Cell | 单分子精度揭示G蛋白偶联受体介导的β-arrestin激活

G蛋白偶联受体 (GPCRs) 作为细胞表面受体的最大家族，参与调控了多种生理过程，是常见的药物研究靶点。β-arrestin通过结合G蛋白偶联受体来终止G蛋白信号转导，并促进其他下游信号转导通路的进行。先前的研究已经证实GPCRs在两个不同的界面与β-arrestin相互作用。然而，目前为止，关于β-arrestin结合GPCRs后的构象变化和动力学以及受体的参与是如何影响这些过程的研究还尚不清楚。

2022年4月27日，美国哥伦比亚大学的Jonathan A. Javitch和圣犹大儿童研究医院的Scott C. Blanchard两个课题组合作在Cell发表了题为GPCR-mediated β-arrestin activation deconvoluted with single-molecule precision的研究论文。他们利用单分子荧光共振能量转移成像技术，发现β-arrestin在基态下处于一种高度自抑制的状态。它通过结合一个模拟受体尾部磷酸化的磷酸肽，有效地将β-arrestin的尾部从N端结构域中释放出来，从而呈现出不同的构象。令人意外的是，研究者还发现β-arrestin结合具有与分离的磷酸肽相同磷酸化条形码的磷酸化的受体的效率非常低，并且激动剂促使的受体激活对于β-arrestin激活是必需的，这与间隔的受体C尾部的释放是一致的。本工作与聚焦于细胞的研究一起揭示了激动剂和受体C尾部释放是决定磷酸化受体激活β-arrestin速度和效率的关键因素，表明受体的磷酸化模式与受体激动作用一起，协同建立了多种指导β-arrestin介导的下游过程的强度和特异性。

G蛋白偶联受体 (GPCRs) 是细胞表面受体中最大的家族，它调控了多种生理过程并且成为市场上最常见的药物靶点。其中β-arrestin 1和2被上百个不同GPCRs招募来降低G蛋白信号转导的敏感性并促进网格蛋白介导的受体内吞作用。通过脚手架激酶和其他分子，受体激活的β-arrestin也可以直接促进多种不同于G蛋白启动模式的细胞信号通路的进行。通过优先促进或阻断β-arrestin信号通路来获得更有效和更特异的靶向作用效果成为治疗方法中的研究热点。为了实现这个目标，需要从结构和动力学等对配体介导的GPCR激活来促使β-arrestin偶联和激活的机制展开进一步的研究。在此之前的研究已经证实受体在两个不同的界面与β-arrestin相互作用。GPCR激酶 (GRK)-磷酸化受体羧基(C)-末端尾部 (Rp尾部) 或一些受体中胞内磷酸化的loop，结合在β-arrestin氨基末端结构域（N结构域）中带正电荷的凹槽内。GPCR激酶(GRK)-磷酸化受体羧基(C)-末端尾 (Rp尾部) 或一些受体中磷酸化的细胞内环，结合带正电荷的槽在氨基末端的barr结构域 (N结构域) 内。为了使Rp尾部插入凹槽，β-arrestin的C端尾部 (barr尾部) 必须要从N结构域的凹槽中移位。受体跨膜 (TM) 螺旋和细胞质loop环(受体核心) 也可以与β-arrestin的中央嵴环相互作用。这些结构研究表明受体可以只通过Rp尾巴 (“只有尾巴”接触) 与β-arrestin接触，或通过包括受体核心和反尾 (“紧”啮合) 在内的更广泛的接触建立与β-arrestin之间的连接。这两种作用模式具有不同的生物功能。晶体和冷冻电子显微镜 (cryoEM) 结构展示，活化的β-arrestin在中央冠环和相对于N结构域旋转的C-末端结构域 (C结构域) 出现重排。然而，目前为止，关于β-arrestin尾巴的构象变化和动力学与它从N结构域中的凹槽释放的关系，以及受体的参与是如何影响这些过程的研究还尚不清楚。

在基态 (非活跃) 状态的β-arrestin结构中，只一小段的β-arrestin尾巴锚定到N结构域的结构被解析出来。活化状态下的β-arrestin结构仍未被解析，因此，关于β-arrestinr在活化状态下的位置和构象都是未知的。由于β-arrestin尾巴释放的时间和性质研究涉及到受体参与以及其他结构重排的影响，因此对理解β-arrestin介导的信号通路的研究至关重要。此外，深入了解β-arrestin的激活以及不同受体和不同配体的激活是如何变化的，对于深入了解偏向激动作用的机制也是非常必要的。

本研究中，作者使用全内反射荧光 (TIRF) 和基于单分子荧光共振能量转移 (smFRET) 成像技术研究β-arrestin1的激活机制，通过检测它的C端尾巴区域与磷酸化的受体或已知的模拟Rp尾部结合后释放的过程。这些测量使得对β-arrestin1尾部随机、动态的直接观察成为可能 (这对整个系统来说是难以实现的方法)，包括β-arrestin1与受体的相互作用的联系以及这些过程是如何被GPCR激活调控的。进一步，作者利用smFRET成像技术在活细胞中进行的靶向、假设驱动的研究，结果显示激动剂受刺激的全长野生型β₂-肾上腺素能受体 (β2AR) 无法在GRK表达缺失的情况下招募β-arrestin2，而受体远端的C尾部截短体则可以在不依赖GRK的情况下招募β-arrestin2。这些发现为受体的自抑制机制提供了证据，有助于调控激动剂诱导下β-arrestin 的活动、下游信号转导以及受体内化的研究。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.03.042