全 文 ：第27卷 第4期
2015年4月
Vol. 27, No. 4
Apr., 2015
生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
文章编号：1004-0374(2015)04-0445-08
DOI: 10.13376/j.cbls/2015058
收稿日期：2014-10-24； 修回日期：2014-12-05
基金项目：中央高校基本科研业务费(WY1113007)
*通信作者：E-mail: ytang234@ecust.edu.cn
G蛋白偶联受体的结构与功能研究进展
程建昕，唐　赟*
(华东理工大学药学院上海市新药设计重点实验室，上海 200237)
摘　要：G蛋白偶联受体 (GPCR)是一类具有七个跨膜螺旋结构的超家族，参与机体内许多重要的生物学
信号转导过程，其功能异常将引起一系列疾病的发生，因而是一类十分重要的药物作用靶标。近几年来，
研究人员在 GPCR的三维结构测定方面取得了一系列重要的研究进展，这些突破性成就不仅将 GPCR家族
各亚型及成员的基本结构特征清晰地呈现给人们，也促使人们对它们的功能展开了新一轮广泛而深入的探
索。这为基于结构的药物设计，如具有功能选择性的变构调节剂等新型配体的设计，提供了大量重要的信息。
现对最近两年在 GPCR结构和功能研究方面所取得的重要进展进行综述，并对基于 GPCR结构的药物设计
及进一步研究进行了展望。
关键词：G蛋白偶联受体；药物作用靶标；药物设计；功能选择性；变构调节剂
中图分类号：Q753；R977.6 文献标志码：A
Research advances in structures and functions of G protein-coupled receptors
CHENG Jian-Xin, TANG Yun*
(Shanghai Key Laboratory of New Drug Design, School of Pharmacy,
East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China)
Abstract: G protein-coupled receptors (GPCR) are a family of proteins containing seven transmembrane helixes,
which participate in response to a wide range of intracellular signaling transduction. Because the dysfunction of
GPCR will cause a series of disorders or diseases, they are extremely important drug targets. In recent years, a series
of big advances in the determination of three-dimensional structures of GPCR has been made. These breakthroughs
not only allow to clearly understand the basic structural characteristics of each GPCR subtype and individual
members, but also prompt to launch a new round of broad and in-depth exploration on GPCR functions. All above-
mentioned progresses greatly facilitate drug design based on GPCR structures, such as the design of new types of
ligands with functional selectivity like allosteric modulators. In this review, we mainly summarized important
