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.2007年11月23日；318(5854):1258-65.
doi:10.1126/science.1150577。 Epub 2007年10月25日。

工程化人β2肾上腺素能G蛋白偶联受体的高分辨率晶体结构

瓦迪姆·切列佐夫 1, 丹尼尔·罗森鲍姆, 迈克尔·汉森, 瑟伦·G·F·拉斯穆森, Foon Sun Thian先生, 东山科比尔卡, Hee-Jung Choi先生, 彼得库恩, 威廉·魏斯, 布莱恩·科比尔卡, 雷蒙德·史蒂文斯
附属公司

工程化人β2肾上腺素能G蛋白偶联受体的高分辨率晶体结构

瓦迪姆·切列佐夫等。 科学类. .

摘要

异三聚体鸟嘌呤核苷酸结合蛋白（G蛋白）偶联受体是跨膜通讯的真核生物信号转导蛋白的最大家族。我们报道了人β2肾上腺素能受体-T4溶菌酶融合蛋白的晶体结构，该融合蛋白以2.4埃的分辨率与部分反向激动剂卡唑醇结合。该结构提供了与扩散配体结合的人类G蛋白偶联受体的高分辨率视图。配体结合位点的可及性由第二个细胞外环实现，第二个胞外环由一对紧密间隔的二硫键桥和环内的短螺旋段支撑出结合腔。胆固醇是结晶的必要成分，在晶格中调节受体分子有趣的平行结合。尽管卡拉唑醇在β2肾上腺素能受体中的位置与视紫红质中视网膜的位置非常相似，但配体结合位点和其他区域的结构差异突出了将视紫红素用作这一大受体家族模板模型的挑战。

