捕捉吗啡受体释放能量分子的瞬间画面

在G蛋白偶联受体（GPCR）超家族中，μ-阿片受体（MOR）是临床极为重要的一种，被广泛用于疼痛管理。然而，MOR激动剂存在高滥用风险和危及生命的副作用，因此解决这些问题成为当前药物研发的重点。纳洛酮是治疗阿片类药物过量的常用药物，通常被认为是拮抗剂，但部分研究显示其具有低效能部分激动剂活性。部分激动剂因有望实现更安全的治疗效果，成为研发热点，但由于对不同激动水平如何在细胞内传递的机制理解不完整，限制了定制效能配体的设计。

阿片类激动剂通过结合阿片受体发挥作用，主要通过Gi/o型G蛋白传递信号。MOR介导的信号传导涉及与G蛋白的相互作用，促使G蛋白从无活性的GDP结合异源三聚体（Gαβγ）转变为活性状态——GTP取代GDP，复合物分解为GTP结合的Gα和Gβγ亚基。此过程的限速步骤是GDP从Gα亚基释放，在静息状态下GDP与Gα结合紧密。激活后，亚基与下游效应器作用，传递如腺苷酸环化酶抑制、钾通道刺激等信号。

为探究纳洛酮效能的矛盾描述，研究人员进行了体外信号实验，使用多种基于生物发光共振能量转移（BRET）的生物传感器及环磷酸腺苷（cAMP）生物传感器，证实纳洛酮在所有实验系统中均为部分激动剂，效能在10%-30%之间。通过放射配体结合实验进一步确认了纳洛酮的部分激动作用。随后，利用RG-BRET实验（“nuc-BRET”）发现，配体效能与GDP亲和力显著相关：激动剂降低GDP亲和力（如洛哌丁胺使GDPβS的EC50增加约30倍），反向激动剂则提高GDP亲和力（如阿维莫泮使EC50降低），且信号效能与GDPβS的EC50呈明显负相关。

为深入理解GDP亲和力调节机制，研究人员进行了单颗粒冷冻电镜（cryoEM）实验，捕获了MOR-G蛋白激活通路中的六种构象状态，包括四种GDP结合状态（潜伏态、结合态、解锁态和启动态）。潜伏态中，G蛋白相对受体旋转60°，通过三个细胞内环（ICLs）与受体结合，Gα的α5螺旋延伸并与跨膜螺旋（TM）5和6作用，但AHD结构域仍关闭。结合态中，G蛋白旋转、平移并靠近受体，α5螺旋延伸14Å，MOR呈现典型激活特征（如TM6开放），AHD虽关闭但已为打开做好结构准备。解锁态中，AHD动态开放，GDP结合口袋相互作用减少，GDP开始移出。启动态中，开放的AHD有序排列，GDP结合最不稳定，部分分子动力学（MD）模拟显示GDP完全释放。

这些发现表明，配体效能通过稳定特定构象状态调节GDP释放速率：拮抗剂和部分激动剂稳定GDP释放速率低的潜伏态，而激动剂促进向结合态、解锁态和启动态转变，加速GDP释放。这为G蛋白激活机制及配体效能提供了结构和机制见解，对GPCR药理学具有广泛意义。