advances achieved in aspects of GPCR structures and functions in recent two years. GPCR structure-based drug
design and further research prospects were also reviewed.
Key words: G protein-coupled receptors; drug target; drug design; functional selectivity; allosteric modulator
1　GPCR概述
G蛋白偶联受体 (GPCR)是一类具有 7个跨膜
螺旋 (7TM)的膜蛋白，是细胞信号转导的起点。据
估计，该类蛋白在人体有超过 800个成员 [1]，是很
庞大的一个家族，其影响涉及心血管疾病、神经系
统疾病、代谢性疾病、癌症等多种类型疾病。在已
确认的约 500个药物靶标中 [2]，绝大多数属于
GPCR家族成员，因而 GPCR是最大的药物作用靶
标家族。正是由于 GPCR的作用广泛而巨大，从其
被发现开始就一直是人们的研究热点。近年来，基
于信号转导通路的 GPCR新靶标确认 [3-4]及偏向
(biased)信号转导机制 [5]等方面的研究更是进展快速。
GPCR的低丰度、难纯化结晶等膜蛋白特性，
生命科学 第27卷446
给 X射线技术的应用带来了诸多不便。2000年，
Palczewski等 [6]测定的牛视紫红质晶体结构是最早
被解析的 G蛋白偶联受体，它的出现刷新了用脂立
方技术 (lipidic cubic phases)得到细菌视紫红质晶体
结构 [7]所带给人们的那份喜悦。略有遗憾的是，
Palczewski等在解析技术方面并未再取得突破。直
到 2007年，Cherezov等 [8]通过插入溶菌酶和抗体
等一系列新手段改进了 GPCR的结晶技术，从而开
创了 GPCR结构生物学研究的新局面。因此，
Kobilka和 Lefkowitz分享了 2012年诺贝尔化学奖。
当然，他们的获奖不仅仅是因为在 GPCR结晶技术
上的突破，更是因为他们发现了 GPCR以及后续长
时间潜心研究所取得的系列成就。近几年来，在
GPCR结构和功能研究方面，研究人员相继取得了
丰硕成果，数量之多，分量之大，前所未有 [9-11]。
当前，在 GPCR的配体发现中，具有功能选择
性 (functional selectivity)的偏向性配体 (biased ligand)
和变构调节剂 (allosteric modulator)是比较热门的方
向，这些新型配体的结合位点有别于传统的跨膜结
合口袋，针对这些配体进行研究将有助于突破作用
于传统结合部位的正位配体 (orthosteric ligand)，以
及人们对 GPCR作用机制认识的局限性 [12-15]。为了
增加配体选择性或亲和力，人们已经开发了新的策
略，如设计单次跨膜配体 (bitopic ligand)等新型配
体 [16-18]。另外，非 A类 GPCR在结构测定方面都
有一些突破，针对这些靶标进行药物设计也具有很
好的前景 [19]。本课题组密切关注 GPCR结构与功
能研究方面所取得的各种重要进展，本文主要针对
最近两年在这些方面的重要成果进行综述，并对基
于GPCR结构的药物设计及进一步研究进行了展望。
2　GPCR结构研究进展
截至 2013年，GPCR的晶体结构已经覆盖 A、
B和卷曲型三类 [20]，像阿片受体各亚型已经实现了
全覆盖 [20]。2014年，研究人员再次取得突破，获
得了 C类 GRM1和 GRM5蛋白的晶体结构 [21-22]。
这样一共获得了十几个小亚类的晶体结构 (图 1)，
透过这些晶体结构可以清晰分辨它们的共同特征及
各成员的独特形态等 [1,23]。一些激活态的晶体结构
和相应的生物物理学研究呈现了 GPCR在激活机制
方面一些关键共性，包括螺旋的剧烈运动、保守区
侧链微开关和在 Na+/水簇中有潜在的重排等。不同
的配体介导细胞内侧不同的构象变化，结构独特的
配体所触发的优势构象可有助于解释偏差信号的构
象和功能反应。
通过高分辨率的晶体结构研究，GPCR中由
Na离子介导的变构调节口袋被清晰地展示出来，
这对相应受体及整个 GPCR的作用机制研究无疑是
一重大发现。Na离子介导的变构调节口袋最早是
