G蛋白偶联受体二聚体相互作用及配体调控的分子机制

G-protein couple receptors (GPCRs) are one of largest drug targets. Recently, increasing experimental evidences have revealed that GPCR dimer should be another functional unit of GPCR, whose signal transduction mechanism is different from GPCR monomer, thus, providing a new pharmacological perspectives. However, the interaction mechanism involved in the two monomers of the dimer has been unclear so far on experiments, which significantly limit the development for the new strategy of drug design based on the GPCR dimer. Thereby, we will use multi-scale molecular dynamics simulations and some mathematically statistical methods, in particular for Markov State Model (MSM) method, to systematically study some important GPCR dimers. The work will focus on the three aspects as following: 1) multi-scale simulations and MSM are used to map the conformation change space of the dimer induced by the interaction between the two monomers and obtain their key conformation states and transformation mechanism. 2) Multi-scale MD simulations on the mutants of the dimers, in which key residues recognized in the interface are mutated, are used to further explore the mechanism on the role of the interface in influencing the cooperativity effect of the two monomers. 3) The combination of multi-scale simulations with virtual screening is used to study the recognition mechanism of the key conformation states of the dimers on drug ligands. Based on the results from the three aspects above and the available experimental observations, we will obtain the molecular mechanism for interaction between the two monomers of the dimer and the ligand effects, providing valuable information for the new strategy of the drug design based on the dimer structure.

G蛋白偶联受体（GPCR）是最大的药物靶标蛋白之一。近年来实验证据表明GPCR还存在二聚体的功能单元，其信号传导机制与单体单元不同，提供了新的药理学前景。然而，二聚体相互作用机制在实验中还不清楚，限制了新的药物研发策略。因此，本项目拟结合多尺度分子动力学模拟(MD)和以马尔可夫态模型(MSM)为主的数学统计方法对一些重要GPCR二聚体进行系统深入的研究，其主要的研究内容为：1）结合多尺度MD和MSM统计分析，获取GPCR二聚体作用的构象变化空间和活性构象态，探明二聚体构象多态性以及转换机制。2）通过对活性态相互作用面上的重要残基进行定点突变的多尺度MD模拟，进一步探讨相互作用面对单体协同效应的影响机制。3）结合虚拟筛选和多尺度模拟进一步研究关键活性构象态对药物的识别机制。通过综合分析，并与实验结果相关联，探明GPCR二聚体相互作用及配体调控的分子机制，为GPCR药物研发新策略提供理论依据。

G蛋白偶联受体（GPCR）二聚体是除单体外的另一种信号功能单元，具有独特的药效性，然而其激活和药效机制在实验中还不清楚，限制了新药研发。因此本项目结合多种增强取样的模拟方法并通过构建蛋白质结构网络等统计分析模型，针对一些代表性GPCR二聚体的激活机制、药物结合、配体调控以及相互作用面的可药性等方面进行了系统深入的研究。主要完成了以下研究内容：1)揭示了同源和异源二聚化对GPCR激活的分子机制异同。两类二聚化都能通过相互作用面对两个亚基产生一个反对称的激活调控：一个亚基激活而另一个亚基非激活。但当一个亚基激活后，异源二聚化会限制非活性亚基的自激活而保持活性亚基的激活，与同源二聚化作用相反；2)揭示了二聚化对药物结合的影响机制以及突变的作用。二聚化对两个亚基的药物结合呈现一个反对称的影响作用，一个亚基的药物结合增强但另外一个亚基却减弱，氨基酸作用网络进一步揭示了两个亚基间的负协同路径。相互作用面上的热点残基突变会导致二聚体的分离，从而影响其激活和药效功能；3)揭示了激动剂激活C类GPCR同源二聚体的分子机制。激动剂谷氨酸通过联合trans-和cis-两种调控路径使得mGluR2二聚体产生了非对称的激活，而非单一方式的激活机制；4)揭示了GPCR二聚体相互作用面的可药性及其调控机制。识别出作用面上的可药性口袋并筛选出能够加强其二聚化的配体小分子，此小分子通过加强二聚化作用对两个亚基正构位点的药物识别产生一个非对称调控作用，一个亚基对拮抗剂的筛选增强但另一个亚基却无明显变化；此外，结合生物信息学方法对靶标蛋白和基因功能位点的识别以及基因调控网络进行了拓展研究，为GPCR信号传导机制的理解和阐明提供了更多的依据和基因信息。总之，本项目圆满完成了预定的研究内容，达到了研究目标，在基金资助下发表了28篇SCI论文，获得1项专利授权，涉及培养了12名研究生，其中毕业9名。