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1、G Protein-coupled Receptors (GPCRs),Schematic representation of the GPCR, G 蛋白偶联受体(GPCRs) 的共同的结构特点为有7 个呈螺旋的跨膜结构( TM1-T M7) 、3 个胞外环( ECL1-ECL3) 、3 个胞内环( ICL1-ICL3) 、1 个C 端和1个N 端。GPCRs 的胞内环和C 端与三聚体G 蛋白偶联, 在与配体结合后通过激活所偶联的G蛋白, 启动不同的信号转导通路发挥生物效应。,GPCRs 是分布于组织最广泛的受体家族, 目前报道的有2000多种。根据序列和结构的相似性, 可分为5 个亚家族:
2、 视紫红质家族、分泌素亚家族、谷氨酸盐亚家族、粘附(adhesion) 亚家族、卷曲(frizzled)亚家族。 人类基因组中约有1200 个基因属于GPCR, 它们将各种细胞外信号, 如光、生物胺、肽类、糖蛋白、脂类、核苷酸、离子、蛋白酶等跨膜传递到细胞内的效应分子, 引起细胞内的一系列变化, 调节各种生理过程。,GPCRs是目前小分子药物开发过程中最成功的一类蛋白质药靶, 当今药物市场约30%的小分子药物为GPCRs的激动剂或拮抗剂，这些药物在临床疾病治疗中发挥十分重要的作用。 GPCRs潜在有众多药靶亟待发掘。,1、GPCRs 的结构特点 GPCRs 的共同结构特点：相同的结构骨架, 7
3、 个螺旋的跨膜结构、1 个N端、3 个胞内环、3 个胞外环以及1 个C 端。 GPCRs 的不同结构特点：精细结构、种类和功能不相同。基因在表达过程中, 基因突变( 单核苷酸多态性) 、翻译后修饰( 包括磷酸化和糖基化)、剪接和装配不同。目前研究较多的视紫红质受体、肾上腺素受体腺苷受体（晶体结构解析) 。,分子开关：在GPCRs的基础状态中, 内部分子存在着1种非共价地相互作用即为分子开关, 分子开关是通过激活机制或失活机制精确控制细胞内一系列信号传递的级联反应的氨基酸序列。当这种非共价地相互作用被破坏后, GPCRs 才能被激活。,2、受体激活时一系列的结构变化 激活剂与GPCRs连接、 激
4、活受体通过一系列结构中间体介导。这些中间体状态涉及激活剂上的化学取代基与GPCRs 的特定氨基酸之间相互作用; 稳定基础状态的非共价键连接的内部分子相互作用的裂解（打开分子开关）; 跨膜区新的内部分子相互作用的形成。 结构上不同的激活剂的连接可能需要不同的内部分子相互作用的破裂, 从而导致不同的受体结构和对下面区域的信号蛋白的不同效力。,3、受体激活后的信号转导 （1）G蛋白（鸟嘌呤核苷调节蛋白）：是指异源三聚体G蛋白, 由、和三个亚基组成。其中亚基与GTP 结合能启动信号转导, 而与GDP 结合则终止信号转导。 G-GDP G-GTP + G蛋白有多种，差异主要表现在亚基上。 通常根据亚基的
5、不同, 把G 蛋白分成四类: G() s , G() i , G() q 和G()12/ 13 。 分别激活不同的下游效应分子: Gs 和Gi 能激活或抑制相应的腺嘌呤环化酶, 调控胞内cAMP 浓度; Gq 介导PLC活化, 调控IP3 和DAG以及随后的胞内钙离子释放; G12/13 活化小G 蛋白Rho的鸟苷酸置换因子( GEF)。,小G蛋白也是一类GTP 结合蛋白, 为分子量2029 kD 的单体。该家族包括有50 多个蛋白, 分为Ras、Rac/ Rho 、Rab 、Arf 和Ran 五个亚家族。在G 蛋白和小G 蛋白之间有相当多的交互作用, G蛋白的激活可导致小G 蛋白的活化,而有
6、些小G 蛋白能结合G 蛋白的亚基。Ras、Rac 、Rho、cdc42 等小G 蛋白参与很多免疫细胞的功能, 如天然免疫、抗原提呈、细胞迁移。细胞因子或生长因子可通过结合受体激活Ras , 导致下游MAPK的活化, 从而引起细胞增殖。,G蛋白-效应蛋白转导信号的方式： 激活腺苷酸环化酶（-R） AC Gs蛋白 PDE（IV） ATP cAMP 5-AMP APK 抑制腺苷酸环化酶（2-R） AC Gi蛋白 ATP cAMP, 激活钙和肌醇磷脂代谢（ATII-R） PLC G蛋白（Gq） PIP2 IP3 + DAG 内质网 CPK Ca, G蛋白介导的离子通道 K+（M-R）、Ca 2+ （-
7、R）、Na + （N-R）、Cl -（GABA-R）等离子通道。 直接调节（M-R）； 间接调节（ -R ）,4、Inactivation of GPCRs Continuous exposure of a GPCR to an agonist produces a self-limited signal that may be disrupted in disease states. （1）Desensitization The process known as desensitization, taking place within a time frame of seconds to m
8、inutes following agonist exposure, occurs when the receptor uncouples from its G protein. This results from conformational changes that result from agonist-dependent phosphorylation, often as a result of GRK activity. The desensitized receptors undergo plasma membrane clustering and endosome-mediate
