通过国际合作，圣裘德儿童研究医院的科学家利用数据科学、药理学和结构信息，对受体中结合肾上腺素的每种氨基酸在这种天然配体存在的情况下如何促进受体活性进行原子水平的研究。他们准确地发现了哪些氨基酸控制配体的关键药理学特性。研究的肾上腺素受体是 G 蛋白偶联受体 (GPCR) 家族的成员，该家族是美国食品和药物管理局 (FDA) 批准的所有药物中三分之一的目标。因此，了解 GPCR 如何响应天然或治疗性配体对于开发对受体活性具有精确影响的新疗法至关重要。这项工作今天发表在《科学》杂志上。

要了解手表的工作原理，人们可以将其一块一块地拆开，并研究每个部件在其计时功能中所扮演的角色。同样，在 GPCR 等蛋白质中，每个氨基酸可能在蛋白质如何响应外部信号方面发挥不同的作用。St. Jude 的研究人员与斯坦福大学、蒙特利尔大学、MRC 分子生物学实验室和剑桥大学的科学家合作，通过一次替换一个氨基酸来研究 β2-肾上腺素受体 (β2AR)，以了解其贡献该受体中的每个氨基酸介导信号反应。

“科学家们通过一次破坏一个基因来了解基因如何促进细胞功能。我们问，‘为什么我们不更进一步呢?让我们了解每种氨基酸如何通过突变来促进受体的功能， 一次一个氨基酸，”共同通讯作者、来自圣裘德结构生物学系卓越中心的M. Madan Babu 博士说道。数据驱动发现总监兼生物数据科学 George J. Pedersen 讲座教授。“通过进化，受体中的每个氨基酸都以某种方式被塑造，以确保它与天然配体(在本例中为肾上腺素)结合，并引发适当的生理反应。”

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GPCR 是跨越细胞膜的蛋白质，通过将外部信号传输到细胞内部，将细胞外部与其内部环境连接起来。对于 β2AR，肾上腺素与细胞外部分的 GPCR 结合，诱导细胞内的反应。

当配体结合时，它会引起受体形状的变化，特别是在 G 蛋白结合的受体的细胞内区域。配体和 G 蛋白的结合位点位于蛋白质的相对两侧，但通过跨越整个蛋白质的复杂氨基酸接触网络连接。GPCR 内的构象(形状)变化会激活 G 蛋白，从而触发细胞内的下游信号反应。通过对多种组织和 GPCR(包括 β2AR)的影响，肾上腺素可以触发战斗或逃跑反应，例如在肾上腺素激增期间。

为了了解 GPCR 中每个氨基酸的作用，该项目的主要作者和共同通讯作者、现就职于马尔堡菲利普大学的 Franziska Heydenreich 博士对 β2AR 中的 412 个氨基酸进行了突变。然后，她评估了每个突变体对配体肾上腺素的反应，并确定了功效和效力的经典药理学特性。功效衡量配体可以引起的最大反应，效力衡量引起最大反应一半所需的配体量。目的是在原子尺度上揭示每种氨基酸如何促进这些药理学特性。

“令人惊讶的是，400 多种氨基酸中只有约 80 种具有这些药理特性。在这些药理学相关的氨基酸中，只有三分之一位于配体或 G 蛋白与受体结合的区域内，”Heydenreich 说。

巴布说：“观察到一些氨基酸控制功效，一些氨基酸控制效力，还有一些氨基酸同时影响两者，这是很有趣的。” “这意味着如果你想制造一种更有效的药物，你现在知道新配体需要影响某些特定残基。” 研究人员还指出，每个残基对功效和效力的单独贡献并不相等，这意味着在设计新的治疗配体时有更多机会微调药物反应。

“几十年来，人们一直在测量多种配体-受体信号系统的功效和效力。现在我们可以了解蛋白质序列中的特定氨基酸如何影响这些药理学特性，”巴布解释道。

“结果的一个令人着迷的方面是效力和功效可以通过不同的机制相互独立地调节。这为理解遗传变异如何影响个体之间的药物反应提供了基础。”蒙特利尔大学生物化学和分子医学系的共同通讯作者、免疫学和癌症研究所所长 Michel Bouvier 博士添加。

美丽的网络

先前的研究阐明了 β2AR 活性和非活性状态的结构。基于这些知识，研究人员开始了一项新的调查。他们探索了先前被证明不参与配体或 G 蛋白结合的三分之二药理学相关氨基酸是否可能在受体活性和非活性状态之间的转变中发挥作用。

Heydenreich 说：“我们开始系统地研究活性状态特有的每个残基接触，以了解形成活性状态接触的所有氨基酸是否都很重要。”

研究人员开发了一个数据科学框架来系统地整合药理学和结构数据，并揭示了 GPCR 信号传导的第一张全面图景。“当我们将药理学数据映射到结构上时，它们形成了一个美丽的网络，”巴布说。

“它为连接配体结合口袋和控制功效和效力的 G 蛋白结合位点的变构网络提供了新的见解。” 斯坦福大学医学院的共同通讯作者、2012 年诺贝尔化学奖得主 Brian Kobilka 补充道。

通过在原子水平上了解 GPCR 信号传导，研究人员乐观地认为他们可以开始更深入的探索——观察活性和非活性构象之间的瞬时亚状态，并探索蛋白质的构象景观。

海登赖希说：“我们现在知道要追踪哪些突变体，那些只影响功效、效力或两者兼而有之的突变体。”

“现在，我们可以对这些突变体进行分子动力学计算和单分子实验，以揭示变构网络影响介导信号反应的功效和效力的确切机制。这是我们通过圣裘德 GPCR 研究合作组织追求的一个方向，该合作组织包括来自多个机构的 PI。” 巴布解释道。

除了这些参与调节活性状态特异性接触并在突变时影响药理学的“驱动”残基之外，巴布和他的同事还打算探索这项工作揭示的其他关键发现。他们的目标是研究“过客”氨基酸，尽管它们在活性状态下接触，但在突变时不会影响功效或效力。他们还对“调节剂”残基感兴趣，这些残基不会介导活性状态特异性接触，但在突变时会改变药理学。他们的数据科学方法整合了结构信息和药理学测量，并不局限于 β2AR。它可以扩展到任何 GPCR，以增强我们对控制此类关键药物靶点的机制的理解。