Nature：κ-阿片受体中的配体和G蛋白选择性

原文题目：Ligand and G-protein selectivity in the κ-opioid receptor

通讯作者：Tao Che

隶属单位：圣路易斯华盛顿大学麻醉学系

DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-023-06030-7

阿片受体是G蛋白偶联受体（GPCR），在疼痛感觉中起重要作用。几乎所有临床使用的阿片类药物都通过μ阿片受体（MOR）起作用。然而，它们的使用与严重的副作用有关，包括由于过量的呼吸抑制而导致滥用、成瘾和死亡的可能性很高。这些问题的严重性导致人们寻找阿片类药物替代品来治疗疼痛和相关疾病。阿片受体的激活招募下游效应子，包括异源三聚体G蛋白（包括Gα，Gβ和Gγ亚基）和β-阻滞素。具体来说，阿片受体主要与GαI/O家庭（Gi1， Gi2， Gi3， GoA， GoB， Gz和古斯特杜辛（Gg）。其中一些亚型可以根据所涉及的GPCR介导非重叠的信号通路。通过个体途径的信号传导是否具有冗余作用或单独驱动阿片类药物的治疗效果和副作用仍不清楚。

KOR是一个非常理想的治疗靶点，不仅可以治疗疼痛，还可以治疗成瘾和情感障碍。KORs因其独特的镇痛活性而受到越来越多的关注 - 它们主要在疼痛相关神经元中表达，并且靶向KOR的药物不会导致成瘾或因过量而导致死亡，正如MOR激动剂所观察到的那样。缺乏奖励/欣快作用最初鼓励了KOR激动剂药物作为非成瘾性镇痛药的开发。已经开发出强效和选择性的KOR激动剂，这些激动剂可产生有效的外周和中枢镇痛。然而，情绪障碍如烦躁不安和拟精神病经常被观察到是KOR激动剂的副作用，这限制了它们的治疗应用。在这里，研究人员用不同的G蛋白换能器和致幻配体测定了KOR复合物的原子结构，以帮助阐明阿片类药物的作用和Gα的分子基础I/O亚型选择性。

激活后，KOR可以与多达6种G蛋白相互作用，其偶联决定了配体诱导信号传导的方向。七种G蛋白亚型高度同源，但在结构或功能上并不相同。信号换能器的结合与特定的受体构象变化相结合，例如TM<>位移的大小。在与G结合的GPCR中已经观察到这种构象差异s， G我和 Gq家族。然而，对不同G复合物中KOR的四种结构的分析I/O亚型表明受体采用类似的构象。特别是，KOR-G中的受体构象z和韩国-Gg几乎相同，尽管结合的激动剂GR89，696激活两种G蛋白，效力差异为100倍。这种结构观察与最初的假设一致，即受体和G蛋白之间的交叉反应性说明了G蛋白的受体结合域和受体的G蛋白结合域之间的结构守恒。无论换能器亚型如何，这种构象相似性也在其他GPCR中观察到，与G蛋白与逮捕素的结合。这些细微的差异可能是由于结构的限制，这些结构揭示了受体的无核苷酸G蛋白结合构象状态的良好分辨群体。这些Gα亚基的无核苷酸状态（Gαi1， GαoA， Gαz和 Gαg）倾向于稳定KOR的特定构象状态。在没有G蛋白或存在核苷酸结合的G蛋白的情况下，受体可以采用与无核苷酸Gα捕获的动态构象不同的动态构象。其他方法，包括核磁共振 （NMR）和分子动力学模拟，已经确定了在存在GDP或GTP的情况下与换能器耦合相关的受体细胞内区域的动态构象状态。

