β2肾上腺素受体的选择性G蛋白偶联机制研究

As a clinical target of treating heart failure (HF), β2 adrenergic receptor (β2AR) prominently couples to Gi protein in the HF cells, while it dominantly couples Gs protein in the health heart. The administration of Gs-biased agonists or Gi-biased antagonists targeting β2AR is a potential therapeutic approach for HF. However, the G-protein coupling mechanism of β2AR is elusive; and the structure of β2AR/Gi complex is unknown. Both of these problems hinder the functional and pharmacological study of β2AR. Combining various experimental assays and computational methods based on evolutionary and structural information, this study will identify the functional sites of β2AR, characterize structures of β2AR complexed with Gs or Gi, and clarify the molecular mechanism how β2AR selectively couples to Gs protein and Gi protein. The findings provided by this study will help us understand how β2AR transduces different signals via coupling to different G proteins, and facilitate drug development targeting β2AR.

β2肾上腺素受体（β2AR）是治疗心衰的重要靶标。在健康心脏细胞中，β2AR主要偶联Gs蛋白；在心衰细胞中，β2AR却显著偶联Gi蛋白。药物调控β2AR对Gs蛋白或Gi蛋白的偶联可能是治疗心衰的有效手段。但是，目前缺少β2AR偶联G蛋白的结构与机制信息，阻碍了β2AR的生物功能研究，限制了靶向β2AR的抗心衰药物研发。本项目将利用氨基酸序列共进化信息和蛋白结构信息，使用直接偶联分析和分子动力学模拟等计算方法，结合多种细胞实验手段，发现β2AR偶联不同G蛋白的关键功能位点，构建丰富多样的β2AR/G蛋白复合物结构模型，阐明β2AR选择性偶联Gs蛋白和Gi蛋白的分子机制。本项目的研究发现将帮助我们理解β2AR通过选择性偶联不同G蛋白完成生理功能的过程，还将推进靶向β2AR的理性药物设计和研发。

β2肾上腺素能受体（β2 adrenergic receptor，B2AR）属于分布最广的A类G蛋白偶联受体之一。该受体参与众多重要的生理过程，包括调控心肺功能、气道张力和代谢循环等。由于该受体组织分布的广泛性和功能的重要性，B2AR已被认为是多种疾病（如心力衰竭）的重要药物靶点。在生理病理过程中，B2AR与下游功能蛋白（包括G蛋白和arrestin等）的选择性偶联决定了该受体的功能。例如，在衰竭的心脏中，B2AR主要与Gi蛋白结合；而在健康的心脏中，B2AR主要与Gs蛋白结合。因此，研发促进Gs蛋白结合的激动剂或抑制Gi蛋白结合的拮抗剂，可能是治疗心衰的潜在新方案。此外，促进arrestin结合的B2AR激动剂在治疗心肌病方面也显示出临床疗效。总之，选择性地激活或抑制B2AR的特异性信号级联，可能提高疾病治疗的疗效并减少副作用。但是，B2AR识别不同下游功能蛋白（Gs、Gi和arrestins）的分子机制仍然不清楚。这阻碍了该受体相关的生物学功能研究和新药研发。G蛋白信号通路的激活与G蛋白偶联受体的构象有关。因此，通过分析结合不同下游功能蛋白的B2AR构象，可以阐明该受体识别不同蛋白的分子细节。目前，B2AR与Gs蛋白复合物的晶体结构已被解析。该复合物结构显示了Gs蛋白如何被B2AR激活，但没有提供的B2AR结合其他功能蛋白的特异性信息。在本项研究中，我们开展了大量全原子分子动力学模拟，以研究B2AR如何识别不同的下游功能蛋白（包括Gs、Gi和β-arrestin 1）。分子动力学模拟揭示了B2AR结合下游功能蛋白共用和独特的结合界面。我们针对计算预测的B2AR结合模型开展了一系列实验验证，对结合Gs蛋白和Gi蛋白受体的不同构象进行了计算表征，揭示了该受体的跨膜螺旋（TMs 2-7）和胞内环（ICLs 2-3）在识别下游蛋白的过程中发挥着不同的关键作用。对B2AR选择性偶联下游功能蛋白的深入了解，不仅增强了我们对G蛋白偶联受体信号偏向性的理解，而且为靶向特定信号通路的合理药物设计提供了指导信息。