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細胞外的第二個閉合環

1 環細胞外 -基本介紹

G蛋白耦連受體是龐大的細胞膜受體家族的成員之一。人類基因組當中有2%的基因轉錄翻譯為G蛋白。令人驚訝,G蛋白可以對各種各樣的細胞外刺激作出反應,包括光亮變化,很少量的生物胺,以及大量的荷爾蒙刺激等等。事實上生物體內所有的生理過程都有G蛋白的參與。G蛋白有7個貫穿細胞膜的小亞基(TM),當細胞接受外界信號刺激時,G蛋白是怎樣通過調整本身活性狀態的改變來向細胞內傳送信號的呢?現今流行的觀點是收縮中心圍繞螺旋核心粘合引起外面的G蛋白亞基III,,VI,VII的螺旋,從而改變了膜表面細胞質的生化狀態,增加了與G蛋白受體的相互作用,引起細胞內信號的改變。G蛋白受體中暴露在細胞外的部分被描述為精密的感測器。在本期NatureStructural&MolecularBiology的第320頁,Klcoetal.提出了G蛋白在細胞外第二個閉合環(EC2)的一個新的未能預料的功能。在化學誘引劑C5a受體(C5aR)中,這24個殘餘的閉合環可能象帽子一樣用來穩定螺旋核心相互作用的構型。除了引導配合基正確的與粘合位點結合,當任何配合基存在時,EC2還可能調整受體「開關」的轉換。這個觀點第一次被可靠的證據所支持。

EC2在受體結構內的整體結構和位置只在視紫紅質中有所了解。在它無活性構型的晶體結構中,這塊區域採用一個反平行的β-髮夾結構構成一個在視網膜上的蓋子。最近在一項對多巴胺D2受體與替換-半胱氨酸親和方法的研究中,提供了僅有的另一個證據:EC2的位置存在於G蛋白耦連受體(GPCR)粘合的縫隙中。在獲得的可親和模型中,殘餘環的結構發生了變化,EC2在亞基IV和V之間摺疊,這和其在視紫紅質中的結構是一致的。EC2的一個顯著特點是幾乎所有的G蛋白耦連受體(GPCR)中都保存有一種半胱氨酸殘餘物。這種半胱氨酸被認為是與和它相同的完好保存在亞基III內的半胱氨酸殘餘物一起來形成一座幫助強制EC2接近螺旋核心的橋樑。儘管這座橋樑的存在性只在一些G蛋白耦連受體(GPCR)中得到證實。

EC2最有名的作用是與配合基識別,這主要通過對A類(視紫紅質類似物)和B類(小腸內分泌素類似物)G蛋白耦連受體(GPCR)進行的點突變和區域交換實驗所證明。儘管A類受體在它們的TM核心中束縛配合基;B類受體用它們氨基酸鏈N(氮)端束縛配合基,A,B兩類受體均在束縛配合基的過程中需要EC2的參與。EC2同時也對配合基的活化起作用。在眾多對EC2功能的研究中,近來一個研究發現EC2可以按順序有效調控在一個嘌呤受體內具體指定的收縮蛋白及與其相對應的拮抗蛋白的活性。同時,在少數人類病理學中,EC2的自身抗體被發現可以顯現收縮蛋白類似物的活性。例如,有些EC2自身抗體可以激活M1和M2型蠅蕈鹼的乙醯膽鹼受體。這些抗體已經在患精神分裂症的病人血清中被確認。總之,對EC2功能的研究中,把EC2比喻為一個配合基的感測器,它可以把細胞外的信息傳遞給TM受體核心。

Klcoetal.3最初的目的是探索EC2在受體活化(通過對化學誘引劑C5a的研究)中的作用。他最初的興趣集中在假定的把亞基III和EC2連接在一起的束縛物上。作者採用一種飽和隨機誘變的方法,更早地成功證明了TM殘餘物對受體的功能有重要影響。在這個方案中,受體里發現許多變異的殘餘物(突變概率高達44%)。這其中大部分異變體最終導致功能的喪失,但是有少量異變體仍保留活性。這項分析,假定沒產生變異的殘餘物對受體功能的影響是必不可少的。但是,在一些非必需的位點,基因的差異仍然存在。Klcoetal.隨意挑選了C5aR中的EC2,並用酵母菌發酵的方法篩選出40000個異變種。在這其中,內生的C5a可以通過有功能的C5aR促進細胞生長。Klcoetal.他們確認了29種變異的受體。分析結果表明,EC2中的C188是最保守的(僅有一個被取代物)。該分析為受體中存在一個橋樑對受體功能的發揮具有重要作用這一提議提供了支持。

當一個酵母菌菌株內的突變受體被表達而不是C5a配合基時,一些令人費解的事發生了。23個突變受體(每個受體有5-13個突變)誘發了酵母菌的生長採取了一種增強的不受控制的方式,與此同時野生型受體和6個突變受體失活。當在哺乳動物細胞內表達時,4個具有代表性的突變體表現出基礎IP3積累的提高,顯示出構象變化對於突變受體是比酵母菌生長控制情況更本質的特徵。包括EC2在內的一些突變體因此激發了從失活向活化的轉變。這些令人好奇的觀察結果可以用好幾個方法解釋。突變的EC2自身可能扮演了一個增強聯繫旋轉中心和觸發受體活化的角色。作者們辯解說這未必有可能發生,因為從觀察到的23個突變受體中沒有普遍的突變模型可以解釋EC2和旋轉中心之間的這種新奇的特殊的相互影響。相較,他們支持構象的變化可能是由現已存在的EC2和受體的TM中心的聯繫被破壞引起的解釋。這可能產生一種鬆散的受體狀態,該狀態介於「開放」狀態和易活化狀態之間。第二種解釋符合普遍接受的觀點,GPCR構象的變化是由在結構上抑制「關閉」狀態造成的不穩定所引起的。這種解釋也與在23個構象變化的突變受體所觀察到的高突變率的一些替代是一致的。

是否EC2在別的GPCR里也對失活的構象起促進作用?在多大程度上這個觀點能被普遍接受?很少有研究能給出答案。凝血酶受體是另一個已知的由EC2突變引起構象變化的例子。區域交換跟隨著點對點交換暗示EC2-TM間精確的網路聯繫使受體維持在一個休眠的狀態。另一方面,被設計用來產生構象變化的血管緊張素和腦啡肽受體的無序突變並不能識別有活性的EC2的突變。特別地,這兩個突變實驗主要發生在單點突變,更加固了這些已確定的EC2螺旋中心的聯繫是用來控制受體構象的觀點。排列次序是否有助於預測和歸納人們發現的EC2的新作用呢?Klcoetal.3觀察到一些類似介於視紫紅質和C5aREC2之間的序列,可能暗示類似的結構和空間組織。然而,我們並不希望出現在不同的受體間存在一個共同的難於研究的主題。如果EC2在TMV和高突變率的TMIV之間摺疊,這有理由假定TM的氨基酸順序有助於說明與EC2的相互聯繫。在缺乏其他GPCR額外的結構信息的情況下,深入的包括三維構型的生物無機分析,可能能夠證明有用的工作建議以指明包括C5aR在內的典型的GPCR中EC2和細胞外的TM邊界之間聯繫的可能模型。

探索EC2的幕後角色再次提出了一條有挑戰性的新的研究前沿,它有助於我們闡明外部信號是怎樣控制一個GPCR的構象在失活與活化狀態之間的轉變。

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