Sci Adv | 杜洋团队与合作者揭示人体肾上腺素α2A受体不同药物作用的信号转导机制

 收藏

关键词：受体药合作药物揭示

资讯来源：BioArt

发布时间： 2022-03-11

责编 | 酶美

肾上腺素能受体 （Adrenergic receptor）是一种受内源性儿茶酚胺（肾上腺素，去甲肾上腺素）激活，介导生理活动的G蛋白偶联受体（G-protein coupled receptor, GPCR） 【1，2】 。在哺乳动物中，肾上腺素能受体共有9个成员，分为三类：α₁ （α_1A, α_1B和α_1D）类受体，α₂ （α_2A, α_2B和α_2C）类受体，和β （β₁，β₂，β₃）类受体 【2，3】 ，其中α₂类受体能够调节一系列生理功能，包括心率、血压、血糖调节、胰岛素稳态和镇痛作用，同时介导去甲肾上腺素能神经末端突触前膜神经递质释放的反馈抑制 【4-6】 。α₂类受体主要与Gi/o偶联抑制环磷酸腺苷 (CAMP) 的产生 【4，7】 ，也有证据表明其能和Gs偶联 【7-10】 ，同时该类受体也可通过激动剂相关的GRK （G 蛋白偶联受体激酶）磷酸化作用和β抑制蛋白偶联，实现受体内化和独立于G蛋白的信号传导 【11-13】 。过去的几十年里，科学家开发了很多α₂类受体的激动剂，其中部分被用于麻醉、痛觉管理和高血压治疗 【14，15】 。但是相比于药物作用的分子基础被充分研究的β类受体 【16-21】 ，α₂类受体药物作用和激活机理的结构基础尚不明确。α₂类受体和不同激动剂结合的结构研究将为G蛋白偶联的特异性提供新视角，为新激动剂开发提供理论依据。

近日，香港中文大学 (深圳) 医学院/生命与健康科学学院、科比尔卡创新药物开发研究院杜洋教授、柳正教授联合德国埃朗根-纽伦堡大学国际著名药理学家Peter Gmeiner教授研究团队以及前清华大学医学院，结构生物学高精尖中心袁道鹏博士，在Science Advances发表了最新的研究成果： Structural insights into ligand recognition, activation, and signaling of the α2A adrenergic receptor 。该研究采用冷冻电镜技术 首次解析了α_2A-GoA复合体分别结合咪唑啉类 (imidazoline derivatives) 激动剂 （溴莫尼定Brimonidine、右美托咪啶Dexmedetomidine和羟间唑啉Oxymetazoline） ，以及结合内源性荷尔蒙去甲肾上腺素 （norepinephrine） 的三维结构。

本研究对肾上腺素能受体的配体识别、激活机理以及信号传导选择等都具有广泛的影响，列举如下：（1）揭示了α_2AAR的正位结合口袋（orthosteric binding pocket，OBP）识别内源性荷尔蒙去甲肾上腺素及咪唑啉类激动剂的机制；（2）揭示了内源性荷尔蒙去甲肾上腺素对于α₂类受体亲和力高于β类受体的机理；（3）发现了在受体激活过程中重要的芳香性开关；（4）发现了和β类受体不同的、与激活相关的结构变化，但共有正构口袋和G蛋白偶联区的变构机理；（5）提出了α_2AAR对G蛋白、β抑制蛋白偶联和选择性的关键区域和残基。值得一提的是，研究中使用的咪唑啉类激动剂，溴莫尼定、右美托咪啶和羟间唑啉均为上市药物，分别用于治疗开角型青光眼及高眼压、镇静止痛和减轻炎症所致的充血和水肿。值得注意的是，相比于其他两个激动剂及去甲肾上腺素，羟间唑啉具有更低的β抑制蛋白招募效能，而对G蛋白信号通路有一定的偏向性。结构分析 α_2AAR正构口袋残基Y409^6.55 与羟间唑啉的相互作用有别于其他两个激动剂及去甲肾上腺素并具有不同的侧链构象，表明该残基在α_2AAR偏向信号传导（biased signaling）中扮演复杂和重要的角色。无独有偶，最近对于β₂AR 6.55位置的结构功能研究和计算研究也表明该位置的残基在调控偏向中的重要地位 【20，22】 。该发现为偏向药物（biased drug）的分子机理研究和药物开发提供了新的切入点。

