G蛋白偶聯受體蛋白（GPCRs）又稱七次跨膜螺旋膜蛋白。GPCRs參與著人體的各種生理功能，包括神經信號傳遞，細胞分化，視覺，嗅覺等1-3。人類的重大疾病如老年癡呆癥，癌癥，艾滋病也與GPCRs密切相關。GPCRs是最為熱門的藥物設計和篩選靶標蛋白，目前40%左右的上市藥物都是基于GPCRs而設計4,5。因此研究和理解GPCRs的結構與功能，對當今藥物設計至關重要。

一個蛋白質的特有生理功能與活性，是由它特定的三維結構決定的。因此從蛋白三維結構來理解GPCRs的功能是當今藥物設計中必不可少的一個環節。隨著結構生物學技術突飛猛進的發展，截止到2018年7月，已經了50多個不同種類的GPCRs結構被解析出來。這其中涵蓋了GPCRs 的A,B,C和F亞家族。在這些解析的結構當中，人們發現藥物小分子可以結合在GPCRs的不同部位，這其中包括傳統的正構位點(orthosteric site)和多個別構位點(allosteric site)，諸如：膜外ECL2 loop區域，第一、二跨膜螺旋區域，第二、三跨膜螺旋區域，第三、四跨膜螺旋區域，第四、五跨膜螺旋區域、膜內G蛋白結合區域。不同的小分子結合位點所處的化學環境有所不同，這樣則給當代藥物發現與設計提供了新的機遇。

盡管傳統結構生物學對人們理解蛋白的生理功能提供了不可或缺的方法和信息，但它也有自己的缺陷。比如傳統結構生物學不能告訴人們為什么GPCRs結合激動劑(agonist)之后可以被激活，而結合拮抗劑(antagonist)的時候為什么信號通路會被阻斷。此外，單個GPCRs晶體結構也不能告訴人們GPCRs具體的激活動態過程是怎樣的。與之相比，計算結構生物學則很好的彌補了傳統結構生物學的不足6,7。比如：通過在計算機上構建磷脂雙層和溶劑模型，可以模擬GPCRs在細胞生理環境下的動態過程（圖一）。

圖一，分子動力學模擬GPCR膜蛋白體系。

本文工作通過計算生物學中分子動力學與系統分析的方法，找到GPCRs A家族的一個新的別構位點。首先作者把天然激動劑乙酰膽堿（ACh）分子放在乙酰膽堿受體 (muscarinic acetylcholine receptors)膜外部分，然后實施長時間尺度的全原子分子動力學模擬。通過計算機模擬，作者發現在最開始的時候，乙酰膽堿分子很長一段時間(將近0.5-1.0微秒)停留在人們傳統所認為的正構位點區域 （圖二a-c）。當時在此之后, 隨著第六跨膜螺旋(TM6)上一個保守的色氨酸 (W6.48)的構象變化，乙酰膽堿分子可以進入乙酰膽堿受體的更深區域（圖二b）。在模擬結束的時候，乙酰膽堿分子最后停留在第二跨膜螺旋(TM2)一個保守的天冬氨酸 （D2.50）附近 (圖二e,g)。

圖二，分子動力學模擬尋找到乙酰膽堿天然激動劑乙酰膽堿ACh的新的結合位點。(a)乙酰膽堿分子質心在M3乙酰膽堿受體模擬過程位置的變化。(b)乙酰膽堿分子質心到天冬氨酸 （D2.50）的距離隨著模擬時間的變化。（c）(a)乙酰膽堿分子質心在M4乙酰膽堿受體模擬過程位置的變化。（d）拮抗劑TTP在M3乙酰膽堿受體模擬中最后的位置。（e）激動劑乙酰膽堿ACh在M3乙酰膽堿受體模擬中最后的位置。（f）拮抗劑TTP在M4乙酰膽堿受體模擬中最后的位置。（e）激動劑乙酰膽堿ACh在M4乙酰膽堿受體模擬中最后的位置。

通過分析小分子與受體的相互作用指紋圖譜，作者引入了生化突變實驗。突變結果進一步佐證了這一新的結合模式（圖三）。

圖三，激動劑乙酰膽堿ACh與乙酰膽堿受體相互作用指紋圖譜與生化突變實驗結果。

通過系統分析所有GPCRs結構，作者發現這個新發現的結合位點存幾乎存在于所有的GPCRs結構當中（圖四）。

圖四，新發現的別構位點的保守性。

圖五，新發現的別構位點在藥物設計中的應用。

在本文工作中，作者通過計算生物學的方法發現了GPCR的一個新的別構位點 (allosteric site)并且得到生化突變實驗的佐證。基于此，人們可以通過結合傳統的正構位點(orthosteric site)與這個新的別構位點結合的方式來得到新的化學環境（圖五），從而為設計高度專一活性的藥物分子提供新的機遇。

本工作的預覽版本在2018年7月14日在線發表于Chemical Science8。本文第一作者為Stephen Chan,由袁曙光博士指導。上海科技大學王靜靜博士為共同一作。主要通訊作者為洛桑瑞士聯邦理工學院(EPFL)袁曙光博士。共同通訊作者為上海科技大學劉志杰教授與洛桑瑞士聯邦理工學院(EPFL)Horst Vogel教授。

參考文獻

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作者：袁曙光