通过国际化圣犹达儿童研究医院(St. Jude Children's Research Hospital)的科学家们利用数据科学、药理学和结构信息来进行研究在原子水平上研究结合肾上腺素的受体中的每个氨基酸是如何相互作用的在这种天然配体存在的情况下，具有受体活性。他们准确地发现了哪些氨基酸是氨基酸控制配体的关键药理特性。研究的肾上腺素受体是G蛋白偶联受体(GPCR)家族的一员，该家族是美国食品和药物管理局(FDA)批准的所有药物中三分之一的靶标。因此，了解gpcr对天然或治疗性配体的反应对于开发对受体活性具有精确影响的新疗法至关重要。这项工作今天发表在科学．
为了了解手表的工作原理，人们可以把它一块一块地拆开，研究每一个部件在计时功能中所起的作用。类似地，在像GPCR这样的蛋白质中，每个氨基酸可能在蛋白质对外部信号的反应中发挥不同的作用。圣裘德的研究人员与来自斯坦福大学、蒙特利尔大学、MRC分子生物学实验室和剑桥大学的科学家合作，通过一次替换一个氨基酸来研究β2-肾上腺素能受体(β2AR)，以了解该受体中每个氨基酸对介导信号反应的贡献。
GPCRs是一种跨越细胞膜的蛋白质，通过向细胞内部传递外部信号，将细胞外部与内部环境连接起来。在β2AR的情况下，肾上腺素与细胞外的GPCR结合，在细胞内引起反应。
当配体结合时，它会引起受体形状的变化，特别是在G蛋白结合的受体的细胞内区域。配体和G蛋白的结合位点位于蛋白质的两侧，但通过一个复杂的氨基酸接触网络连接在整个蛋白质上。GPCR内的构象(形状)变化激活G蛋白，从而触发细胞内的下游信号反应。通过对多种组织和GPCRs的影响，包括β2AR，肾上腺素可以触发战斗或逃跑反应，比如在肾上腺素激增时。
为了了解每个氨基酸在GPCR中的作用，Franziska Heydenreich博士，现在是马尔堡菲利普斯大学的带头人和该项目的共同通讯作者，对β2AR中的412个氨基酸进行了突变。然后，她评估了每个突变体对配体肾上腺素的反应，并确定了疗效和效力的经典药理学特性。药效衡量的是配体能引起的最大反应，效力衡量的是达到最大反应一半所需的配体数量。其目的是在原子尺度上揭示每种氨基酸如何影响这些药理特性。
“令人惊讶的是，400多种氨基酸中只有大约80种与这些药理特性有关。在这些药理学上相关的氨基酸中，只有三分之一位于配体或G蛋白与受体结合的区域，”Heydenreich说。
Babu说:“观察到一些氨基酸控制功效，一些控制效力，还有一些影响两者，这是很有趣的。”“这意味着如果你想制造一种更有效或更有效的药物，你现在知道新配体需要影响特定的残基。”研究人员还指出，每种残基对疗效和效力的个体贡献是不相等的，这意味着在设计新的治疗配体时微调药物反应的机会更多。
“几十年来，人们已经测量了许多配体受体信号系统的功效和效力。现在我们可以理解蛋白质序列中的特定氨基酸如何影响这些药理特性，”Babu解释道。
“研究结果的一个令人着迷的方面是，效力和功效可以通过不同的机制相互独立地调节。这为理解遗传变异如何影响个体之间的药物反应提供了基础，”蒙特利尔大学免疫学和癌症研究所所长、生物化学和分子医学系共同通讯作者Michel Bouvier博士补充道。
先前的研究阐明了β2AR的活性和非活性状态的结构。在此基础上，研究人员开始了一项新的调查。他们探索了之前被证明不参与配体或g蛋白结合的三分之二的药理学相关氨基酸是否可能在受体的活性和非活性状态之间的转换中发挥作用。
海登赖希说:“我们开始系统地观察活性状态下的每一个独特的残基接触，以了解是否所有形成活性状态接触的氨基酸都很重要。”
研究人员开发了一个数据科学框架，系统地整合药理学和结构数据，并揭示了GPCR信号传导的第一个全面图像。“当我们将药理学数据映射到结构上时，它们形成了一个美丽的网络，”Babu说。
“它为将配体结合袋连接到控制疗效和效力的G蛋白结合位点的变构网络提供了新的见解。”斯坦福大学医学院2012年诺贝尔化学奖得主、共同通讯作者布莱恩·科比尔卡补充道。
通过在原子水平上理解GPCR信号，研究人员乐观地认为他们可以开始更深入地探索。观察活性构象和非活性构象之间的瞬时亚态，探索蛋白质的构象景观。
海登赖希说:“我们现在知道要研究哪些突变体，哪些只影响疗效、效力或两者兼而有之。”
“现在，我们可以对这些突变体进行分子动力学计算和单分子实验，以揭示变构网络影响介导信号反应的功效和效力的确切机制。这是我们通过圣犹达研究合作组织(St. Jude Research Collaborative)所追求的方向，该组织包括来自多家机构的pi。”先生解释说。
除了这些参与介导活性状态特异性接触并在突变时影响药理学的“驱动”残留物外，Babu和他的同事打算探索这项工作揭示的其他关键发现。他们的目标是研究“乘客”氨基酸，尽管在活性状态下进行接触，但在突变时不会影响功效或效力。他们还对“调节剂”残基感兴趣，这种残基不介导活性状态特异性接触，但在突变时改变药理学。他们的数据科学方法，整合了结构信息和药理学测量，并不局限于β2AR。它可以扩展到任何GPCR，以增强我们对这类关键药物靶标的机制的理解。
该研究的其他作者包括剑桥大学的Maria Marti-Solano和圣裘德的Manbir Sandhu。
该研究得到了Marie Sk?odowska-Curie欧盟地平线2020研究(844622,832620)、美国心脏协会(19POST34380839)、美国国立卫生研究院(R01NS028471)、加拿大卫生研究所(FDN#148431)、英国医学研究理事会(MC_U105185859)、英国皇家学会大学(URF\R1\221205)、艾萨克·牛顿信托基金[22.23(d)]、威康信托机构战略支持基金的个人奖学金的资助。以及圣犹达的筹款和宣传组织ALSAC。
