P2Y1受体激活的分子机理

G蛋白偶联受体蛋白（GPCRs）又称七次跨膜螺旋膜蛋白。GPCRs参与着人体的各种生理功能，包括神经信号传递、细胞分化、视觉、嗅觉等。人类的重大疾病如老年痴呆症、癌症、艾滋病也与GPCRs密切相关。GPCRs是最为热门的药物设计和筛选靶标蛋白，目前40%左右的上市药物都是基于GPCRs而设计。因此研究和理解GPCRs的结构与功能，对当今药物设计至关重要。

一个蛋白质的特有生理功能与活性，是由它特定的三维结构决定的。因此从蛋白三维结构来理解GPCRs的功能是当今药物设计中必不可少的一个环节。随着结构生物学技术突飞猛进的发展，截止到2016年11月初，已经了41个不同种类的GPCRs结构被解析出来。这其中涵盖了GPCRs的A、B、C和F亚家族。

尽管传统结构生物学对人们理解蛋白的生理功能提供了不可或缺的方法和信息，但它也有自己的缺陷。比如传统结构生物学不能告诉人们为什么GPCRs结合激动剂（agonist）之后可以被激活，而结合拮抗剂（antagonist）的时候为什么信号通路会被阻断。此外，单个GPCRs晶体结构也不能告诉人们GPCRs具体的激活动态过程是怎样的。与之相比，计算结构生物学则很好的弥补了传统结构生物学的不足。比如：通过在计算机上构建磷脂双层和溶剂环境，可以模拟GPCRs在细胞生理环境下的动态过程（图一）。

图一： 分子动力学模拟GPCR膜蛋白体系

P2Y₁蛋白是ADP诱导血小板聚集反应中的主要受体，与人体血栓的形成密切相关。基于晶体结构和长时间尺度的分子动力学模拟，作者阐释了P2Y₁两种不同拮抗剂的抑制机理。BPTU和MRS2500分子都是P2Y₁受体的拮抗剂（图二），但他们的结合位点完全不同。分子动力学模拟发现，尽管BPTU和MRS2500所处的结合位点不一样，但他们都可以稳定P2Y₁内部氨基酸R310和D204之间的盐键。与之相对比，激动剂ADP与P2Y₁结合后，这个盐键则被破坏，并且有大量的水分子从溶剂环境进入P2Y₁受体的内部（图三）并形成连续水分子通道。研究进一步发现，BPTU结合P2Y₁后可以稳定受体膜外部分的结构域，从而稳定R310和D204之间的盐键。而MRS2500则通过占据P2Y₁受体的口袋来行使它的拮抗剂功能。该工作还发现了P2Y₁受体在激活过程中存在着三种不同的状态（图四）：非激活态、中间过度态和完全激活态。

图二：两种不同的拮抗剂 BPTU（图A）和MRS2500（图B）处于P2Y₁受体的不同位置。

图三： P2Y₁小分子特异性原理。

图四：P2Y₁受体跨膜螺旋TM3、TM6 和TM7在激活过程中的三种状态

该论文作者为：Shuguang Yuan, C. Stephen Chan, Horst Vogel, Slawomir Filipek, Raymond C. Stevens, Krzysztof Palczewski

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201605147/abstract

The Molecular Mechanism of P2Y₁ Receptor Activation

Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 10331-10335, DOI: 10.1002/anie.201605147

袁曙光博士简介

袁曙光，2009年获得中科院上海有机化学研究所硕士学位。2009年10月获得欧盟玛丽居里全额奖学金资助，先后在比利时鲁汶大学（KU Leuven）、波兰科学院、洛桑瑞士联邦理工学院（EPFL）完成博士学位。2013年6月获得最佳博士论文奖。近年来，袁曙光博士一直致力于GPCRs计算机模拟研究。通过全原子长时间尺度的分子动力学模拟（all-atom long time scale molecular dynamics simulation），揭示GPCRs的激活机制和小分子的特异性原理。2013年，作者首次发现了钠离子在鸦片受体（mu opioid receptor）的激活过程中的机理（Angew. Chem. Int. Ed., 2013, DOI: 10.1002/anie.201302244）。2014年，作者通过对Rhodopsin、A_2AR和β₂AR三个GPCRs受体的系统研究，首次发现了GPCRs被激活的时候，在GPCRs内部能够形成连续的水分子通路（Nature Communications, 2014, DOI: 10.1038/ncomms5733）。同年作者又揭示了GPCRs 形成水分子通路的开关（Angew. Chem. Int. Ed., 2013, DOI: 10.1002/anie.201409679）。2015年，作者发现了鸦片受体的小分子特异性原理，系统阐述了为什么两个结构上非常相似的小分子其中一个是激动剂，而另外一个则是拮抗剂（Angew. Chem. Int. Ed., 2015, DOI: 10.1002/anie.201501742）。该工作并被主编选定为热门文章。2016年，作者揭示了5-HT_1A受体的立体选择性原理（Angew. Chem. Int. Ed., 2016, DOI: 10.1002/anie.201603766）。同年，作者还发现了P2Y₁受体两种不同的拮抗剂抑制机制（Angew. Chem. Int. Ed., 2016, DOI: 10.1002/anie.201605147）。

作者主页：http://www.gpcrm.org