GPCR蛋白概述
G 蛋白偶聯(lián)受體 (GPCR)，也稱為七次跨膜結(jié)構(gòu)域受體、7TM 受體，是一大類細胞表面受體蛋白。它們能夠被細胞外的分子并激活并引起細胞反應(yīng)。在結(jié)構(gòu)上，它們七次穿過細胞膜，并在細胞內(nèi)與G蛋白偶聯(lián) [1]。 配體可以結(jié)合到細胞外 N 末端和環(huán)（例如谷氨酸受體）或跨膜螺旋（類視紫紅質(zhì)家族）內(nèi)的結(jié)合位點，從而激活或抑制受體。當配體與 GPCR 結(jié)合時，它會導(dǎo)致 GPCR 發(fā)生構(gòu)象變化，從而使其充當鳥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(jié)合的 GDP 交換為 GTP 。 然后，G 蛋白的 α 亞基與結(jié)合的 GTP 一起從 β 和 γ 亞基上解離，進一步影響細胞內(nèi)信號蛋白或直接根據(jù) α 亞基類型 (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(jié)構(gòu)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(jié)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參與多種生理過程，因而與許多疾病有關(guān)。它們參與的生理過程包括：
視覺：視蛋白使用光異構(gòu)化反應(yīng)將電磁輻射轉(zhuǎn)化為細胞信號。
味覺：味覺細胞中的GPCR介導(dǎo)味導(dǎo)素的釋放以響應(yīng)苦味、鮮味和甜味物質(zhì)。
嗅覺：嗅覺上皮細胞的受體結(jié)合氣味物質(zhì)和信息素。
行為和情緒調(diào)節(jié)：哺乳動物大腦中的受體結(jié)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(tǒng)活動和炎癥的調(diào)節(jié)：趨化因子受體結(jié)合介導(dǎo)免疫系統(tǒng)細胞間通訊的配體，如組胺受體結(jié)合炎癥介質(zhì)并使靶細胞類型參與炎癥反應(yīng)。 GPCR 還參與免疫調(diào)節(jié)，例如，調(diào)節(jié)白介素誘導(dǎo)或抑制 TLR 誘導(dǎo)的 T 細胞免疫反應(yīng) [4]。
自主神經(jīng)系統(tǒng)傳輸：交感神經(jīng)系統(tǒng)和副交感神經(jīng)系統(tǒng)均受 GPCR 通路調(diào)節(jié)，負責控制身體的許多自動功能，如血壓、心率和消化過程。
細胞密度傳感。
穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)（例如水平衡）[5]。
參與某些類型腫瘤的生長和轉(zhuǎn)移 [6]。
圖二. GPCR在人體參與的主要生理活動 [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(nèi)分泌失調(diào)、免疫包括病毒感染、心血管、炎癥、感覺障礙和癌癥，GPCR是一個重要的藥物靶標。在所有FDA批準的藥物中，大約34%的藥物靶向該家族的 108 個成員。 截至2018年，這些藥物的全球銷售額估計為1800億美元。 據(jù)估計，GPCR是目前市場上約 50% 藥物的靶標 [8]。
分類
GPCR蛋白質(zhì)超家族的確切大小還未知，但根據(jù)基因組序列分析預(yù)測，人類基因組至少有 831個不同基因?qū)ζ溥M行編碼，約為整個蛋白質(zhì)編碼基因組的4%。 針對這個蛋白質(zhì)家族已經(jīng)提出了許多分類方案 [9]。
A-F 分類法根據(jù)序列同源性和功能相似性將GPCR分為 6 類：
A類 (Rhodopsin-like)
B類 (Secretin receptor family)
C類 (Metabotropic glutamate/pheromone)
D類 (Fungal mating pheromone receptors)
E類 (Cyclic AMP receptors)
F類 (Frizzled/Smoothened)
最近，一種稱為 GRAFS（Glutamate, Rhodopsin, Adhesion, Frizzled/Taste2, Secretin）的替代分類系統(tǒng)已被提議用于脊椎動物 GPCR，它們分別對應(yīng)于經(jīng)典A-F 分類中的C類、A類、B2類、F類 和 B類 [10]。
圖三. GPCR家族的GRAFS分類法 [11]