综上所述，该团队利用单颗粒冷冻电镜技术解析了肾上腺素能受体α_2AAR与G蛋白的复合物结构，从而在原子层面上详细阐释了α_2AAR的配体识别、别构调节及与G蛋白偶联的机制，该项研究将促进基于α_2AAR结构的药物研究，为镇痛药物开发和高血压治疗带来新的曙光。

原文链接：

http://doi.org/10.1126/sciadv.abj5347

杜洋教授，青年CJ学者，广东珠江人才，香港中文大学(深圳)医学院研究员。师从2012年诺贝尔化学奖得主美国斯坦福大学Brian Kobilka教授，常年从事G蛋白偶联受体 (GPCR) 相关的研究工作，曾获得美国密歇根大学安娜堡tenure-track助理教授职位。现主要采用冷冻电镜技术、前沿实验/计算方法和纳米抗体筛选等手段，从事重要GPCR药物靶点的基础转化研究和药物发现，并正在取得显著的转化应用进展。迄今已发表50多篇高质量SCI论文，包括以第一或通讯作者(含共同)在Cell、Sci. Adv.、JACS、Nature Comm.、Cell Res.等国际一流期刊报道的一系列科研成果，并受邀为Science、Cell Res.、Nature Comm.等多种国际一流科学杂志审稿。现研究团队朝气蓬勃，立项新颖前沿。请有意以博士后或研究助理身份加入团队，从事前沿药物发现工作的同仁发邮件交流联系。

