GPCR蛋白概述
G 蛋白偶聯(lián)受體 (GPCR)，也稱(chēng)為七次跨膜結構域受體、7TM 受體，是一大類(lèi)細胞表面受體蛋白。它們能夠被細胞外的分子并激活并引起細胞反應。在結構上，它們七次穿過(guò)細胞膜，并在細胞內與G蛋白偶聯(lián) [1]。 配體可以結合到細胞外 N 末端和環(huán)（例如谷氨酸受體）或跨膜螺旋（類(lèi)視紫紅質(zhì)家族）內的結合位點(diǎn)，從而激活或抑制受體。當配體與 GPCR 結合時(shí)，它會(huì )導致 GPCR 發(fā)生構象變化，從而使其充當鳥(niǎo)嘌呤核苷酸交換因子 (GEF)。 然后 GPCR 可以激活相關(guān)的 G 蛋白，使與 G 蛋白結合的 GDP 交換為 GTP 。 然后，G 蛋白的 α 亞基與結合的 GTP 一起從 β 和 γ 亞基上解離，進(jìn)一步影響細胞內信號蛋白或直接根據 α 亞基類(lèi)型 (Gαs, Gαi/o, Gαq/11, Gα12/13)靶向功能蛋白 [2]。
圖一. 七次跨膜受體蛋白GPCR結構與活性示意圖 [3]。
生理
G 蛋白偶聯(lián)受體僅存在于真核生物中。能夠結合并激活這些受體的配體包括光敏化合物、氣味、信息素、激素和神經(jīng)遞質(zhì)，其大小從小分子到肽再到大蛋白質(zhì)不等。GPCR參與多種生理過(guò)程，因而與許多疾病有關(guān)。它們參與的生理過(guò)程包括：
視覺(jué)：視蛋白使用光異構化反應將電磁輻射轉化為細胞信號。
味覺(jué)：味覺(jué)細胞中的GPCR介導味導素的釋放以響應苦味、鮮味和甜味物質(zhì)。
嗅覺(jué)：嗅覺(jué)上皮細胞的受體結合氣味物質(zhì)和信息素。
行為和情緒調節：哺乳動(dòng)物大腦中的受體結合多種不同的神經(jīng)遞質(zhì)，包括血清素、多巴胺、組胺、GABA和谷氨酸。
免疫系統活動(dòng)和炎癥的調節：趨化因子受體結合介導免疫系統細胞間通訊的配體，如組胺受體結合炎癥介質(zhì)并使靶細胞類(lèi)型參與炎癥反應。 GPCR 還參與免疫調節，例如，調節白介素誘導或抑制 TLR 誘導的 T 細胞免疫反應 [4]。
自主神經(jīng)系統傳輸：交感神經(jīng)系統和副交感神經(jīng)系統均受 GPCR 通路調節，負責控制身體的許多自動(dòng)功能，如血壓、心率和消化過(guò)程。
細胞密度傳感。
穩態(tài)調節（例如水平衡）[5]。
參與某些類(lèi)型腫瘤的生長(cháng)和轉移 [6]。
圖二. GPCR在人體參與的主要生理活動(dòng) [7]
由于GPCR參與了與許多疾病相關(guān)的信號通路，即精神、代謝包括內分泌失調、免疫包括病毒感染、心血管、炎癥、感覺(jué)障礙和癌癥，GPCR是一個(gè)重要的藥物靶標。在所有FDA批準的藥物中，大約34%的藥物靶向該家族的 108 個(gè)成員。 截至2018年，這些藥物的全球銷(xiāo)售額估計為1800億美元。 據估計，GPCR是目前市場(chǎng)上約 50% 藥物的靶標 [8]。
分類(lèi)
GPCR蛋白質(zhì)超家族的確切大小還未知，但根據基因組序列分析預測，人類(lèi)基因組至少有 831個(gè)不同基因對其進(jìn)行編碼，約為整個(gè)蛋白質(zhì)編碼基因組的4%。 針對這個(gè)蛋白質(zhì)家族已經(jīng)提出了許多分類(lèi)方案 [9]。
A-F 分類(lèi)法根據序列同源性和功能相似性將GPCR分為 6 類(lèi)：
A類(lèi) (Rhodopsin-like)
B類(lèi) (Secretin receptor family)
C類(lèi) (Metabotropic glutamate/pheromone)
D類(lèi) (Fungal mating pheromone receptors)
E類(lèi) (Cyclic AMP receptors)
F類(lèi) (Frizzled/Smoothened)
最近，一種稱(chēng)為 GRAFS（Glutamate, Rhodopsin, Adhesion, Frizzled/Taste2, Secretin）的替代分類(lèi)系統已被提議用于脊椎動(dòng)物 GPCR，它們分別對應于經(jīng)典A-F 分類(lèi)中的C類(lèi)、A類(lèi)、B2類(lèi)、F類(lèi) 和 B類(lèi) [10]。
圖三. GPCR家族的GRAFS分類(lèi)法 [11]
