学术新闻报道: G蛋白偶联受体内吞作用在β-arrestin信号传导中的时空偏向性

研究背景

在细胞表面受体家族中，G蛋白偶联受体（GPCRs）是最大的家族之一，它们在受到配体激活后会与各种信号蛋白相互作用，激发细胞内信号转导。这种激活不仅是平衡的，还可能是选择性的，称之为偏向信号传导（biased signaling）或功能选择性（functional selectivity）。这种现象之所以受到关注，是因为开发出偏向药物可以在避免不良副作用的同时达到治疗效果。例如，血管紧张素II受体1型（AT1R）是研究最多的GPCR之一。其内源性配体血管紧张素II（AngII）是AT1R的全激动剂，但缺少某些芳香族氨基酸的AngII衍生物更倾向于激活β-arrestin通路，而不是G蛋白信号传导。此外，AT1R激动剂在不同G蛋白和GPCR激酶（GRK）亚型中展现了多功能的作用，而不同的配体偏向性也与特定的体内效果相关，比如β-arrestin偏向的激动剂TRV120027已经进入了临床试验阶段。

尽管已有理论认为，偏向配体的细胞作用是通过稳定受体的不同构象来实现的，这一点通过晶体结构研究得到了一定的证明。然而，如何将这些理论应用到临床，将其与受体信号传导的时间和空间因素结合起来，还是一个未解之谜。近年来，活细胞传感器和基因修饰细胞系的进步显著提升了我们对信号传导时间序列的认识，并强调了“时间偏差”和“空间偏差”的重要性。基于此项研究背景，Tóth等人开展了对AT1R激动剂的信号转导偏向的系统研究，揭示受体内吞作用在其中的关键调控作用。

研究来源

本文由András D. Tóth、Bence Szalai、Orsolya T. Kovács、Dániel Garger、Susanne Prokop、Eszter Soltész-Katona、András Balla、Asuka Inoue、Péter Várnai、Gábor Turu和László Hunyady共同撰写，来自匈牙利科学院分子生命科学研究所、Semmelweis大学生理学系、Helmholtz慕尼黑计算健康中心、匈牙利研究网络分子生理学实验室和日本东北大学。论文发表在2024年6月25日的《Scientific Signaling》杂志上。

研究流程

研究对象与方法

研究通过一系列动态动力学实验和数学建模，探讨了AT1R激动剂在β-arrestin信号通路中的时空偏差。具体方法如下： 1. 动态动力学实验： - 使用了9种AT1R肽类配体，每种配体表现出显著不同的亲和力和信号偏向特性。 - 应用双光子共振能量转移（BRET）技术测量AT1R和β-arrestin的相互作用。 - 测量G蛋白的活化，通过监测标记的G蛋白亚单位的解离来评估。

1. 内吞作用的抑制：

   • 使用显性负性形式的动力蛋白Dyn-K44A阻止受体内吞。
   • 通过抑制PtdIns(4,5)P2降解和高渗蔗糖溶液抑制受体内吞。

2. 内吞体内的β-arrestin募集：

   • 设计了细胞区域定位的生物传感器，分别监测β-arrestin在质膜和早期内吞体之间的转移。
   • 使用共聚焦荧光显微镜和机器学习算法量化细胞内的β-arrestin囊泡形成。

3. 数学建模：

   • 构建了一个模拟Gq蛋白活性和β-arrestin结合的动力学模型。
   • 通过数值模拟分析不同配体离解速率对β-arrestin募集的影响。

实验设计与创新点

研究中展示了多个创新方法： 1. 设计了针对各细胞区室定位的BRET传感器系统，精确监控β-arrestin的细胞内动态。 2. 利用数学建模，深入分析了多因素调控下的受体-β-arrestin相互作用动力学。 3. 新开发的机器学习算法用于荧光显微镜图像的自动化分析，提高了实验数据的处理效率和准确性。

主要结果

内吞作用对β-arrestin相互作用的影响

研究发现，AT1R内吞作用显著影响β-arrestin的募集： - 抑制受体内吞后，配体特异性β-arrestin结合曲线趋于一致，表明内吞作用在β-arrestin相互作用中的关键作用。 - 实验还发现不同配体在内吞体上募集β-arrestin的能力差异显著，更强的激动剂在内吞体中形成更稳定的受体-β-arrestin复合物。 - 利用共聚焦显微镜观察确认了上述BRET测量结果：内吞体中β-arrestin的募集是单独的调节因素。

配体离解速率对β-arrestin相互作用的影响

进一步的研究显示： - 配体的离解速率（koff_lr）直接影响了β-arrestin2从受体分离的速率，进而影响了β-arrestin信号传导的总量。 - 效价分析显示，较高的配体离解速率与较低的β-arrestin募集效价成负相关，但G蛋白活性在类比时期的作用主要体现在促进受体-β-arrestin复合物的形成。

内吞作用的广泛适用性

研究还表明： - 另一种类b受体，V2受体（V2R），在内吞体内的β-arrestin募集表现出类AT1R的内吞依赖性。 - 而胡萝卜素受体β2AR无法在内吞体内进行β-arrestin募集，但通过基因工程将其转换为类b受体后，表现出明显的配体依赖性，内吞体的作用齐头并进。

数学建模支持实验结果

模型模拟结果与实验结果一致： - 增加内吞过程后，不同koff_lr值的配体在内吞体中的β-arrestin募集效应显著。 - 细胞内信号传导可通过内吞来协调配体的时间和空间偏向效应，实现差异性的功能选择。

结论与意义

研究结论与价值

研究表明： - 内吞在GPCR信号传导的时空偏向中起到关键调节作用。 - 内吞过程中的多因素调控机制对偏向配体的功能选择性发挥重要作用，尤其是配体的离解速率和G蛋白活性对于受体-β-arrestin相互作用的影响深远。 - 这些发现不仅推进了对GPCR信号偏向机制的理解，亦为药物设计提供了新的方向，特别是在开发有望规避副作用的选择性药物方面。

研究亮点

• 研究首次全面揭示了内吞对GPCR偏向信号的关键调控作用。
• 通过机制性的深入挖掘，揭示了配体离解速率和G蛋白活性的具体影响。
• 数学建模与实验结果相互验证，提升了研究的可信度和广泛适用性。

此次研究展示了感性与智能数据处理方法相结合的重要性，为未来的药物研发和信号传导研究拓展了新的路径与思路。