1、G蛋白信號(hào)的多個(gè)表面海蒂-E-哈姆（來自美國(guó)芝加哥西北大學(xué)神經(jīng)科學(xué)、醫(yī)學(xué)學(xué)校，分子藥理學(xué)與物理化學(xué)系） 大量的激素，神經(jīng)遞質(zhì)，趨化因子，局部介質(zhì)與感官刺激通過與偶聯(lián)的G蛋白受體結(jié)合，來對(duì)細(xì)胞與器官產(chǎn)生影響?，F(xiàn)在，已經(jīng)有超過1000種這樣的受體為人所知，并且，越來越多的的受體正在隨著時(shí)間的推移陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)。異源三聚體G蛋白轉(zhuǎn)換配位體使之與受體結(jié)合進(jìn)入細(xì)胞進(jìn)行反應(yīng)，這成為組織與器官生理應(yīng)答的基礎(chǔ)。在決定細(xì)胞對(duì)信號(hào)反應(yīng)的專一性和暫時(shí)性方面，G蛋白扮演了重要的角色。G蛋白由、三種亞基構(gòu)成，并且盡管編碼每個(gè)亞基的基因產(chǎn)物有很多（編碼、的基因產(chǎn)物已知。），但四種主要類別的G蛋白是可以被區(qū)分的：Gs，用來激活

2、腺苷酸環(huán)化酶，Gi,用來抑制腺苷酸環(huán)化酶，Gq, 用來激活磷脂酶C，G12和 G13的功能還未知。與GDP偶聯(lián)的G蛋白是未被激活的，異源三聚體狀態(tài)，它可以通過鳥嘌呤核苷酸的催化受體交換使GTP偶聯(lián)到亞基上而被激活。GTP的偶聯(lián)導(dǎo)致GGTP從G亞基上分離，并通過偶聯(lián)的GGTP和自由亞基G來激活下游的效應(yīng)器。當(dāng)G亞基水解GTP形成GDP時(shí)，G蛋白的鈍化作用對(duì)細(xì)胞反應(yīng)的關(guān)閉和開啟起限速作用。最近，異源三聚體G蛋白在非活性構(gòu)象和活性構(gòu)象方面晶體結(jié)構(gòu)得到解決，這為我們理解其在信號(hào)傳遞途經(jīng)中作為構(gòu)象開關(guān)的角色提供了結(jié)構(gòu)依據(jù)。隨著越來越多新穎的途經(jīng)用于G蛋白的暴露，我們對(duì)G蛋白信號(hào)調(diào)控機(jī)制的多樣性的認(rèn)識(shí)也在

3、不斷增加。介紹G蛋白的結(jié)構(gòu)，作用機(jī)制以及G蛋白信號(hào)通路的作用規(guī)則的研究進(jìn)展是本文的主題。由于空間有限，我只重點(diǎn)介紹近期的研究結(jié)果，所以讀者可以直接看到之前研究中的一些優(yōu)秀的觀點(diǎn)。G蛋白的結(jié)構(gòu)G亞基包含兩個(gè)域，其中一個(gè)域參與GTP的偶聯(lián)與水解（G域），它與GTP酶總科結(jié)構(gòu)上完全相同，包括小G蛋白，伸長(zhǎng)因子與用來攜帶GTP進(jìn)入核心的蛋白質(zhì)一種獨(dú)特螺旋形域。異源三聚體G蛋白的亞基有一個(gè)分為7部分的螺旋槳結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是基于其7WD-40的重復(fù)序列。亞基與亞基通過N端螺旋線圈相互作用，并一直以亞基為基礎(chǔ)進(jìn)行廣泛接觸。這種由亞基和亞基形成的功能單元是不可分離的，除非變性。通過受體引導(dǎo)GTP耦合在G亞基，可