盡管類(lèi)別之間缺乏序列同源性，但所有GPCR都具有共同的結構和信號轉導機制。迄今為止最大的一類(lèi)是A類(lèi)，占GPCR基因的近85%。 A類(lèi)GPCR進(jìn)一步細分為19個(gè)亞組(A1-A19) [12]。在 A 類(lèi)GPCR中，預計其中一半以上成員編碼嗅覺(jué)受體。
功能機制
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，GPCR被配體或其他形式的外部信號激活，從而使受體產(chǎn)生構象變化，導致G 蛋白激活。 G蛋白激活在細胞內產(chǎn)生的影響取決于G蛋白的類(lèi)型，G蛋白隨后被稱(chēng)為RGS（Regulators of G-protein Signaling）的蛋白滅活。
圖四. GPCR-G蛋白激活過(guò)程示意圖[13]
配體結合
人體內受體為GPCR的配體為：感覺(jué)信號介質(zhì)（例如光和嗅覺(jué)刺激分子）、 腺苷、鈴蟾肽、緩激肽、內皮素、γ-氨基丁酸 (GABA)、肝細胞生長(cháng)因子 (HGF)、黑皮質(zhì)素、神經(jīng)肽 Y、阿片肽、視蛋白、生長(cháng)抑素、GH、速激肽、血管活性腸肽家族成員、加壓素、生物胺（如多巴胺、腎上腺素、去甲腎上腺素、組胺、血清素和褪黑激素）、谷氨酸（代謝型）、 胰高血糖素; 乙酰膽堿（毒蕈堿作用）、趨化因子、炎癥的脂質(zhì)介質(zhì)（例如前列腺素、血小板活化因子和白三烯）、肽激素（例如降鈣素、C5a 過(guò)敏毒素、促卵泡激素 [FSH]、促性腺激素釋放激素 [GnRH]、神經(jīng)激肽、促甲狀腺激素釋放激素[TRH]和催產(chǎn)素）、內源性大麻素等等。
受體構象變化
在非活性狀態(tài)下，GPCR 與異源三聚體 G 蛋白復合物結合。 激動(dòng)劑與 GPCR 的結合導致受體的構象變化，這種變化通過(guò)蛋白質(zhì)結構域動(dòng)力學(xué)傳遞給異源三聚體 G 蛋白中的 Gα 亞基。 激活的 Gα 亞基結合 GTP 代替 GDP，進(jìn)一步觸發(fā) Gα 亞基從 Gβγ 二聚體和受體解離。 解離的 Gα 和 Gβγ 亞基與其他細胞內蛋白相互作用，繼續信號級聯(lián)轉導，而釋放的 GPCR 能夠重新結合到另一個(gè)異源三聚體 G 蛋白，形成一個(gè)新的復合物，準備啟動(dòng)另一輪信號轉導 [14]。
受體分子存在于活性和非活性生物物理狀態(tài)之間的構象平衡中[15]。配體與受體的結合可能會(huì )使平衡向活性狀態(tài)移動(dòng)。GPCR的配體存在三種類(lèi)型：激動(dòng)劑是使平衡向有利于活性狀態(tài)的方向移動(dòng)的配體； 反向激動(dòng)劑是使平衡向非活性狀態(tài)傾斜的配體； 中性拮抗劑是不影響平衡的配體。
G蛋白激活/滅活
G 蛋白是由 α、β 和 γ 亞基（分別稱(chēng)為 Gα、Gβ 和 Gγ）構成的異源三聚體，可以結合鳥(niǎo)苷二磷酸 (GDP)或者在活性狀態(tài)下結合三磷酸鳥(niǎo)苷 (GTP)。當GPCR受體處于非活性狀態(tài)時(shí)，其GEF 結構域可能會(huì )與G 蛋白中同樣處于非活性狀態(tài)的 α-亞基結合。在受體被激活后，GEF 結構域反過(guò)來(lái)通過(guò)促進(jìn) G 蛋白 α 亞基中的 GDP 分子與 GTP 的交換來(lái)變構激活 G 蛋白。 細胞質(zhì)中GTP與GDP的比例維持在10:1，因此可以實(shí)現 GDP/GTP 的交換。 GDP/GDP交換的同時(shí)，G 蛋白的與受體以及G 蛋白的亞基彼此解離，產(chǎn)生 Gα-GTP 單體和Gβγ 二聚體，自由調節其他細胞內蛋白的活性。
由于Gα 還具有GTP→GDP 水解能力，α-亞基 (Gα-GDP) 的非活性形式會(huì )再生，從而允許與 Gβγ 二聚體重新結合形成非活性狀態(tài)G 蛋白，并再次與GPCR結合等待激活。 由于另一個(gè)變構調節蛋白家族-RGS（Regulators of G-protein Signaling）蛋白的作用，GTP 水解速率通常會(huì )加快。RGS是 GTP 酶激活蛋白（GTPase-Activating Protein, GAP）的一種。 事實(shí)上，許多在與 Gα-GTP 相互作用后被激活/失活的主要效應蛋白（例如，腺苷酸環(huán)化酶）也具有 GAP 活性。 因此，即使在這個(gè)過(guò)程的早期階段，GPCR 發(fā)起的信號也具有自我終止的能力。
參考文獻
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