由 Liu等 [24]在 2012年用 BRIL蛋白突破了高分辨
率结晶技术后对 A2A的结构测定中得到的，目前
这一工作已被引用 100多次，可见其意义重大。
2014年，Fenalti等 [25]从 δ阿片受体的高分辨率晶
体结构中也解析了这一变构调节口袋，并通过点突
变实验对其作用机制进行了深入的探索，进一步揭
示了一些与偏向信号转导相关的残基信息。
5-羟色胺受体与学习、情绪和睡眠有关，是肥
胖、抑郁和偏头痛药物的靶标。针对 5-羟色胺受
体的晶体结构解析，科学家在脂肪凝胶中制备该受
体的结晶 [27-28]。他们利用新型注射系统，使凝胶进
入 LCLS (linac coherent light source) X射线脉冲的
路径，以收集蛋白质的结构信息。这一方法解决了
GPCR研究中的最大障碍：传统 X射线研究使用同
步加速器，需要较大的结晶体，而 GPCR很难达到
这样的尺寸。由于 LCLS比最强力的同步加速器还
明亮百万倍，还支持超快的成像，研究人员可以通
过这一技术分析微小结晶并立即收集数据。LCLS
成像时射线还来不及造成伤害，因此，样品不需要
进行冰冻，可以在更天然的状态下检测。用同步加
速器研究，往往要耗费很长时间才能获得难生晶蛋
白质的大晶体。之后，还需要几个月的时间来优化
结晶，收集足够的结构数据。而 LCLS技术能解析
更小的结晶，可以在几天的时间内完成结构分析。
中国科学院上海药物研究所吴蓓丽研究员课题
组在 GPCR晶体解析方面也做出了重要贡献，先后
于 2010年和 2013年 测定了 CXCR4和 CCR5的三
维晶体结构 [29-30]， 这些结构为深入理解 HIV-1病毒
感染人体细胞的分子机制， 以及这两种受体与其天
然配体的相互作用模式提供了新的线索， 并有助于
新型抗 HIV-1病毒感染药物的研发。2014年，该课
题组再次亮剑，短期内先后报道了抗血栓药物靶标
P2Y12受体的两种不同状态的晶体结构 [31-32]，这又
是对抗血栓药物作用机制研究方面做出的重要贡献。
3　GPCR功能研究进展
3.1　GPCR的激活态、多聚体等构象存在状态研究
目前，研究人员已经报道了单独 GPCR激活态
的晶体结构不少于 4个、GPCR与 G蛋白结合的信
程建昕，等：G蛋白偶联受体的结构与功能研究进展第4期 447
号转导构象不少于 1个及与 Gα亚基相结合的活化
构象多个等，这些构象已经揭示了一些与 GPCR激
活密切相关的信息 [23]。当然，对于 GPCR复杂的
信号转导通路来说，这些构象还是远远不够的。
分子动力学方法已经展现了其在蛋白质动态性
质考察方面的各种优势，面对越来越多的高分辨率
晶体结构，人们已经不满足于较长时间的动力学模
拟。最近，为了得到 β2-肾上腺素受体 (β2AR)在“开”
和“关”两个状态切换中的所有中间状态来指导科
学家开发更有效的药物，斯坦福大学和谷歌公司研
究人员共同运用马尔科夫状态模型 (MSMs)原理开
发了原子水平模拟受体三维结构变化的方法，首次
利用谷歌云计算平台分析大数据，仿真了 β2AR从
“开”到“关”毫秒内所有中间态的结构变化 [33]。
其中，MSMs方法已经应用于 RNA聚合酶等体系
的长时间动力学模拟 [34]。
多聚体是 GPCR的一种广泛存在形式，人们也
在运用动力学手段来展开机制探索 [35]。其中，
MARTINI力场便是一个针对 GPCR多聚体模拟而
设计的力场，通过建立MARTINI粗粒度 (CG)模型
GPCR家族进化树的构建是基于7个跨膜结构域不同层次的同源性。GPCR成员可分以下几类：视紫红质类(A类)、分泌素和黏
素类(B类)、代谢型谷氨酸类( C类)，以及卷曲型/ TAS2类。视紫红质类又分为4个亚组：α组、β组、γ组和δ组。视紫红质类δ
组中的嗅觉受体包括388个受体(这里只显示了4种亚型)，是GPCR中规模最独特的集群。蓝旗代表已获得晶体结构的成员。
图1 GPCR家族进化树、分类及已获得晶体结构的成员[26]
生命科学 第27卷448
来代表多聚大分子，然后通过有差别的动力学参数
来模拟多聚体界面及相互作用体系的动态变化。
3.2　GPCR的信号转导通路研究
前面已经介绍了 GPCR靶标的重要性，说到底
其重要性还是体现在信号转导通路上，也就是说，
GPCR信号通路是目前细胞内最重要的信号通路。
