G蛋白偶联受体：从细胞信号传导到药物发现

G蛋白偶联受体，简称GPCRs，是帮助细胞响应来自细胞外部信号的膜蛋白。这些信号可能包括激素、神经递质、脂质、肽以及光。

虽然GPCRs的七跨膜结构具有明显的共性，但它们的功能方式并不相同。实验结果可能取决于受体配体、细胞环境、受体表达水平以及信号伴侣。

研究人员必须超越对化合物“激活”受体的测量，才能解读GPCR的生物学结构。所有通路、时间、检测格式、对照和细胞模型都非常重要。

G蛋白偶联受体：它是什么？

典型的GPCR穿越细胞膜的次数为7次。细胞外部分与信号分子结合，细胞内部分则结合G蛋白、抑制蛋白、激酶及其他信号分子。

根据IUPHAR/BPS药理学指南，GPCRs被分为多个主要类别，如A类、B类、C类、毛躁受体和粘附受体。A类是最大的，涉及众所周知的靶点，如肾上腺素能、多巴胺、阿片类药物和毒蕈碱受体。

虽然结构相似，GPCR能够识别非常多样化的信号集合。这使他们能够参与感官感知、心血管调节、新陈代谢、免疫功能、情绪、运动等诸多方面。

GPCR是如何被激活的？

配体与受体结合，使受体改变形状。由于这种构象变化，受体能够与细胞内信号蛋白相互作用。

许多GPCRs的第一个伙伴是异三聚体G蛋白，由α、β和γ亚基组成。受体激活导致α亚基中GDP与GTP的交换。被激活的组分随后影响下游酶、离子通道和第二信使。

G蛋白中最受欢迎的家族有：

• Gs，这通常会导致环AMP增加
• 环状AMP还原酶的常用名称是gi/o。
• Gq/11通路负责传递荧光酶C和钙通路的信号
• Rho家族蛋白和细胞骨架反应可通过G12/13进行调控。

这本教科书上的描述很有帮助，但线条是一种罕见的信号形式！单个受体可以通过多个G蛋白进行信号，最佳信号转导方式会根据配体和细胞类型而异。GPCRdb提到受体可以与G蛋白、GPCR激酶和抑制素相互作用，从而形成多种细胞内信号通路。

逮捕者的角色

一旦G蛋白被激活，GPCRs的信号传递不会停止。

GPCR激酶能够磷酸化激活的受体。阻止蛋白随后可能与受体相互作用，抑制受体与G蛋白的进一步耦合，促进受体内化，并参与其他信号转导途径。

因此，逮捕的招募不能被视为“关闭开关”。根据受体和实验的不同，它可以影响受体的运输、脱敏、回收、降解，或调节其他下游效应。

由于G蛋白信号传导和抑制素招募都是衡量化合物完整药理学的重要指标，因此它们常被同时测量。

本节文章探讨了同一受体如何导致不同反应

GPCR不仅仅是开关。

可以发现多种配体能够结合受体的不同构象阶段。一种配体能在一种G蛋白通路上引起高水平激活，而另一种则可能导致更多抑制蛋白招募或不同的信号谱。它通常被称为功能选择性/偏置信号传递。