4、以激活G蛋白。這種在G亞基上的GTP調(diào)節(jié)開關(guān)的結(jié)構(gòu)性質(zhì)是一種改變，一種在三個(gè)用來指定開關(guān)1,2,3順序的靈活區(qū)域的構(gòu)象的改變，由偶聯(lián)的GTP激活，是一種對(duì)G低親和力的構(gòu)象。這將導(dǎo)致感受器對(duì)GGTP親和力的增加，加速亞基的分離，增加自由的G子代，而這些子代又可以激活大量的效應(yīng)器。激活G蛋白的受體機(jī)制共軛G蛋白的受體們都有一個(gè)共同的橫剖面圖，那是帶有7個(gè)跨膜螺旋的橫剖面圖；連接這些螺旋的細(xì)胞內(nèi)循環(huán)形成了G蛋白鏈接域。盡管沒有高分辨率的共軛G蛋白受體的結(jié)構(gòu)被確定，但是，最近一種低分辨率的電子衍射視紫紅質(zhì)，共軛G蛋白的受體結(jié)構(gòu)被展示，它顯示了7種橫跨膜的螺旋線的位置和方向。這些關(guān)于共軛G蛋白受體的生化

5、試驗(yàn)與誘變反映了受體的激活是由于配體結(jié)合引起跨膜螺旋3和6相對(duì)取向的變化。然后這些改變影響了受體的構(gòu)象，這些受體是細(xì)胞內(nèi)循環(huán)時(shí)相互作用的G蛋白。并將之前被覆蓋的G蛋白的結(jié)合位點(diǎn)暴露出來。當(dāng)一個(gè)激活的受體與異源三聚體G蛋白進(jìn)行反應(yīng)時(shí)，它誘導(dǎo)GDP從G蛋白釋放。人們認(rèn)為與G蛋白上結(jié)合位點(diǎn)接觸的受體距離耦合GDP的口袋較遠(yuǎn)，因此得出受體必須在特定的距離工作才能改變蛋白的構(gòu)象。因?yàn)镚DP包埋在細(xì)胞內(nèi)部，G的兩個(gè)域之間，所以改變一些域間的相互作用是必要的。在GDP被釋放和GTP缺乏的情況下，在激活的受體和異源三聚體之間，一種穩(wěn)定的絡(luò)合物形成了。這種叫“空口袋”的構(gòu)象引起了人們極大的興趣，但它的結(jié)構(gòu)現(xiàn)在還

6、是未知的。 在G蛋白上連接受體的區(qū)域是什么？它們是怎樣激活G蛋白的呢?GDP偶聯(lián)異源三聚體G蛋白Gt和Gi的構(gòu)象顯示了GDP偶聯(lián)異源三聚體和表面能與其他蛋白相互作用的剩余物的整體形狀，并且為G蛋白受體反應(yīng)區(qū)域生化性質(zhì)多樣性的理解和突變形成的研究提供了結(jié)構(gòu)環(huán)境。亞基的N端和亞基的C端都是脂修飾的位點(diǎn)。在異源三聚體內(nèi)，這些脂修飾區(qū)是相互靠近的，表明是膜附著的位點(diǎn)。有證據(jù)表明受體與表面的三個(gè)亞基全部連接。 在亞基上，最主要的受體接受區(qū)是在C末端。在異源三聚體晶體結(jié)構(gòu)中，亞基上最后7個(gè)亞基酸是無序的，并且從組合肽庫(kù)中對(duì)受體結(jié)合肽的選擇分析表明這7個(gè)殘基是最關(guān)鍵的。利用嵌合G蛋白亞基的研究證實(shí)，事實(shí)上對(duì)

7、受體G蛋白相互作用的特異性來說，最后的5個(gè)殘基最為重要。簡(jiǎn)練的誘變研究已經(jīng)證實(shí)，受體細(xì)胞內(nèi)第三循環(huán)的C末端連接在G亞基上的C末端區(qū)域。就M2毒蕈堿受體耦合Gi來說，對(duì)于認(rèn)識(shí)Gi/o的C末端由決定作用的確切受體殘留物已經(jīng)被清楚的解釋闡明了。一個(gè)更大的區(qū)域的G亞基的C-末端區(qū)域，以及N-末端的螺旋，在受體接觸中已經(jīng)被密切聯(lián)系起來了。 Gt丙氨酸掃描突變和G蛋白亞基殘留分析都表明Gt的C端50個(gè)氨基酸殘基是可以接觸視紫紅質(zhì)的。Arg-310位于Gt的4- 6環(huán)上，是完全阻止胰蛋白酶的蛋白在光激活的視紫紅質(zhì)下水解，這表明4 - 6環(huán)區(qū)的貢獻(xiàn)是與感受器連接。4 - 6環(huán)在5HT1B 羥色胺受體與Gi1特

