摘要：G 蛋白偶联受体（ GPCR ）是 人体 内规模最大 的 膜蛋白受体家族 ，也是细胞信号传导的关键媒介。 目前 ， GPCR 被认为是开发 针对糖尿病、阿尔茨海默氏症、帕金森氏症 及 癌症等 诸多极具 挑战性疾病 的 新 型 药 物 的重 要靶点 。 据统计，

G 蛋白偶联受体（ GPCR ）是 人体 内规模最大 的 膜蛋白受体家族 ，也是细胞信号传导的关键媒介。 目前 ， GPCR 被认为是开发 针对糖尿病、阿尔茨海默氏症、帕金森氏症 及 癌症等 诸多极具 挑战性疾病 的 新 型 药 物 的重 要靶点 。 据统计，全部已上市药物中约三分之一以 GPCR 为重要靶点，印证了其在药物研发领域的重要地位 。 在过去几十年间，尽管 关于 GPCR 信号传导通路及 结构解析 的研究 取得了突破性进展 ，但配体 如何 诱导 GPCR 激活 ，并 与 其 细胞内转导因子 偶联 的原子 水平 运动细节 仍 尚未完全阐明 。

要深入理解 GPCR 配体 的 功效、效力 及 胞内 信号偏向 性 传导 的 分子机制 ， 目前仍 缺 乏 至关重要的原子 尺度下 GPCR 动 态 构象变化 信息 。 现有 解析 的静态 GPCR 结构 往往 缺 失 动态信息，而多数 已发表的 GPCR 生物物理学 动态 研究 受 限于 较低分辨率。核磁共振光谱 技术 (NMR) 能以原子分辨率解析 GPCR 构象的动态交换 过程 ，包括 在 静态结构中 难以捕捉但对功能调控至关重要的中间态 。

2022 年， 瑞士巴塞尔大学 Stephan Grzesiek 团队在《美国化学会志》（ JACS ）发表研究 成 果，报道其成功开发了一种开创性的 NMR 技术 （ doi.org/10.1021/jacs.2c09692 ） ： 该技术 通过部署分子级定位系统，实现了 GPCR 蛋白内 部 的坐标测定 —— 其工作原理类似于生物大分子内部的 “ GPS 追踪器 ” 故 被命名为 GPS-PCS NMR 。 该技术成功突破了 NMR 在大蛋白分子（ > 100 kDa ）研究领域的技术瓶颈，并成功应用于 β1- 肾上腺素受体（ β1AR ）的研究工作中。

近日， Science 发表了Stephan Grzesiek团队 ，Feng-Jie Wu（吴冯杰）的联合研究，题为：

非活性状态的 β1AR 是在与 拮抗剂卡维地洛的复合物中 被 观察 到。 该 状态下，受体整体 构象呈现刚性特征 ， 其 细胞外配体 结合口 袋被 体积庞大的 拮抗剂 完全占据 。 当 激动剂异丙肾上腺素与受体结合后，首先诱导出 预激活 状态 ，此时配体结合口袋尚未完全关闭的 。在 此过渡态 下，配体 传递 的激活信号 开始 向跨膜螺旋 TM3 、 TM 5 和 TM 6 的胞内端传 导 ，并为受体 后续缓慢（ >0.15 秒）转变为 激活 状态 提供了 预先 条件。

在 预激活 向 激活 态的 转换 过程中， 受体 需要通过 多 个结构域 的大规模重排 来完成高 活化能 屏障跃迁 。 其中 ， 高度保守的 xWIPF 3 分子 开关 起到 了 决定性作用 。 研究 团队 通过 I-V 点 突变来干扰这一开关， 该突变实质仅为一个甲基 和氢原子 的差别却 极大地改变 了 预激活 — 激活 状态之间 的 构象 平衡 。该实验结果 揭示 并证明了 xWIPF 3 分子 开关在 信号转导途 过程中的 关键 作用 。 值得注意 的 是，当 β1AR 处于激活态构象时，其整个胞外 结构 域以及跨膜螺旋 TM1 和 TM2 的胞内 端均 已 呈现完全 激活 的 构象 特征。分析表明，这些 区域与 xWIPF 3 分子 开关的 构象变化存在 刚性耦合 关系 。 然而， xWIPF 3 分子开关与 受体 TM3 和 TM5-7 胞内 端 则是松散耦合， 因为 其 构象 是 动态变化 的 。 这种可塑性 不仅有助 于 受体结合 各种转换蛋白 ， 还 可 实现 G 蛋白 在 GDP-GTP 交换过程中张合 “ 呼吸 ” 的 构象变化 要求 。刚性耦合和松散耦合的分界线位于 TM5-7 中最保守的 脯氨酸 残基，它们的螺旋断裂特性使松散耦合成为可能。

此研究首次实现了对β1AR在激活过程中动力学构象变化的详细观测，所揭示的分子机制对多数GPCR家族成员都具有普适性。NMR技术研究作为关键研究手段，成功弥合了静态结构解析与动态功能研究之间的鸿沟，为开发靶向信号通路的精准药物奠定了重要基础。

此文第一作者 Feng-Jie Wu （吴冯杰） 主导开发了此技术 。 吴冯杰此前为 Grzesiek 实验室 博后，现为巴塞尔大学独立研究员及博士生导师。

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来源：Past-Moon