盡管類別之間缺乏序列同源性，但所有GPCR都具有共同的結(jié)構(gòu)和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機制。迄今為止最大的一類是A類，占GPCR基因的近85%。 A類GPCR進一步細分為19個亞組(A1-A19) [12]。在 A 類GPCR中，預(yù)計其中一半以上成員編碼嗅覺受體。
功能機制
簡單來說，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(gòu)象變化，導(dǎo)致G 蛋白激活。 G蛋白激活在細胞內(nèi)產(chǎn)生的影響取決于G蛋白的類型，G蛋白隨后被稱為RGS（Regulators of G-protein Signaling）的蛋白滅活。
圖四. GPCR-G蛋白激活過程示意圖[13]
配體結(jié)合
人體內(nèi)受體為GPCR的配體為：感覺信號介質(zhì)（例如光和嗅覺刺激分子）、 腺苷、鈴蟾肽、緩激肽、內(nèi)皮素、γ-氨基丁酸 (GABA)、肝細胞生長因子 (HGF)、黑皮質(zhì)素、神經(jīng)肽 Y、阿片肽、視蛋白、生長抑素、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(nèi)源性大麻素等等。
受體構(gòu)象變化
在非活性狀態(tài)下，GPCR 與異源三聚體 G 蛋白復(fù)合物結(jié)合。 激動劑與 GPCR 的結(jié)合導(dǎo)致受體的構(gòu)象變化，這種變化通過蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域動力學(xué)傳遞給異源三聚體 G 蛋白中的 Gα 亞基。 激活的 Gα 亞基結(jié)合 GTP 代替 GDP，進一步觸發(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(nèi)蛋白相互作用，繼續(xù)信號級聯(lián)轉(zhuǎn)導(dǎo)，而釋放的 GPCR 能夠重新結(jié)合到另一個異源三聚體 G 蛋白，形成一個新的復(fù)合物，準備啟動另一輪信號轉(zhuǎn)導(dǎo) [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(gòu)象平衡中[15]。配體與受體的結(jié)合可能會使平衡向活性狀態(tài)移動。GPCR的配體存在三種類型：激動劑是使平衡向有利于活性狀態(tài)的方向移動的配體； 反向激動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（分別稱為 Gα、Gβ 和 Gγ）構(gòu)成的異源三聚體，可以結(jié)合鳥苷二磷酸 (GDP)或者在活性狀態(tài)下結(jié)合三磷酸鳥苷 (GTP)。當GPCR受體處于非活性狀態(tài)時，其GEF 結(jié)構(gòu)域可能會與G 蛋白中同樣處于非活性狀態(tài)的 α-亞基結(jié)合。在受體被激活后，GEF 結(jié)構(gòu)域反過來通過促進 G 蛋白 α 亞基中的 GDP 分子與 GTP 的交換來變構(gòu)激活 G 蛋白。 細胞質(zhì)中GTP與GDP的比例維持在10:1，因此可以實現(xiàn) GDP/GTP 的交換。 GDP/GDP交換的同時，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(diào)節(jié)其他細胞內(nèi)蛋白的活性。
由于Gα 還具有GTP→GDP 水解能力，α-亞基 (Gα-GDP) 的非活性形式會再生，從而允許與 Gβγ 二聚體重新結(jié)合形成非活性狀態(tài)G 蛋白，并再次與GPCR結(jié)合等待激活。 由于另一個變構(gòu)調(diào)節(jié)蛋白家族-RGS（Regulators of G-protein Signaling）蛋白的作用，GTP 水解速率通常會加快。RGS是 GTP 酶激活蛋白（GTPase-Activating Protein, GAP）的一種。 事實上，許多在與 Gα-GTP 相互作用后被激活/失活的主要效應(yīng)蛋白（例如，腺苷酸環(huán)化酶）也具有 GAP 活性。 因此，即使在這個過程的早期階段，GPCR 發(fā)起的信號也具有自我終止的能力。
參考文獻
1. Trzaskowski B, Latek D, Yuan S, Ghoshdastider U, Debinski A, Filipek S (2012). "Action of molecular switches in GPCRs--theoretical and experimental studies". Current Medicinal Chemistry. 19 (8): 1090–109.