目前的研究认为，GPCR介导及调控生理功能主要
经由两条途径：G蛋白途径和 β-Arrestin途径 [36]。
传统的 GPCR激动剂与受体结合后，激活 G蛋白
信号途径，包括钙离子等第二信使系统、腺苷酸环
化酶 (adenyl cyclase, AC)、丝裂原活化蛋白激酶
(mitogen-activated protein kinases, MAPK)等。针对
G蛋白介导的信号通路研究目前依旧是重要方向。
之前，GPCR 信号通路的检测通常采用定量的方法，
新成果显示通过引入 GPCR信号通路中的第二信使
染料，结合成像技术可以获得很多细胞表型方面的
数据。第二信使的释放是比较快速的过程，因此，
需要结合使用自动加样器。采用成角度的加样头后，
可以有效避免对贴壁细胞的损伤。另外，通过监控
CO2/O2 变化可以实现对细胞的实时检测，配合
Gen5 软件中的动力学检测模式，人们便可以更好
地检测第二信使水平变化。
而 β-Arrestin途径则主要由 β-Arrestin偏向性
配体激活。近来的研究发现，β-Arrestin不仅可阻
断 G蛋白的信号转导，还在 GPCR的脱敏、内化、
复敏以及细胞增殖反应和基因转录中起重要作
用 [37]。最早的偏向激动现象 (biased agonism)是在毒
蕈碱样胆碱受体激动剂的实验过程中发现的 [38-39]，
虽然这类配体也表现为激动剂的效应，与其 G蛋白
信号强度不平行。一种代号为 AF102B的激动剂，
虽能增加 Gq蛋白偶联的磷脂酸 C的浓度，但并未
导致 Gs蛋白偶联的 cAMP浓度发生变化。近些年，
这种 β-Arrestin偏向性配体也被大量报道 [40]。
因为 β-Arrestin蛋白的柔性比较大，尤其是激
活态的，针对其进行的晶体结构解析同样是一项
很有意义的工作。从 2001年第一个 β-Arrestin蛋白
被测定后 [41]，陆续又有 7个结构被报道 [11]，其中
β-Arrestin-2 (Arrestin-3) 仅有 1 个 [42]，其他均为
β-Arrestin-1。在这些晶体结构中，最引人注目的无
疑是2013年Shukla等 [43]报道的激活态的β-Arrestin-1
晶体结构。他们采用抗原结合片段 (Fab30)稳定
β-Arrestin构象柔性的方法，解析了与人源 V2加压
素受体结合的激活态的 β-Arrestin-1，并通过定点荧
光光谱法对激活构象进行了验证。通过与失活状态
的 β-Arrestin比较发现，N末端和 C末端相对彼此
有旋转，套索区 (lariat loop)有大的位移，还发现了
在 β-Arrestin蛋白上有一个大的作用界面等。所有
这些发现都是对 GPCR信号通路研究的有力推动。
3.3　其他方面的研究进展
GPCR其他方面的研究进展也是进步神速，如
多聚体的研究、各种配体受体作用模式的研究、
GPCR激酶杂泛性研究，以及其他方面作用机制的
研究等。而且，这些方面的进展与结构生物学方面
的新发现密不可分，如阿片受体等的晶体结构便是
以多聚体为基本结晶对象而获得的 [44-45]，这些晶体
结构展示了多聚体之间的相互作用界面等信息。当
前在全世界聚焦的形势下，相信 GPCR这些方面的
研究进展会更多、更快。
4　基于GPCR结构的药物设计
GPCR在体内是以多重构象形式 [46]存在的，
与不同配体结合也是以不同形态来实现。在这些构
象中，主导信号转导的信号构象 (signaling conformation)
是 GPCR蛋白实现下游功能的关键。因此，基于这
样的一些基本理念，人们在药物设计方面并没有拘
泥于传统已发现的配体，而是在不断探索发现新型
配体，如偏向性配体和变构调节剂等 [15,47]。不难想
象，人们已经在各种筛选方面做了大量工作，而且
大量潜在的有效策略等待被测试。
4.1　偏向性配体的设计
偏向性配体是随着 GPCR各方面的发展而被渐
渐重视的概念，它有别于传统意义上简单的激动剂、
拮抗剂和反向激动剂的划分，与作用于传统结合口
袋的正位配基相对应。偏向性配体的作用部位有别
于传统结合位点，作用效果上有功能选择性。目前
偏向性配体主要为偏向激动剂，它们的生物学效应
对药物设计有重要价值。过去几年已有一些偏向激
动剂进入临床阶段，如靶向血管紧张素受体 1A
(AT1AR)的 TRV120027[15]。2013年，Zhou等 [48]报