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图1
图1
β的总折叠2AR-T4L融合及其预测的质膜取向和关键的分子内相互作用。答：。β整体折叠立体图2AR-T4L型。受体和T4L分别为灰色和绿色。Carazolol呈蓝色，与受体结合的脂质分子呈黄色。B。该受体与位于类脂膜中的视紫红质模型对齐（由水平黑线指示边界），如在膜蛋白取向（OPM）数据库中所发现的那样（74）。T4L在内部融合到β的第三个细胞内环路2AR，并通过倾斜远离受体来维持最小的分子内堆积相互作用。C、。β之间的特定分子内相互作用2代表AR和T4L。
图2
图2
磷脂中间相结晶β中的晶体堆积相互作用2AR-T4L型。答：。有四个主要接触区域，其中两个由T4L介导，位于膜平面内，通过双重对称轴和平移。第三种相互作用垂直于T4L和管腔暴露环之间的膜平面2第四种相互作用是由两个对称轴产生的，将一个受体与受体包装在膜平面上。B。受体晶体堆积界面主要由脂质与两个胆固醇分子和两个棕榈酸分子组成，形成了大多数相互作用。界面的细胞质端存在离子电荷相互作用网络，形成唯一的受体间蛋白质接触。C、。β之间的比较2AR-T4L和视紫红质（PDB ID Code 2I35）平行受体结合界面。螺旋I（蓝色）和VIII（洋红色）在两个结构中都高亮显示。对于每个受体表示，仅显示了一个单体，以及仅来自相反对称相关分子的螺旋I’和VIII’。视紫红质界面相对于β明显扭曲2AR-T4L导致与生理二聚体界面所需的平行方向发生显著偏移。β2AR-T4L相关单体呈高度平行取向。
图3
图3
β的表面表示2AR由红色（-10 k）计算电荷着色b条T/e公司c（c）)至蓝色（+10 kb条T/e公司c（c）)使用70的介电常数。答：。本文指出了三个主要关注领域。结合位点裂口带负电荷，就像螺旋III、IV和V之间的凹槽一样。第三个区域是细胞质表面离子锁和DRY基序区域的总正电荷。总的结果是一个高度极化的分子，可以利用其负电荷促进儿茶酚胺配体的结合。螺旋III、IV和V之间的凹槽中出现负电荷是意料之外的，因为它位于脂质膜的中间。这种电荷可能部分来自122位存在的未配对谷氨酸3.41。由于其位于脂质膜的低介电环境中，因此该区域的有效电荷可能大于此处所示。B类视图从A旋转90°，显示带负电荷的结合位点裂缝（顶部）和带正电荷的细胞质表面（底部）。使用在Pymol（75）中实现的程序APBS（53）计算泊松-玻尔兹曼静电学。在制备所有图形时，只使用了吡咯烷酮。
图4
图4
β细胞外侧面的比较2AR-T4L和视紫红质。答：。β中的实验密度缺少N末端2AR-T4L结构，未显示。ECL2以绿色显示，包含一个短α-螺旋和两个二硫键（黄色）。环内二硫键限制ECL2与ECL1相互作用的尖端。第二个二硫键将ECL2与螺旋III相连。ECL2和咔唑醇（蓝色）通过Phe193发生相互作用5.32通过刚性螺旋段和两个二硫键的结合，整个环被挡在配体结合位点之外。B。相反，视紫红质中的ECL2（绿色）在结构中占据较低位置，阻止直接进入视网膜结合部位，并与结合视网膜（粉红色）正上方的N末端区域（品红色）结合形成一个小β片。
图5
图5
配体结合特性及与视紫红质的比较。答：。从细胞外表面俯视膜平面的视图显示了β2AR-T4L型。Carazolol显示为带有黄色碳原子的棒状物。β2有助于卡唑醇结合的AR-T4L残基显示为绿色并标记。电子密度由F以5σ的等高线表示o个-F类c（c）忽略不计咔唑醇贡献的map。B。11之间的装订方向比较-顺式-视紫红质中的视网膜和β中的咔唑醇2AR-T4L型。对于卡唑醇和视网膜，范德华的表面用点表示，以强调紧密的堆积相互作用。视网膜总的来说-顺式构象（粉红色），与咔唑醇（蓝色）相比，在视紫红质活性部位深层结合，在Tyr268之间填充β-紫罗兰酮环6.51和Phe2125.47（青色），阻止Trp265的运动6.48（洋红色）进入空间。β-紫罗兰酮环反式-激活的视紫红质中的视网膜不会阻断Trp2656.48从旋转到空间，允许旋转体转变为其提议的主动形式。C、。β的拨动开关机制涉及四个残基2配置总成T4L，如图所示。Phe290型6.52（洋红）夹在Phe208之间5.47（棕色）和Phe2896.51（tan）形成环-面芳香相互作用。与视紫红质一样，激活步骤也被认为是通过Trp286的旋转体变化来实现的6.48（洋红）将取代Phe2906.52如图所示，Carazolol与三明治基序有广泛的相互作用：然而，与Trp286的相互作用很少6.48.β中的6.52位置2AR-T4L被Phe290占用6.52相对于Ala2696.52在视紫红质中，β-紫罗兰酮环取代芳香蛋白侧链，形成三明治相互作用。Phe289保持了三明治的芳香特性6.51和Phe2085.47单位：β2AR-T4L型。
图6
图6
β的比较2带视紫红质的AR-T4L螺旋定向（PDB ID代码1U19）。答：。β2AR-T4L被呈现为带状轨迹，用蓝色到红色的光谱着色，对应于观察到的两个结构中Cα位置之间的距离（跨膜区中所有残基之间的RMSD 2.7Å）。螺旋线II的运动很小，而螺旋线III、IV、V的整个长度都发生了显著变化。螺旋VIII和线圈未包含在比较中，且为棕褐色。B。视紫红质（灰色）螺旋I和V相对于β的运动2AR-T4L型。C、。螺旋线III、IV和VI的运动。D。配体结合位点的表达。Carazolol显示为黄色碳。如图所示，根据螺旋与配体结合位点区域内视紫红质位置的差异，为整个螺旋分配一个单独的名称。螺旋I高度发散，螺旋II和VI与视紫红质相似。螺旋线IV和VII是适度恒定的。螺旋III和V适度发散。
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