8、異性反應(yīng)和受體催化激活Gi方面密切相關(guān)。顯然，異源三聚體G蛋白的亞基增強(qiáng)了與亞基的相互作用能力。在亞基接觸殘基的單丙氨酸突變是接觸亞基塊受體介導(dǎo)的GTP / GDP的交換。這表明當(dāng)GDP的釋放發(fā)生時(shí)，亞基必須讓亞基嚴(yán)格到位。在受體與亞基直接進(jìn)行相互作用的情況已經(jīng)有報(bào)道。交聯(lián)的研究表明，G的C-末端的60個(gè)氨基酸的區(qū)域能與2 -腎上腺素能受體的肽交聯(lián)，從而進(jìn)入受體細(xì)胞內(nèi)的第三循環(huán)。此外，G蛋白的亞基的C末端區(qū)已經(jīng)被證實(shí)與受體的耦合和特異性有關(guān)。異三聚體G蛋白與視紫紅質(zhì)和膜脂雙層的相互作用。視紫紅質(zhì)的螺旋的結(jié)構(gòu)來自于Schertler和Baldwin的研究。在視紫紅質(zhì)前，跨膜螺旋1、5、6、7是亮

9、綠色的，而跨膜螺旋2、3、4是在視紫紅質(zhì)之后，暗綠色的。11-順維生素A醛輔基由一個(gè)Lys-296希夫堿聯(lián)動(dòng)形成，是洋紅色的。雙分子層是綠色的。細(xì)胞內(nèi)的結(jié)構(gòu)和外循環(huán)是未知的，并且由手繪表現(xiàn)出螺旋的連通性。與異源三聚體相互作用的胞內(nèi)循環(huán)是橘黃色的和棕色的。（內(nèi)循環(huán)3和推定的細(xì)胞內(nèi)的第四循環(huán)的連接跨膜螺旋7的棕櫚?；军c(diǎn)）。G亞基是深藍(lán)色的，G亞基是粉紅色的，G亞基是藍(lán)色的。GDP是紫紅色的。G蛋白的表面受體是旋轉(zhuǎn)20度面向讀者。在文章中討論的，在異源三聚體G蛋白上連接的受體是紅色的，并且包括G亞基上123號(hào)和299350號(hào)氨基酸殘基，一個(gè)在G亞基上的連接位點(diǎn)，那是包含在280-340氨基酸殘基中

10、和G亞基的6071氨基酸殘基。在C末端，視紫紅質(zhì)是可以移動(dòng)的，G亞基在其N末端是肉豆蔻酰化或棕櫚?；?。G亞基在C末端是白色的。在視紫紅質(zhì)，G，G上的?；M顯示與膜作用。激活的效應(yīng)機(jī)制在GDP與亞基結(jié)合后，.GDP與亞基發(fā)生解離。這種耦合GDP是一種活性構(gòu)象，一種新的表面能在G*亞基上形成，并且它可以與效應(yīng)器反應(yīng)，與效應(yīng)器的親和力可以比它和GDP耦合時(shí)的親和力高20100倍。研究表明，不同的G*s相互作用時(shí)所用方式具有相當(dāng)高的特異性，不同的效應(yīng)器有不同的酶穿過其表面。G*s激活腺苷酸環(huán)化酶，G*t激活感光細(xì)胞的cGMP二酯酶，G*p激活磷脂酶C。然而，這種在G亞基表面的保守開關(guān)不能解釋G蛋白上

