不同信号分子如何精准激活细胞中的受体

细胞表面受体被细胞外配体激活是细胞间通讯的标志，控制着人体大多数生理功能。G蛋白偶联受体（GPCR）是这类受体中最大的家族，在配体激活后通过招募和激活细胞内G蛋白将信号传入细胞。GPCR配体可不同程度地激活（激动剂）或抑制（拮抗剂/反向激动剂）受体，这种配体效能的多样性在药物治疗中被广泛利用，但配体效能的分子本质及GPCR在活细胞中的激活机制仍不明确。

以往对纯化的β2肾上腺素受体的荧光光谱研究，以及近期的核磁共振（NMR）和双电子-电子共振（DEER）光谱研究表明，GPCR并非简单的“开关”，而是存在多种非活性和活性状态的动态平衡。部分激动剂被认为能稳定与完全激动剂不同的构象状态，单分子 Förster 共振能量转移（FRET）和先进的NMR研究也显示GPCR可与G蛋白形成不同的信号复合物，其中G蛋白可能具有不同的核苷酸亲和力。但这些研究均在体外分离系统中进行，GPCR在活细胞生理环境中是否也采用不同构象并形成不同信号复合物尚不清楚。

本研究开发了新型GPCR构象生物传感器，以M2毒蕈碱型乙酰胆碱受体（M2R）为模型，探究活细胞中GPCR-G蛋白信号复合物的存在及配体调控。为追踪GPCR细胞外表面的构象变化，研究人员利用基因密码扩展技术将非天然氨基酸（ncAA）整合到M2R中，通过生物正交标记在活细胞表面对受体进行荧光标记。经过筛选，获得了7个对激动剂敏感的生物传感器，它们能在完整细胞中实时报告受体细胞外表面的构象变化，且保留了完整的G蛋白偶联功能。

研究发现，不同效能的激动剂（如内源性完全激动剂乙酰胆碱、超激动剂iperoxo、部分激动剂槟榔碱和毛果芸香碱）会产生独特的“构象指纹”，表明M2R在活细胞中存在多种活性状态平衡。通过过表达GαoA（G203T）突变体（可稳定无核苷酸的受体-G蛋白复合物）和用百日咳毒素（PTX）抑制内源性G蛋白，证实了至少存在两种功能不同的M2R-G蛋白复合物：高效能复合物和低效能复合物。动力学分析显示，这些复合物的形成时间在0.2-5秒之间，且激动剂会通过特定的激活轨迹形成复合物，例如超激动剂iperoxo更倾向于稳定高效能复合物，而部分激动剂毛果芸香碱则更易形成低效能复合物。

进一步通过TRUPATH生物传感器平台分析发现，不同激动剂对G蛋白亚型的激活具有选择性，这种选择性与复合物的平衡位置和激活轨迹相关。例如，槟榔碱通过独特的激活轨迹优先激活Go蛋白而非Gi蛋白。

总之，本研究揭示了GPCR在活细胞中的激活远比体外研究复杂，激动剂通过不同的激活轨迹形成多种具有不同效能的GPCR-G蛋白信号复合物平衡。这一发现阐明了活细胞中配体效能的分子本质，为开发具有特定信号谱的GPCR药物提供了新思路。