmpd-6FA的晶體結構。這項工作鑒定了一個新的G蛋白偶聯受體(GPCR)別構調節位點,并發現了新的別構調節機制,為針對GPCR的別構藥物研發提供了指導。

G蛋白偶聯受體(GPCR)家族在人體中有800多個成員,在視覺,嗅覺,味覺,以及激素和神經遞質的信號轉導中發揮著重要的生理功能,同時也是關鍵的藥物研發靶點。目前絕大多數的GPCR藥物靶向其正構位點,即天然底物結合的位點。正構位點在不同亞型的GPCR之間保守性較高,以致正構藥物常存在亞型選擇性較差的問題。別構調節物指的是不結合在GPCR正構底物結合位點的小分子化合物。其結合位置通常保守性較低,因此有可能具有更好的選擇性。近年來,不少GPCR結合別構調節物的結構被報道出來,但是這些結構多數報道的是別構拮抗劑,它們將GPCR穩定在非激活狀態。在本工作發表之前,僅有一個激活態GPCR結合小分子別構激動劑的結構被發表,即布萊恩·科比爾卡在斯坦福大學研究組于2013年發表的激活態M2乙酰膽堿受體結合別構激動劑LY2119620的結構(Kruse et al., 2013)。

Beta2腎上腺素受體屬于 GPCR家族,在心肺系統中起重要調節作用。Beta2腎上腺素受體的配體,如beta阻滯劑(beta-blocker)和beta激動劑(beta-agonist),是常用的治療心血管和呼吸道疾病的臨床藥物。在2017年,布萊恩·科比爾卡教授在清華大學醫學院的研究組和杜克大學羅伯特·萊夫科維茨(Robert Lefkowitz)教授研究組合作在《自然》發文報道了Beta2腎上腺素受體結合首個胞內別構拮抗劑Cmpd-15的結構(Liu et al., 2017)。近期羅伯特·萊夫科維茨教授研究組通過DNA編碼的小分子庫篩選發現另一個小分子化合物Cmpd-6對beta2腎上腺素受體具有別構激動劑的活性(Ahn et al., 2018)。其能提高beta2腎上腺素受體對正構激動劑的親和力,并且能與下游信號傳導蛋白如G蛋白和arrestin協同作用,介導下游信號的傳導。

布萊恩·科比爾卡教授研究組和羅伯特·萊夫科維茨教授研究組合作,嘗試利用蛋白質晶體學的手段獲得激活態β2AR與Cmpd-6的復合物結構。然而初期的多次嘗試都無法檢測到Cmpd-6的電子密度。研究人員分析認為這是由于Cmpd-6溶解度較低,且親和力較弱(uM級別),導致在晶體里面Cmpd-6的占有率較低,無法檢測到電子密度。為了解決這個問題,羅伯特·萊夫科維茨教授研究組在Cmpd-6上引入乙酸基團獲得溶解度更高的衍生物Cmpd-6FA。布萊恩·科比爾卡研究組發現在較高沉淀劑PEG400濃度下Cmpd-6FA溶解度比較高,并經過一系列的晶體篩選和優化,成功在高PEG400濃度的條件下獲得了激活態β2AR的晶體。最終在一個添加了3 mM Cmpd-6FA的結晶條件下收到了3.2埃的晶體數據,并且觀測到了屬于Cmpd-6FA的電子密度。Cmpd-6FA結合在跨膜螺旋2、3、4和第二胞內環(ICL2)形成的結合口袋里(圖1)。 

醫學院布萊恩·科比爾卡教授研究組合作在《科學

圖1:Cmpd-6FA的分子式及對β2AR的別構激活劑活性,以及激活態β2AR結合納米抗體NB6B9,正構激動劑BI167107和別構激動劑Cmpd-6FA的結構。

有趣的是,β2AR的第二胞內環在非激活態下是無規卷曲的結構,在激活態下是alpha螺旋結構。而Cmpd-6FA的結合穩定了其alpha螺旋結構。一方面,這有助于β2AR與下游Gs蛋白的結合。另一方面,為了形成第二胞內環的螺旋結構,β2AR的跨膜螺旋3(TM3)需要向內移動大約3埃,螺旋3的內移引起跨膜螺旋5和6(TM5和TM6)的外移,而后者是GPCR激活態的標志性構象。因此,盡管Cmpd-6FA結合在胞內的位置,它促使β2AR更傾向于處在激活狀態,進而影響結合在β2AR胞外口袋的正構激動劑的親和力(圖2)。這一機理不同于之前報道的LY2119620影響M2乙酰膽堿受體的機理。LY2119620結合在M2乙酰膽堿受體的胞外口袋直接阻止正構激動劑的解離。 

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