? ? 過去五年見證了GPCR結(jié)構(gòu)研究的大爆發(fā)。GPCR（G protein-coupled receptor, G蛋白偶聯(lián)受體）都是小個頭的跨膜蛋白，大部分身子都埋在質(zhì)膜之中。這德行簡直就是結(jié)晶研究的噩夢。然而，研究這些硬骨頭的確能帶來很大好處：它們位處許多信號通路的中心，在從視覺到癌癥發(fā)生等一系列至關(guān)重要的生命過程中都起著作用，是醫(yī)療研究的重要靶標(biāo)。為這一切打下基礎(chǔ)的是2000年視紫紅質(zhì)的結(jié)構(gòu)，它是我們對GPCR形形色色結(jié)構(gòu)的最初一瞥。近年出現(xiàn)了不少巧妙的工程技術(shù)——比如把可溶蛋白與受體融合，或是在受體身上點綴些普通抗體或納米抗體，在它們的助力之下，各種各樣具有可溶性配體的GPCR的結(jié)構(gòu)正逐漸得以解明。

GPCR的結(jié)構(gòu)

? ? 通過比較不同GPCR的結(jié)構(gòu)，PSI GPCR Network的研究人員發(fā)現(xiàn)了一些藏在它們結(jié)構(gòu)與功能中的普遍規(guī)律，如上圖中的β2腎上腺素受體所示（PDB條目2rh1）。不出意料，這些小受體無不擁有標(biāo)志性的七條跨膜α螺旋，彼此間以伸入膜兩側(cè)溶劑之中的環(huán)相連。七條螺旋中有幾條被脯氨酸（梅紅色）中斷，在螺旋中間形成一個彎折。這樣子的彎折有兩個作用。首先，它們改變螺旋的走向，使之向內(nèi)靠攏，從而令整個受體的結(jié)構(gòu)更緊湊。此外，PSI的研究人員還發(fā)現(xiàn)，這些彎折將整個受體分成了兩大模塊。胞外模塊（紅色）負(fù)責(zé)與配體結(jié)合，在不同的GPCR之間相差較大；胞內(nèi)模塊（藍(lán)色）則在不同的GPCR之間十分相似，暗示著與這些五花八門的受體相互作用的是相同的一套G蛋白。

G蛋白與GPCR

? ? GPCR與配體結(jié)合之后，就將信號傳遞過膜，轉(zhuǎn)送給G蛋白異源三聚體。當(dāng)G蛋白與激活的GPCR結(jié)合時，它就把原來結(jié)合著的GDP換成一個GTP，然后分裂成兩半。在這之后，活化的G蛋白再啟動一系列胞內(nèi)的信號級聯(lián)反應(yīng)……直到它的GTP被分解成GDP。上圖的結(jié)構(gòu)（來自PDB條目3sn6）展示了一個β2腎上腺素受體（粉色）與G蛋白（藍(lán)色）的相互作用。這個結(jié)構(gòu)捕捉到了信號傳遞過程正在進(jìn)行時的一個瞬間，其時G蛋白已經(jīng)扔掉了GDP，但還沒來得及撿起一個GTP。

受體多，力量大

? ? 生物學(xué)中沒有哪個東西可用“簡單”形容，GPCR自然也不例外。GPCR參與的信號通路可由GPCR的二聚化進(jìn)行調(diào)控，既可讓相同的GPCR形成同源二聚體（homodimer），也可以叫兩個不同的GPCR形成異源二聚體（heterodimer）。CXCR4的結(jié)構(gòu)（譬如此處展示的來自PDB條目3odu的結(jié)構(gòu)）或許能讓我們一睹二聚化發(fā)生的方式。目前為止，只有這個GPCR在結(jié)構(gòu)研究中形成的二聚體結(jié)構(gòu)——“邊靠邊”的二聚體——符合它在膜上結(jié)合的方式：別的GPCR在結(jié)構(gòu)研究里老是形成首尾相接的二聚體。（ATP注：現(xiàn)在已經(jīng)不止CXCR4一個能在體外形成靠譜的二聚體甚至寡聚體啦~）話雖如此，這現(xiàn)象倒也并不奇怪，因為GPCR們的表面非?！罢场?，容易在被從膜中分離出來后做奇奇怪怪的事情。

配體結(jié)合

? ??盡管長相高度相似，GPCR們各自的任務(wù)卻不盡相同：每個GPCR都得特異地結(jié)合某種特定的配體。又是對不同GPCR的結(jié)構(gòu)進(jìn)行一番比對之后，PSI的研究人員意識到GPCR身上第二個胞外環(huán)似乎格外重要。這個胞外環(huán)在不同GPCR間具有較大差異。舉個栗子，視紫紅質(zhì)（PDB條目1f88）的第二個胞外環(huán)（下圖中亮綠色）緊緊地扣在輔因子視黃醛（下圖中黑色）頭頂上，但在其他與可溶性配體搭檔的GPCR中，這個胞外環(huán)通常會形成更加開放的結(jié)構(gòu)。若想比較不同GPCR結(jié)構(gòu)的差異，請前往原網(wǎng)頁查看可互動的JSmol界面。