11、亞基與效應(yīng)器作用時(shí)精致的特異性。有一種Gt/Gi的嵌合方法可以識(shí)別以Gt為基礎(chǔ)的特異性相互作用，用磷酸二酯酶。類似的區(qū)域參與了帶有PLC2的Gq與帶有腺苷酸環(huán)化酶的Gs的相互作用。新奇的目標(biāo)Gs主要分為Gs,Gi,和 Gq，是已知的靶細(xì)胞。最近，酵母雙雜交篩選發(fā)現(xiàn)了新的靶細(xì)胞。GAIP，是相互作用蛋白的GTPase RGS家族的一個(gè)成員- 激活蛋白，是第一個(gè)用這種方法確定的蛋白。并且最近兩個(gè)目標(biāo)，無約束力的和一種新的LGN重復(fù)蛋白，已經(jīng)由同事描述出來了。到目前為止，無生理作用的后兩個(gè)G蛋白已經(jīng)確定。G蛋白亞基的其他效應(yīng)正在被發(fā)現(xiàn)。例如，Gq直接刺激布魯頓絡(luò)氨酸激酶的活性，無論淋巴瘤細(xì)胞在體外還

12、是在體內(nèi)。含有未知效應(yīng)器的兩個(gè)G亞基是G12和G13。報(bào)告顯示，它們可以與凝血酶，血栓素和血管緊縮素結(jié)合。這些G蛋白的突變激活形式對(duì)細(xì)胞的影響已經(jīng)被研究出來了，并且已經(jīng)確定它們可以調(diào)節(jié)Na/H的交換。通過Rac和Cdc42的活化技術(shù)，它們參與了電壓依賴性Ca的緩激肽的激活。為了了解G13的生物學(xué)作用，產(chǎn)生了基因敲除小鼠。純合的G13沒有被找到，并且盡管在胚胎期8.5天時(shí)胚胎是正常的，但是在10.5天之前它會(huì)被胚胎吸收。結(jié)果顯示，G13的缺乏會(huì)降低內(nèi)皮細(xì)胞的血管生成并且沒有能力發(fā)展成有組織的血管系統(tǒng)。另外，G13的胚胎成纖維細(xì)胞顯示了受損的遷徙對(duì)凝血酶的影響，這表明了趨化受損。有趣的是，雖然G1

13、2與G13有67%的地方完全相同，但G12并不能取代G13。的目標(biāo)一旦G.GDP從G上解離，自由的是很多蛋白的催化劑，隨著時(shí)間的推移，能被催化的蛋白的種類在不斷增加。很明顯，自由的G的構(gòu)象與其在異源三聚體里時(shí)是一樣的，G通過與G上位點(diǎn)的結(jié)合來抑制G和感受器的相互作用。這方面的證據(jù)來自Iyengar實(shí)驗(yàn)室的同事，他發(fā)現(xiàn)了來自ACII的一種肽，用來連接G和封鎖各種效應(yīng)激活，表明了效應(yīng)器的一部分結(jié)合位點(diǎn)是與ACII，GIRK和PLC共享的?？缒みB接與對(duì)接試驗(yàn)局限于G連接區(qū)的部分結(jié)合位點(diǎn)。除了G連接區(qū)，其他G與效應(yīng)器緊密作用的區(qū)域包含了N末端的卷曲螺旋和G的螺旋槳1,7葉片。G很好的定義的經(jīng)典第二信使

14、酶的亞基的影響-PLC2，-3和AC。它也吸收腎上腺素受體激酶來使膜激酶磷酸化從而激活受體。它也可以結(jié)合磷酸化光導(dǎo)蛋白，這種蛋白是用來隔絕并且因此控制通過cAMP依賴的蛋白激酶調(diào)節(jié)機(jī)制的可用性生理機(jī)能。近光感因子蛋白也顯示與G結(jié)合。對(duì)光感因子G復(fù)合物的晶體結(jié)構(gòu)解析顯示G的頂部有一個(gè)共享表面是用來讓G和光感因子進(jìn)行相互作用的，但是內(nèi)部反應(yīng)的第二位點(diǎn)在光感因子C端和G的螺旋的1和7葉片之間。有趣的是，光感因子上的磷酸化位點(diǎn)，用來調(diào)整G的緊密關(guān)系的，距離蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)界面十分遙遠(yuǎn)。另外，G是一種直接催化劑，來催化K+, Ca2+，可能還有Na+的通道發(fā)生G蛋白應(yīng)答反應(yīng)。IKACh是用來向內(nèi)修正K離子通