细胞的背景也很重要。同一种受体可以在两个不同的实验室中发现，但细胞中含有不同量的G蛋白、抑制蛋白、激酶、酶或内源性受体。

另一个问题可能是受体表达的水平。过度表达会增强对低活性的反应和/或改变偶联偏好，同时可能导致部分激动剂在细胞内的活性高于原生组织。

因此，结果应被视为完整实验系统行为的指示，而不仅仅是受体本身。

根据生物学问题选择检测方法

没有一种GPCR检测法能回答所有问题。

cAMP 测定

含有Gs或Gi蛋白的受体通常使用cAMP测量。Gs反应可能导致cAMP增加，而Gi反应则可能通过抑制受刺激的cAMP产生来指示。

这些检测方法常用于浓度-反应研究、激动剂表征研究以及拮抗剂研究。在拮抗剂实验中，通常在测试化合物暴露于细胞后施加激动剂浓度。

钙分析

Gq偶联受体可以通过细胞内钙质检测来研究。它们能快速且高通量地读出，但响应时间可能较短，且高度依赖于细胞的操作、染料加载、受体表达和测量时间。

GTPγS 结合

GTPγS检测是G蛋白激活过程中最早被测量的事件之一，常用于确认膜制剂中激动剂的活性。由于该检测方法较接近受体-G蛋白相互作用，可以减少下游读出中部分放大。

逮捕招募

阿雷斯廷检测可用于研究通路偏差、配体特异性信号、受体运输和受体脱敏。它们最好与G蛋白检测结合使用，而非作为受体激活的通用指示。

活细胞生物传感器

BRET和FRET技术（以及其他生物传感器方法）可以追踪活细胞中随时间变化的信号事件。最大的卖点是动力学信息：研究人员能够测量信号的开始时间、峰值和下降，因为他们测量了多个端点。

制作一个准确的GPCR实验

好的检测方法基于生物制剂，而不是仪器本身。

首先，确保受体表达且位于细胞膜的正确位置。反应低可能并非配体活性低，而是受体表达/运输不良所致。

其次，添加合适的控制装置。通常需要已知的激动剂、已知拮抗剂、载体对照、未转染细胞以及不受体无关的对照来进行下游检测。

最后，进行完整的浓度-反应曲线。仅评估一种化合物浓度，无法可靠衡量效力、疗效、部分激动作用、毒性或非特异性干扰。

同时也需要标准化时间。一旦你在几秒钟内获得钙信号，几个小时后再测量基因表达，你不能简单地比较两者。测量同一受体的测试可用于测量反应的不同阶段。

最后，使用正交方法验证显著结果。如果化合物在cAMP检测中被发现活性，最好用其他有用的检测法、结合测定或受体特异性对照加以确认。《检测指导手册》建议在推进导向优化过程中，对GPCR命中结果进行仔细验证、质量控制和药理学表征。

药物发现的GPCRs（全球药物检索）

GPCRs在药物发现中依然扮演着关键角色，因为它们参与了许多生理学方面，并且在细胞表面表达。GPCRdb估计，25%的人类激素参与了该受体家族成员的反应，约三分之一的药物针对该受体家族成员。

对于传统程序，主要搜索靶点要么是激动剂，要么是与主要配体结合位点结合的拮抗剂。目前还在研究变构调制剂、途径偏倚配体、受体-换导器选择性、结合动力学及基于结构的化合物设计。

随着结构生物学的出现，这一目标变得更加可行。GPCRdb 现包含比较 GPCR 结合位点和激活状态的工具，包括实验确定的受体结构、受体-配体复合物和受体-G 蛋白复合物。

结构良好的化合物即使结构良好，也应接受功能测试。分子可以以强结合亲和力结合特定靶点而不触发预期的细胞反应，或者分子可能以不正确方式接入目标通路。

结论

G蛋白偶联受体最好不仅是膜开关，更是一个灵活的信号系统。

受体在配体结合下改变形状，受体在细胞中找到伴侣，细胞环境决定信号的传播路径。因此，考虑检测方法的选择、受体表达、通路的时间、对照和正交验证非常重要。

GPCR研究和药物发现的最佳结论往往是通过结构信息和多种功能性检测的结合得出的。

常见问题解答

问题1。 GPCR的主要功能是什么？

GPCR是一种细胞表面受体，响应细胞外信号并产生细胞内反应。答案可能通过G蛋白、抑制素、第二信使、离子通道或基因调控。

问题2。 所有GPCRs都被同一种G蛋白激活吗？

不。不同的受体可以优先激活不同的G蛋白（G蛋白、Gi/o蛋白、Gq/11、G12/13或多个信号伴侣）。

问题3。 什么是孤儿GPCR？

孤儿GPCR是一种天然激活配体尚不确定的受体。这些受体对基础研究和药物开发仍具有重要意义。

问题4。 那么，GPCR筛查应该用哪种检测？

“最佳”检测方法取决于所回答的问题以及受体的信号通路。反应的不同方面可以通过cAMP、钙、GTPγS、抑制素和活细胞生物传感器测定来测量。

问题5。 研究人员为什么要使用多个检测方法？

一个检测法只能测量一条通路，或具有格式特定的干扰。如果用正交测定证明观察到的效应确实与受体相关，那么可以得出这确实是受体效应的结论。