道了通过新的生物筛选方法得到的两类新化合物
(图 2 A/B)，这些化合物优先偏向激活 G蛋白通路
的同时，还对 β-Arrestin-2通路有微弱的聚集作用，
并激活下游 ERK1/2信号通路。而已经发现的 κOR
的另一偏向激动剂 6-GNTI[49]却没有激活下游 ERK1/2
信号通路的功能。
4.2　变构调节剂的设计
晶体结构已经展示了一些内源性的变构调节
剂，包括离子、脂质、胆固醇，甚至多肽等。近年来，
程建昕，等：G蛋白偶联受体的结构与功能研究进展第4期 449
很多人已经意识到与传统的正位激动剂或拮抗剂相
比，靶向 GPCR的变构调节剂具有其潜在的优势，
如变构调节剂在受体亚型选择性等方面比正位配基
表现要好，因此，设计新的变构调节剂来获得更好
的治疗效果有很好的前景。在药物开发中，目前已
有 Cinacalcet和 Maraviroc两个药物上市 [47]。早前
关于变构调节剂的作用部位已有报道，一般位于胞
外区 [51]。下面一个例子便是这方面的一个新的研究
进展。2013年，Burford等 [50]通过生物高通量筛选
策略发现了两个变构调节剂 (图 2 C/D)，其中一个
是正性变构调节剂 (PAM)，另一个是沉默变构调节
剂 (SAM)，这对新型阿片受体镇痛药研发来说无疑
是一个很有意义的进展。
4.3　单次跨膜配体的设计
与其他类 GPCR不同，A类中还存在着一类新
型的单次跨膜配体，在靠近正位结合位点区域，它
们可以有两个同时作用于正位结合位点和变构位点
的药效基团 [16]，如MCN-A-343可选择性作用于毒
蕈碱M2受体，R22 (方案 4)选择性作用于多巴胺
D3受体，以及 77-LH-28-1作用于毒蕈碱M1受体，
这样设计的一个理由是它们的变构结合位点在受体
亚型之间是不保守的，同时结合便增强了它们的选
择性 [16-18]。此外，多价配体 (“dualsteric”或 “multivalent”
ligand)设计理念也得到较好的运用。
5　展望
近几年 GPCR结构和功能研究已经取得了长足
进展，科学家并没有满足于已取得的成果，而是正
在将 GPCR研究推向更深层。GPCR激活动力学是
由多个构象状态之间复杂的平衡决定的 [46,52]，变构
调节剂的存在和偏向信号的功能应答便证实了这一
点。要完整理解这些现象，需探测不同构象之间的
平衡，这就超越了测定最低受体能量状态的晶体学
方法的能力，需要各种生物物理方法，如核磁法、
荧光光谱法和质谱法等，及计算化学方法，如分子
动力学等的大力参与。这就需要研究人员不断改进
技术手段进行创造性劳动，显然接下来会有更多的
重大突破被报道。
5.1　GPCR信号转导通路研究的地位将更加突出
前面已经介绍了 β-Arrestin蛋白在机体内的重
要作用。调控蛋白 β-Arrestin可与细胞表面受体形
成复合物，人们已经猜测其作用机理为两步骤机
制 [53]。发表在 2014年 6月 22日 Nature杂志上的
研究论文揭示出了这个两步骤机制 [54]。首先，
β-Arrestin的 N末端通过高亲和力的电荷 -电荷相
互作用快速而广范地作用于磷酸化的受体 C末端，
然后是指环区 (finger loop)插入受体核心区来形成
纵向排列。β-Arrestin的作用过程相当于给 GPCR
信号戴上帽子，从而阻断信号转导而脱敏。研究人
员在获得可直接进行结构显像的材料后，利用电子
显微镜揭示出了这一信号装置中单个分子彼此之间
的组织构建方式。将数以千计的单幅图像组合到一
起生成了更好的有关这一分子结构的图像。他们通
过交联分析和质谱法检测进一步阐明，这一复合物
三唑类化合物(A)和异喹啉酮类化合物(B)是最近报道的两类κOR偏向激动剂。两个变构调节剂分别为正性变构调节剂(C)和沉
默变构调节剂(D)。
图2 新型κOR偏向激动剂和新型μOR变构调节剂[48,50]
生命科学 第27卷450
的结构对于了解这些受体丧失反应，从而阻止异常
信号的机制具有极其重要的意义。
因为 Gα亚基 C末端 (GαCT)和 4 种 Arrestin蛋
白有一段共同的区域——(E/D)x(I/L)xxxGL，Szczepek
等 [55]在 2014年也报道了两个有趣的晶体结构，分
别为原型视紫红质与 GαCT和 ArrFL-1 (原型视紫