15、道使得心臟跳動(dòng)減慢從而與副交感神經(jīng)乙酰膽堿反應(yīng)。這是一個(gè)同質(zhì)或異質(zhì)多聚體的GIRK，是在心臟和大腦發(fā)現(xiàn)的單體。G亞基連接GIRK的細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域的N端或C端并直接激活它們。似乎在確定的突觸前的Ca離子通道，G亞基扮演了重要的調(diào)節(jié)角色，尤其是對(duì)1A,1B和較短長(zhǎng)度的1E，但并不針對(duì)1C, 1D, 1S亞型。現(xiàn)已經(jīng)有研究表明，G通過連接1亞基Ca離子通道的兩個(gè)區(qū)域來抑制Ca離子通道，這兩個(gè)區(qū)域分別為細(xì)胞內(nèi)的12循環(huán)和C末端。G也可以直接激活一個(gè)以上的磷脂酰肌醇-3-激酶亞型。有一種獨(dú)特的G -敏感的磷脂基化磷脂酰肌醇3激酶，P110,沒有p85或N-末端的p85結(jié)合區(qū)域上的催化亞單位。也有報(bào)道稱，G

16、也可以激活蛋白激酶，例如，該Raf1的蛋白激酶和布魯頓和TSK 酪氨酸激酶。在酵母中，G是一個(gè)刺激信息素激酶途徑的激活劑。已知它是的綁定到酵母中的腳手架蛋白Ste5的N-末端區(qū)域。最近，索納和協(xié)同工作者實(shí)驗(yàn)表明，STE5含有一個(gè)二聚體域，這是需要進(jìn)行綁定的。他們證明了G相互作用引導(dǎo)在STE5域的齊聚。有趣的是，大多數(shù)通過谷胱甘肽二聚域 Ste5 S-轉(zhuǎn)移酶的融合蛋白導(dǎo)致MAP激酶級(jí)聯(lián)激活了G獨(dú)立交流。最近，酵母G也顯示激活Rho CDC24，這是一種GTPase Cdc42類型的交換因子。也有報(bào)道稱G綁定到其他 的Rho GTP酶家族的成員，Rho和Rac，以及小G蛋白ARF（ADP-核糖基化

17、因子），這是用來參與涂層的形成和囊泡運(yùn)輸。鑒于這個(gè)G效應(yīng)器和執(zhí)行器的激活機(jī)制非常豐富和擴(kuò)展，對(duì)未來研究提出了一些關(guān)鍵問題。什么生理情況下是各種效應(yīng)器能夠被激活和什么條件是讓所有這些效應(yīng)器同時(shí)保持活性，是否不超過一個(gè)G蛋白偶聯(lián)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路需要足夠的G產(chǎn)生活性使這些效應(yīng)器激活？G效應(yīng)特異性是什么，發(fā)生相互作用和活化的效應(yīng)機(jī)制是什么？最后斷路機(jī)制是什么？G效應(yīng)相互作用的決定因素身體內(nèi)有多個(gè)基因與G和G有關(guān)，并且大部分與G有關(guān)的堿基對(duì)能形成有功能的G。第一個(gè)問題是是否不同的G能調(diào)節(jié)是不同的效應(yīng)器。從大量的生化實(shí)驗(yàn)中我們得出的結(jié)果是：并非如此。G11在感光細(xì)胞的視紫紅質(zhì)和光傳感因子相互作用方面比其他更

18、優(yōu)秀，但在與所有其他的G對(duì)效應(yīng)器相互作用方面比較，其表現(xiàn)很糟。一系列的研究表明，在G與受體和效應(yīng)器相互作用方面的選擇性很高，使用的研究方法是使用反義寡核苷酸抑制PAR的翻譯特定的蛋白質(zhì)。特異性的其他證據(jù)是慢慢出現(xiàn)的，使用不同的研究技術(shù)。G5，最近發(fā)現(xiàn)的在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的G亞基，差異于兩個(gè)MAP激酶通路。由于G可抑制G的所有行動(dòng)，G的結(jié)合殘留是效應(yīng)激活決定因素的候選者。我們想測(cè)試這個(gè)想法通過單突變15個(gè)G的G的結(jié)合殘留對(duì)丙氨酸，和所有已被檢查的效應(yīng)器，部分不再激活效應(yīng)器的突變體。然而，在每個(gè)效應(yīng)的相互作用下，不同的氨基酸殘基聚集在G的表面是至關(guān)重要的，建議一種機(jī)制，通過G獨(dú)特的接觸面能與許多不同