已经提出了不同的GPCR-G蛋白界面，以促进G蛋白在与受体结合和解离过程中的差异动力学。研究人员对KOR-G蛋白界面的药理学表征确定了在G蛋白偶联中具有不同作用的关键残基。研究人员在这项研究中靶向的复合物显示出取决于受体和G蛋白的不同界面区域。然而，未来需要时间分辨研究来直接测量G蛋白结合和解离率，特别是对于不同的G蛋白结合率。I/O亚型，因为受体-G蛋白界面的强度可能是影响偶联效率的另一个因素。在具有不同G蛋白亚型的复合物中的KOR结构中，研究人员还揭示了两种选择性KOR激动剂momSalB和GR89，696的结合姿势。虽然它们占据了相同的结合袋，但它们采用了不同的构象和相互作用模式，这可能是由于它们独特的化学结构。GR89，696在KOR-G中显示出更强的相互作用z比在韩国-Gg，这可能有助于其在 BRET2 测定中观察到的更高效力。由于沙维诺林配体独特的支架和药理学，已经进行了广泛的研究以阐明它们的结合和功能。KOR 中的几个残基或基序（例如，Val1082。53， His2916。52， Ile3167。39）已被确定对Salvinorin的激动很重要，现在可以通过它们与momSalB的直接相互作用来解释。值得注意的是，使用多个结构模板，以前的丹参素对接建议了不同的结合姿势，研究人员的结构现在提供了momSalB如何位于KOR绑定口袋中的直接证据。

研究人员还观察到这些高度保守的G蛋白亚型之间存在变构差异。作为正变构调节剂，四种代表性的G蛋白在增强激动剂结合方面表现出明显的变构活性。G蛋白的这些内在差异，包括结合亲和力和偶联效率，为G蛋白亚型选择性的决定因素增加了药理学证据。研究人员对不同G蛋白与KOR复合物的结构观察表明，GI/O家族亚型在与KOR相互作用时具有高度保守的机制，但每个亚型都保持药理学差异。考虑到许多GPCR可以偶联到不同的G蛋白家族，例如β2AR耦合与两个G耦合s和 GI/O，是否β2AR 显示与 G 的差异结合亲和力s和 GI/O可能有助于解释其 G 蛋白偶联特异性。

此外，G蛋白的变构活性可以通过将G蛋白与受体解耦的GDP或GTP调节。已知无核苷酸G蛋白与GDP或GTP结合的G蛋白之间存在核苷酸特异性构象。当比较非偶联GDP约束G的晶体结构时i1异源三聚体和无核苷酸（KOR-Gi1， GoA， Gz和 Gg） 异源三聚体，注意到几种构象位移。激活的受体与Gα的α5螺旋的C末端接合，它经历向上螺旋延伸（8。6 Å）进入受体核心与未偶联的G蛋白结构相比。将α5螺旋插入受体的跨膜螺旋束具有以下两个后果。首先，连接α5螺旋和β6链的环向外移动5 Å。其次，α5螺旋的运动破坏了α5和α1螺旋之间的原始疏水相互作用，导致P环位移。P环易位和与GDP失去协调都是GDP发布所必需的。与三元复合物模型一致，研究人员的饱和结合数据显示，在G蛋白存在下，GDP或GTPs充当激动剂结合动力学的负调节因子。这项研究的一个局限性是，研究人员使用具有工程受体和G蛋白的体外过表达系统来测量配体活性，如果没有进一步的实验，就无法扩展到体内。

综上所述，研究人员已经阐明了高度保守的G之间的分子相互作用细节I/O使用冷冻电镜衍生原子模型的亚型和KOR。研究人员还研究了KOR配体选择性和功效的结构决定因素。使用结构药理学分析，研究人员揭示了这些以前代表性不足的G之间的内在差异I/O亚型，并证明亚型选择性可能是受体构象动力学，G蛋白的结合亲和力以及激动剂结合与G蛋白偶联之间的协同性的组合结果。这些发现对于理解GPCR介导的信号传导以及基于G蛋白选择性激动剂潜力的新研究工具和疗法的产生都很重要。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-023-06030-7

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