PNAS丨白晨团队及合作者通过计算模拟揭示C类GPCR家族中mGlu2激活机制及重要突变位点

May 14, 2024

背景介绍

中枢神经系统疾病，例如精神分裂症和抑郁症等，是全球面临的重大健康问题。而现有的治疗手段不仅选择有限，还伴随着副作用，因此，研发出更有效的药物，探索新的治疗方法显得尤为迫切。

mGlu2作为治疗这些疾病的潜在靶点，其激活机制的深入理解对于开发新疗法至关重要。然而，由于mGlu2的分子激活过程十分复杂，目前对其激活机制的了解尚显不足，这在很大程度上限制了我们对其功能认知和药物设计的进展。

研究测试

在这项工作中，研究团队利用计算生物学模型，对mGlu2的激活过程中的关键事件进行了模拟，包括蛋白的构象变化、激动剂的结合、Gi蛋白的偶联以及GDP的释放。

图1. mGlu2 不同构象状态。mGlu2 的 L 和 R 亚基分别以粉色和绿色。激动剂用space-filling模型表示。Gi蛋白用三种不同的颜色表示，分别对应Gi蛋白的三个亚基：浅橙色代表α亚基，蓝色代表β亚基，紫色代表γ亚基。

 

通过分子层面的模拟和能量分析，研究团队揭示了mGlu2从非活性状态到活性状态的转变过程中的几个关键能垒，并确定了整个激活过程的决速步发生在从S2到S3的转变间。

图2. mGlu2激活过程中构象变化自由能景图。(a). mGlu2从S1到S2中蛋白每个亚基构象变化的耦合自由能景图。最小能量路径由黑色虚线显示。(b). 图a中对应的最小能量路径的自由能曲线。(c). mGlu2从S2到S3状态之间的自由能曲线。(d). G蛋白与受体结合的自由能景图。

 

为了研究激动剂与mGlu2的结合过程，研究团队构建了195，364个模型，绘制出对应的自由能景图。此外，研究团队发现了在与激动剂结合过程中，mGlu2两个亚基的构象变化是相互耦合的而非独立的过程。研究团队的计算结果与实验观察的一致性，进一步验证了研究方法的可靠性。

图3. (a) 激动剂与mGlu2结合的构象变化自由能景图。其中x和y轴表示mGlu2二聚体的L和R亚基的构象变化,z轴表示R亚基的VFT中的口袋与激动剂之间的距离，L亚基VFT中激动剂与口袋之间的距离是固定值，仅在不同的立方盒之间变化。在路径上采样的mGlu2构象用黑点标出，并在每个立方盒子中按阿拉伯数字顺序编号。红点之间的移动在盒子内/间显示为红色箭头。(b) mGlu2 中激动剂与VFT结合的最佳构象路径从S1到S2过程中能量和构象的变化。

 

此外，研究团队还对mGlu2二聚体的TM6-TM6界面以及Gi蛋白的α5螺旋上的关键残基进行了突变效应分析，这有助于识别影响mGlu2激活过程的关键残基，并为未来的突变效应研究提供了方向。

 

总而言之，这项研究不仅在理论上扩展了我们对C类GPCR激活机制的认识，而且在实际应用上，为mGlu2药物的设计和开发提供了宝贵的信息和启发。

随着对mGlu2激活机制的深入了解，我们有理由相信，未来将有更多针对中枢神经系统疾病的创新疗法问世，为患者带来新的希望。

香港中文大学（深圳）、中国科学技术大学、浙江大学、南加州大学、晨伫生物科技是本论文的共同合作单位。

感兴趣的读者可阅读研究论文原文：https://doi.org/10.1073/pnas.2401079121