19、的效應(yīng)器進(jìn)行特定的相互作用。有趣的是，在某些情況下，去除側(cè)鏈能增加該突變體的G的激活效應(yīng)器的效力。通過分子間的相互作用確定信號(hào)的特異性 細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)事件的復(fù)雜性，即接收和處理多個(gè)信號(hào)是研究的重點(diǎn)。一些關(guān)鍵的問題是：1）在直接的蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用的編碼過程中有多大程度的特異性；2）有其他水平的細(xì)胞組織具有特異性嗎?和3) 集成的細(xì)胞反應(yīng)交叉調(diào)節(jié)導(dǎo)致最終的機(jī)制是什么？眾所周知，多聚體受體可以聚集在一個(gè)單一的 G蛋白上，在許多情況下，一個(gè)單一的受體能比一個(gè)G蛋白激活得更多，從而調(diào)節(jié)多種細(xì)胞內(nèi)信號(hào)。在其他情況下，一個(gè)單一的受體與一個(gè)給定的G蛋白的相互作用似乎是被調(diào)節(jié)的通過特定基因的高度選擇性。一些

20、描述的特定受體-G蛋白相互作用的影響因素的優(yōu)秀的評(píng)論最近已經(jīng)出現(xiàn)了。早在體外研究受體-G蛋白相互作用的特點(diǎn)往往是通過高度雜交的受體-G蛋白的相互作用關(guān)系，但一些最近的研究表明，一些受體區(qū)別于甚至在相關(guān)的G蛋白之間的同一個(gè)家庭。原位有時(shí)具有很高的特異性，它是怎樣實(shí)現(xiàn)的呢？受體耦合的最精美的特異性 是在體內(nèi)通過G蛋白的胞內(nèi)信號(hào)通路，已經(jīng)被證實(shí)開始使用反義寡核苷酸抑制翻譯特定的G蛋白亞基。該技術(shù)允許的抑制不同的組成部分包括信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑和任何后續(xù)的受損細(xì)胞的反應(yīng)檢查。結(jié)果表明，鈣通道的抑制作用在生長(zhǎng)激素生長(zhǎng)抑素受體GH3細(xì)胞介導(dǎo)的Go213，而抑制M4毒蕈堿受體介導(dǎo)的 GO114。G的消除 通過反義技

21、術(shù)廢除生長(zhǎng)抑素，在大鼠垂體GH鈣離子的抑制作用是由4C1細(xì)胞M4M，D2多巴胺受體介導(dǎo)的。相反，通過消耗的GI2受體介導(dǎo)的選擇性損害在該系統(tǒng)中抑制cAMP的積累。另一個(gè)反義的研究表明，M 1 毒蕈堿受體的利用一個(gè)特定的G蛋白組成的復(fù)雜的GQ/111/44激活磷脂酶C。最近的一項(xiàng)研究顯示，耦合血管緊縮素IIAT1A受體對(duì)于調(diào)節(jié)鈣 2 通道，鈣誘導(dǎo)的鈣釋放通道，Na+/H+ 交換是通過1313。這一水平的特異性在體外不能看到，或者可以使用過表達(dá)蛋白轉(zhuǎn)染研究。這就提出了如何針對(duì)蛋白質(zhì)或其他細(xì)胞機(jī)制問題可以獲得高的特異性。限制信令結(jié)果的曲目一些組織和靶蛋白和細(xì)胞結(jié)構(gòu),我們是在G中指定的蛋白質(zhì)相互作用的作用的候選人-蛋白信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路。另一個(gè)潛在的G蛋白調(diào)節(jié)劑，