简历投递（有意者请将个人简历等材料发至）：

https://jinshuju.net/f/ZqXwZt 或扫描二维码 投递简历

制版人：十一

参考文献

Link, R. I. C. H. A. R. D., Daunt, D. A. V. I. D., Barsh, G. R. E. G., Chruscinski, A. N. D. R. Z. E. J., & Kobilka, B. R. I. A. N. (1992). Cloning of two mouse genes encoding alpha 2-adrenergic receptor subtypes and identification of a single amino acid in the mouse alpha 2-C10 homolog responsible for an interspecies variation in antagonist binding. Molecular Pharmacology, 42(1), 16-27
Ruffolo Jr, R. R., Nichols, A. J., Stadel, J. M., & Hieble, J. P. (1993). Pharmacologic and therapeutic applications of alpha2-adrenoceptor subtypes. Annual review of pharmacology and toxicology, 33(1), 243-279.
MacDonald, E., Kobilka, B. K., & Scheinin, M. (1997). Gene targeting—homing in on α2-adrenoceptor-subtype function. Trends in pharmacological sciences, 18(4), 211-219.
Wang, C. D., Buck, M. A., & Fraser, C. M. (1991). Site-directed mutagenesis of alpha 2A-adrenergic receptors: identification of amino acids involved in ligand binding and receptor activation by agonists. Molecular pharmacology, 40(2), 168-179.
Ramos, B. P., & Arnsten, A. F. (2007). Adrenergic pharmacology and cognition: focus on the prefrontal cortex. Pharmacology & therapeutics, 113(3), 523-536.
Maletic, V., Eramo, A., Gwin, K., Offord, S. J., & Duffy, R. A. (2017). The role of norepinephrine and its α-adrenergic receptors in the pathophysiology and treatment of major depressive disorder and schizophrenia: a systematic review. Frontiers in psychiatry, 8, 42.
Wade, S. M., Lim, W. K., Lan, K. L., Chung, D. A., Nanamori, M., & Neubig, R. R. (1999). Gi activator region of α2A-adrenergic receptors: distinct basic residues mediate Gi versus Gs activation. Molecular Pharmacology, 56(5), 1005-1013.
Eason, M. G., Kurose, H., Holt, B. D., Raymond, J. R., & Liggett, S. B. (1992). Simultaneous coupling of alpha 2-adrenergic receptors to two G-proteins with opposing effects. Subtype-selective coupling of alpha 2C10, alpha 2C4, and alpha 2C2 adrenergic receptors to Gi and Gs. Journal of Biological Chemistry, 267(22), 15795-15801.
Qu, L., Zhou, Q., Xu, Y., Guo, Y., Chen, X., Yao, D., ... & Zhao, S. (2019). Structural basis of the diversity of adrenergic receptors. Cell reports, 29(10), 2929-2935.
Jasper, J. R., Lesnick, J. D., Chang, L. K., Yamanishi, S. S., Chang, T. K., Hsu, S. A., ... & Eglen, R. M. (1998). Ligand efficacy and potency at recombinant α2 adrenergic receptors: agonist-mediated [35S] GTPγS binding. Biochemical pharmacology, 55(7), 1035-1043.
Pao, C. S., & Benovic, J. L. (2005). Structure/Function Analysis of α2A-Adrenergic Receptor Interaction with G Protein-coupledReceptor Kinase 2. Journal of Biological Chemistry, 280(12), 11052-11058.
DeGraff, J. L., Gurevich, V. V., & Benovic, J. L. (2002). The third intracellular loop of α2-adrenergic receptors determines subtype specificity of arrestin interaction. Journal of Biological Chemistry, 277(45), 43247-43252.
DeGraff, J. L., Gagnon, A. W., Benovic, J. L., & Orsini, M. J. (1999). Role of arrestins in endocytosis and signaling of α2-adrenergic receptor subtypes. Journal of Biological Chemistry, 274(16), 11253-11259.
Giovannitti Jr, J. A., Thoms, S. M., & Crawford, J. J. (2015). Alpha-2 adrenergic receptor agonists: a review of current clinical applications. Anesthesia progress, 62(1), 31-38.
Smith, H., & Elliott, J. (2001). Alpha2 receptors and agonists in pain management. Current opinion in Anesthesiology, 14(5), 513-518.
Rasmussen, S. G., Choi, H. J., Fung, J. J., Pardon, E., Casarosa, P., Chae, P. S., ... & Kobilka, B. K. (2011). Structure of a nanobody-stabilized active state of the β2 adrenoceptor. Nature, 469(7329), 175-180.
Rasmussen, S. G., DeVree, B. T., Zou, Y., Kruse, A. C., Chung, K. Y., Kobilka, T. S., ... & Kobilka, B. K. (2011). Crystal structure of the β2 adrenergic receptor–Gs protein complex. Nature, 477(7366), 549-555.
Xu, X., Kaindl, J., Clark, M. J., Hübner, H., Hirata, K., Sunahara, R. K., ... & Liu, X. (2021). Binding pathway determines norepinephrine selectivity for the human β1AR over β2AR. Cell Research, 31(5), 569-579.
Warne, T., Moukhametzianov, R., Baker, J. G., Nehmé, R., Edwards, P. C., Leslie, A. G., ... & Tate, C. G. (2011). The structural basis for agonist and partial agonist action on a β1-adrenergic receptor. Nature, 469(7329), 241-244.
Masureel, M., Zou, Y., Picard, L. P., van der Westhuizen, E., Mahoney, J. P., Rodrigues, J. P., ... & Kobilka, B. K. (2018). Structural insights into binding specificity, efficacy and bias of a β2AR partial agonist. Nature chemical biology, 14(11), 1059-1066.
Ring, A. M., Manglik, A., Kruse, A. C., Enos, M. D., Weis, W. I., Garcia, K. C., & Kobilka, B. K. (2013). Adrenaline-activated structure of β2-adrenoceptor stabilized by an engineered nanobody. Nature, 502(7472), 575-579.
Stanek, M., Picard, L. P., Schmidt, M. F., Kaindl, J. M., Hübner, H., Bouvier, M., ... & Gmeiner, P. (2019). Hybridization of β-adrenergic agonists and antagonists confers g protein bias. Journal of Medicinal Chemistry, 62(10), 5111-5131.

（可上下滑动阅览）

转载须知

【非原创文章】本文著作权归文章作者所有，欢迎个人转发分享，未经允许禁止转载，作者拥有所有法定权利，违者必究。