红质 Arrestin指环区的类似物 )相互作用的复合物。
尽管 GαCT和 ArrFL-1极其相似，通过比较还是发
现在它们能与受体相互作用的界面上，GαCT有更
大的疏水区，这可能与 G蛋白和 Arrestin蛋白各自
的作用机制密切相关。由于 GPCR信号转导通路的
重要性，接下来应该会有更多利用 X-射线晶体学
获得 GPCR与其有关作用蛋白所形成复合物的更多
细节的工作，然后在实验中利用这些原子细节来设
计出一些新药物，从而更好地服务于 GPCR的生命
科学和人类健康事业。
同时，也应该看到 β-Arrestin蛋白介导的信号
通路仅是 GPCR介导信号转导的一方面，尽管这类
蛋白带给人们很多期待，但人们仍需把精力集中在
更精确的 G蛋白信号响应机制研究上来。最近发表
在 J Biol Chem杂志上的一篇文章便提供了很好的
研究思路 [56]。该课题组通过对非诺特罗的类似物
(R,R)-4-aminofenoterol进行信号通路研究，发现这
个化合物可以激活野生型 β2-AR引起 Gs信号，但
同时可以激活 β2-AR-Y308F突变体引起 Gs与 Gi
双重信号。计算机模拟以及对一系列非诺特罗衍生
物的心肌生物学测试表明，配体中的 4-O或 4-N
与 β2-AR-Y308酚羟基之间的特异性氢键决定了
β2-AR-Gs偏向性信号 [56]。针对复杂的细胞信号转
导研究正是需要这样大量的来自不同配体和不同残
基的基础信息支持。同时，科学家的每一次进展突
破都离不开新技术的开发和新思路的运用，所以这
也对人们提出了新的挑战。
5.2　GPCR结构生物学和药物发现方面的研究将依
旧火热
GPCR Network是专门为结晶及测定 GPCR成
员的晶体结构而成立的，该组织目前已经完成了初
期计划，获得各个大类别成员的晶体结构。随着计
划的推进，相信该组织会有越来越多的重大成果展
现给世界。他们有一揽子晶体结构解析计划，如打
算下一个五年测定 100多个 GPCR蛋白等，所以接
下来将会有越来越充足的晶体结构可供利用。同时，
GPCR类蛋白的有效解析需要借助极其高端的新技
术。2014年，Thorsen等 [57]报道的工作便是用改进
型的 T4L获得了更高分辨率而非孪晶的M3毒蕈碱
受体三维结构。再如，LCLS仍是一种成本昂贵的
技术，所以开发新的较廉价较简便的方法也是
GPCR结构生物学发展的一个趋势。这样在结构生
物学方面，GPCR的研究将会进入一个结构充足、
多样而解析方法越来越简易的时代。
同时，也应该看到 NMR技术在结构生物学中
的应用也被寄予厚望。近些年，通过将电子的自旋
极化传输到核，动态核极化 (DNP)的魔角旋转
SSNMR技术已成功地应用于细菌视紫红质 7TM
光驱动质子泵的中间状态研究 [58-59]。DNP增强了灵
敏度，使得视网膜构象的 K、L和 M三个状态在
SSNMR中首次实现了表征。引入 DNP以及 SSNMR
技术的其他方面进展，诸如通过 Cu-EDTA掺杂 [60]
的方法缩短自旋纵向弛豫时间等，可望在未来促使
通过 NMR方法测定 GPCR成员完整的三维结构，
以及确定失活态与激活态之间的 GPCR的动态开
关等，从而为蛋白质运动的复杂级联和激活过程的
重排特征提供进一步的机理解释。此外，这些方法
的进步也有可能促进基于 NMR的高通量筛选和随
后基于结构优化的靶向 GPCR的先导化合物的发
现 [61]。
人们已经围绕偏向性配体和变构调节剂展开
新的技术研发。值得一提的是，2014年接连报道
了三个变构调节剂与其 GPCR靶标的复合物结构，
进一步明确了该类配体完全不同于正位配基的结合
口袋，这对深入研究变构调节剂的作用机理很有意
义 [21-22,62]。接下来肯定会有越来越多的各类配体，
尤其新型配体的复合物被报道。由于不同配体会介
导不同而复杂的信号转导途径，通过这些新型配体
的设计，人们不仅可以得到新药物，而且可以进一
步促进 GPCR类蛋白信号转导通路的研究。相信在
这些新技术、新理念不断试验的基础上，人们会不
断深化对 GPCR信号转导机理及相关致病机理的认
识。相信通过各类配体，尤其新型配体的设计，会
造就一个全新的靶向 GPCR的新药研发时代。
[参　考　文　献]
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