2019年5月15日，Molecular Cell期刊在線發表了題為Conformational Complexity and Dynamics in a Muscarinic Receptor Revealed by NMR Spectroscopy的研究論文，報道了應用液體核磁共振方法研究M2毒蕈堿型乙酰膽堿受體結構動态性的工作，并結合功能實驗和分子動力學模拟，揭示了GPCR 信号轉導多樣性的分子機制。該項研究由beat365化學學院金長文教授課題組與清華大學、美國斯坦福大學和德國埃爾朗根-紐倫堡大學的合作者共同完成。

G蛋白偶聯受體（GPCR）家族是最大的一類膜蛋白家族受體，在視覺，嗅覺，味覺以及激素和神經遞質等信号轉導中發揮着重要的生理功能，同時也是關鍵的藥物靶标。近年來，随着越來越多GPCR在失活和激活狀态下的晶體及電鏡結構的解析，人們對于這一大類受體的激活機制有了愈發深入的了解。然而，GPCR受體的失活和激活結構僅代表了信号轉導過程起始和終止時相對穩定的構象狀态，受體在激活過程中發生了複雜多樣的動态構象變化，這些變化很可能與不同配體引起的信号轉導多樣性相關。目前，GPCR在激活過程中的動态構象變化仍不清楚，國際上這方面的研究尚處于起步階段。液體核磁共振方法能夠在原子分辨率水平研究蛋白質相互作用和構象變化，提供晶體或電鏡結構缺失的信息，是GPCR動态結構與激活機制研究中不可缺少的重要研究手段。

M2毒蕈堿型乙酰膽堿受體（M2R）是一個典型的GPCR，在調節人體心率和許多中樞神經系統功能中發揮重要作用，是研究GPCR 信号轉導、調節以及藥物設計的模式受體。該項研究通過在M2R中引入¹³CH3-ε-甲硫氨酸同位素标記探針，檢測受體在結合一系列配體小分子時的核磁圖譜變化（圖一），分析M2R動态構象變化與這些配體對G蛋白激活和抑制蛋白 （arrestin）招募效應差異的相關性。同時，結合分子動力學模拟實驗進一步解釋不同配體結合導緻受體激活時構象和功能變化差異的分子機制。該項研究首次将M2R的配體結構、受體構象變化以及配體功能多樣性聯系起來，揭示了M2R信号轉導多樣性可能的分子機制，并為針對這類重要受體的藥物研發提供了理論指導。

圖1：内源配體乙酰膽堿（acetylcholine）與晶體結構解析的配體iperoxo具有不同功效，在結合受體時呈現差異性的化學位移指紋圖譜，揭示受體激活時發生不同的構象變化。

beat365金長文教授與清華大學/斯坦福大學的Brian K. Kobilka教授為該論文的共同通訊作者。清華大學醫學院博士生徐俊為第一作者。原beat365核磁共振中心副研究員胡蘊菲博士（現為蘇州大學醫學部教授）參與了核磁實驗以及數據的處理和分析。beat365核磁共振中心牛曉剛博士和李紅衛博士協助完成核磁數據的收集。德國埃爾朗根-紐倫堡大學化學與藥理學系Peter Gmeiner課題組負責完成了該研究的功能實驗和分子動力學模拟實驗。斯坦福大學醫學院助理研究員 Shoji Maeda為該研究的功能實驗提供了幫助。該項研究得到國家重點研發計劃、清華-北大生命科學聯合中心和北京市高精尖結構生物學中心的資助。核磁實驗數據全部在beat365核磁共振中心和鳳凰工程核磁平台收集完成。

金長文課題組長期緻力于用液體核磁共振技術表征生物大分子的結構與動态構象變化。該論文是金長文課題組與Brian Kobilka研究組在GPCR動态結構合作研究中的一項階段性成果，展現了核磁共振技術在膜蛋白受體動态研究中的重要應用。更深入系統的動态結構研究正在進行中，這些研究将有助于進一步加深人們對GPCR信号轉導多樣性的分子機制的理解。

文章鍊接：https://www.cell.com/molecular-cell/fulltext/S1097-2765(19)30320-X