9、d internalization and are finally targeted for degradation unless they are recycling back to the cell surface.,Two patterns of desensitization, homologous and heterologous, have been characterized. Agonist-specific desensitization, generally termed homologous desensitization, is associated with agon
10、ist-dependent GRK phosphorylation. Homologous desensitization occurs rapidly when GPCRs are exposed to high (micromolar) agonist concentrations. By contrast, heterologous desensitization is a slower response to an agonist (minutes rather than seconds) that occurs even when GPCRs are exposed to lower
11、 agonist concentrations. It involves the diminished response of many kinds of GPCRs, including receptors that have not been exposed to ligand.,Second-messenger-dependent kinases, such as cAMP-dependent protein kinase A (PKA) and protein kinase C (PKC), are most often implicated in heterologous desen
12、sitization. These protein kinases are associated with GPCR desensitization thatoccurs at slower rates than that reported for the GRKs (t1/2 of 3 min compared to15 s).,(2) Internalization Some forms of internalization are also arrestin-mediated. GRK-mediated phosphorylation of the receptor is require
13、d to promote the formation of the -arrestin complex that can be internalized . The pathway of arrestin-mediated GPCR internalization that involves the transfer of ligand-activated receptors from the plasma membrane to an intracellular compartment.,G 蛋白偶联受体激酶( G protein-coupled receptor kinases , GRK
14、s) 是一簇与G蛋白偶联受体( GPCRs) 快速失敏( desensitization) 相关的激酶。许多GPCRs 如阿片受体、血栓素受体、52羟色胺受体、肾上腺素能受体等在激动剂持续刺激时易发生转导信号的快速衰减,这种调节机制主要与GRKs有关。 GRKs 家族由7 个结构上有同源序列的家族成员组成。每种GRKs 都含有共同的功能结构,包括1个中心催化区、1 个底物识别和含有G蛋白信号调节蛋白( regulators of Gprotein signaling ,RGS) 样结构的氨基末端区,以及1 个作用于胞膜的羧基末端区。根据序列和功能的相似性可分为3 个亚家族。,第一个亚家族包括G
15、RK1 和GRK7 。GRK1 是视紫质( rhodopsin) 激酶,仅在视网膜光受体细胞表达,作用底物是视网膜的视蛋白。 第二个亚家族的GRK2 和GRK3 又分别称为2肾上腺素能受体激酶1 (2ARK1) 和2肾上腺素能受体激酶2 (2ARK2)。 第三个亚家族包括GRK4 , GRK5 和GRK6 。 GRK4 仅在睾丸高水平表达,提示该酶具有底物的特异性。,GRKs 与GPCRs 失敏 受体失敏的程度可以是信号的完全终止,如视觉和嗅觉系统即如此; 也可以是激动剂效力的减弱,如2AR 。受体失敏的程度受许多因素包括受体的结构和细胞环境的影响,主要特征是受体与异三聚体的G蛋白失偶联。GPCRs 信号转导的终止也可发生在G蛋白水平。 受体未活化时, GRK13 存在于胞浆;受体活化后,GRK123 转移至胞膜并与目的受体结合。,GRKs 与抑制蛋白（arrestin） GRKs 介导的视紫质或2-AR 磷酸化尚不足以使这些GPCRs 全部失活, GPCRs 失活还需要其它抑制剂的参与。第一种抑制蛋白是在视杆外节段获得鉴定的,分子量为48 kD ,现在称为视抑制蛋白(visual arrestin) 。已证明它能与光活化的视紫质结合。另一种视抑制蛋白样蛋白称为抑制蛋白1 ,它是体外GRK2介导2-AR 失敏所需的辅助因子。,