G蛋白偶聯(lián)受體（PDB條目1f88、3eml、?2vt4、2rh1、3odu、3pbl、3rze、4djh、4dkl、4ea3與3v2y）

? ? 原網(wǎng)頁中的JSmol界面可供查看11個不同的GPCR結(jié)構(gòu)。在一個一個地欣賞這些結(jié)構(gòu)時，注意跨膜螺旋（粉色）的相似性以及第二個胞外環(huán)（亮綠色）的多樣性。所有結(jié)構(gòu)中的配體都以空間填充模型展示，按原子上色。

? ? 結(jié)果我還是沒在2022年寫完有關(guān)于RyR2的東西，實在可惡（還不是你自己拖延癥發(fā)作）！不管怎么樣吧，元旦不發(fā)點東西好像不太合適，于是按照之前的承諾——GPCR來嘍！首先在這兒為想去看原文JSmol的小伙伴們預(yù)告一下，按照小標(biāo)題上PDB號的順序，那11個GPCR分別是：視紫紅質(zhì)、A2A腺苷受體、β1腎上腺素受體、β2腎上腺素受體、CXCR4、D3多巴胺受體、H1組胺受體、κ-阿片受體、μ-阿片受體、N/OFQ阿片受體和鞘氨醇-1-磷酸受體。

? ? Anyway，同樣是遵照以前的諾言，我們在這兒稍微聊一聊GPCR這個人丁興旺的大家族。這個“人丁興旺”可沒作任何夸張：GPCR超家族是人類基因組中最大的基因超家族，成員可能超過800個，占所有蛋白質(zhì)編碼基因的4%。GPCR全都具有跟一個模子里刻出來似的七次跨膜結(jié)構(gòu)，這個結(jié)構(gòu)實在太經(jīng)典了，以至于它們別名就叫七次跨膜受體或蛇行受體（serpentine receptor,?起這個名字的人真是人才）。目前只在真核生物中發(fā)現(xiàn)了GPCR，不過它們在真核生物中的分布很廣，動物有，領(lǐng)鞭毛蟲（與動物關(guān)系很近的原生生物）有，黏菌有，連酵母都有。我們體內(nèi)大部分生理過程中都能發(fā)現(xiàn)GPCR的身影，它們參與的活動包括而不限于視覺（視紫紅質(zhì)，說你呢?。?、味覺（感受甜、苦、鮮味）、嗅覺、情緒/行為調(diào)節(jié)、免疫調(diào)控（CXCR4跟這個有關(guān)）、神經(jīng)遞質(zhì)/激素活動等等，甚至還有GPCR參與感受細(xì)胞的密度。按照序列的同源性與功能的相似性，所有GPCR（不止人類基因組里的）可以被分為視紫紅質(zhì)樣類（A類）、促胰液素受體家族類（B類）、促代謝型谷氨酸/信息素類（C類）、真菌交配型信息素受體類（D類）、cAMP受體類（E類）和Frizzled/Smoothened類（F類）六大類，其中最大的A類包攬了85%左右的GPCR，又被分為19個亞類。除此之外，還有一種專門針對脊椎動物GPCR的分類方法，叫做GRAFS，名字就是其下五大類——谷氨酸類（glutamate）、視紫紅質(zhì)類（rhodopsin）、黏附類（adhesion）、Frizzled/Taste2類和促胰液素類（secretin）的首字連寫。本文第一幅圖的進(jìn)化樹用的就是這個分類?？梢园l(fā)現(xiàn)無論是什么分類方法，名字里帶視紫紅質(zhì)的家族都是最龐大的。話說回來，GPCR又多又雜，不同家族間序列的相似度大都催人淚下（盡管在進(jìn)化淵源上它們確乎來自同一個分子祖先），但居然幾乎無一例外地具有經(jīng)典的七條跨膜螺旋和十分相似的3D結(jié)構(gòu)（至少已知的結(jié)構(gòu)是這樣的）。我都不知道該先好奇這七條螺旋外加3D結(jié)構(gòu)的作用到底在進(jìn)化上有多重要，還是該先感嘆這些彼此外觀相仿的小受體竟能把功能玩出如此豐富多彩的花樣了。

? ? 因技術(shù)與能力限制，請前往原網(wǎng)頁以查看原文中所有超鏈接以及可互動的JSmol文件。

? ? 強(qiáng)烈推薦去PDB-101官網(wǎng)查看原文，順便探索一下這個干貨滿滿的科普平臺。

作者：David S. Goodsell

原文網(wǎng)址：https://pdb101.rcsb.org/learn/structural-biology-highlights/g-protein-coupled-receptors

結(jié)構(gòu)生物學(xué)亮點文章目錄：https://pdb101.rcsb.org/learn/structural-biology-highlights/index

PDB-101首頁：https://pdb101.rcsb.org

RCSB PDB首頁：https://www.rcsb.org

封面出處：https://open.lib.umn.edu/pharmacology/chapter/g-protein-coupled-receptors/