2. Wettschureck N, Offermanns S (October 2005). "Mammalian G proteins and their cell type specific functions". Physiological Reviews. 85 (4): 1159–204.
3. Joshua Li, Yuhong Ning, Warren Hedley, Brian Saunders, Yongsheng Chen, Nicole Tindill, Timo Hannay, Shankar Subramaniam (2002). The Molecule Pages database. Nature 420, 716-717.
4. Saroz Y, Kho DT, Glass M, Graham ES, Grimsey NL (December 2019). "Cannabinoid Receptor 2 (CB2) Signals via G-alpha-s and Induces IL-6 and IL-10 Cytokine Secretion in Human Primary Leukocytes". ACS Pharmacology & Translational Science. 2 (6): 414–428.
5. Hazell GG, Hindmarch CC, Pope GR, Roper JA, Lightman SL, Murphy D, et al. (January 2012). "G protein-coupled receptors in the hypothalamic paraventricular and supraoptic nuclei--serpentine gateways to neuroendocrine homeostasis". Frontiers in Neuroendocrinology. 33 (1): 45–66.
6. Dorsam RT, Gutkind JS (February 2007). "G-protein-coupled receptors and cancer". Nature Reviews. Cancer. 7 (2): 79–94.
7. Liu W, Wacker D, Gati C, Han GW, James D, Wang D, Nelson G, Weierstall U, Katritch V, Barty A, Zatsepin NA, Li D, Messerschmidt M, Boutet S, Williams GJ, Koglin JE, Seibert MM, Wang C, Shah ST, Basu S, Fromme R, Kupitz C, Rendek KN, Grotjohann I, Fromme P, Kirian RA, Beyerlein KR, White TA, Chapman HN, Caffrey M, Spence JC, Stevens RC, Cherezov V (2013). Serial femtosecond crystallography of G protein-coupled receptors. Science.Dec 20;342(6165):1521-4.
8. Hauser AS, Chavali S, Masuho I, Jahn LJ, Martemyanov KA, Gloriam DE, Babu MM (January 2018). "Pharmacogenomics of GPCR Drug Targets". Cell. 172 (1–2): 41–54.e19.
9. Bjarnadóttir TK, Gloriam DE, Hellstrand SH, Kristiansson H, Fredriksson R, Schi?th HB (September 2006). "Comprehensive repertoire and phylogenetic analysis of the G protein-coupled receptors in human and mouse". Genomics. 88 (3): 263–73.
10. Krishnan A, Almén MS, Fredriksson R, Schi?th HB (2012). Xue C (ed.). "The origin of GPCRs: identification of mammalian like Rhodopsin, Adhesion, Glutamate and Frizzled GPCRs in fungi". PLOS ONE. 7 (1): e29817.
11. https://www.adhesiongpcr.org/adhesion-gpcrs/
12. Joost P, Methner A (October 2002). "Phylogenetic analysis of 277 human G-protein-coupled receptors as a tool for the prediction of orphan receptor ligands". Genome Biology. 3 (11).
13. https://en.wikipedia.org/wiki/G_protein-coupled_receptor#cite_note-pmid17095603-45
14. Digby GJ, Lober RM, Sethi PR, Lambert NA (November 2006). "Some G protein heterotrimers physically dissociate in living cells". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 103 (47): 17789–94.
15. Rubenstein LA, Lanzara RG (1998). "Activation of G protein-coupled receptors entails cysteine modulation of agonist binding". Journal of Molecular Structure: Theochem. 430: 57–71.
