法国蒙彼利埃大学团队：运用元动力学模拟与马尔可夫状态模型解锁 G 蛋白偶联受体构象动态机制

 

背景简介

在生命科学领域，G 蛋白偶联受体（GPCRs）一直是研究的热点。它作为膜蛋白家族的重要成员，承担着细胞对多种刺激的响应任务，从激素、神经递质到外源性物质的信号传导都离不开它。据估计，约三分之一的获批药物都以 GPCRs 为靶点。

然而，尽管过去十年间 GPCRs 的结构研究取得了显著进展，已解析的结构超过 1000 个，但我们对其激活机制的理解仍不全面。这些实验结构仅捕捉到少数低能量状态，无法展现细胞外配体对 GPCRs 激活的变构调控全貌。实际上，GPCRs 的信号传导由一系列处于动态平衡的构象状态所控制，细胞外配体和细胞内蛋白伙伴通过调节这些平衡，形成了复杂的能量景观。

为了深入探究这一复杂机制，法国蒙彼利埃大学团队开展了一项重要研究。他们采用了一种创新的计算策略，将有偏（元动力学）和无偏分子动力学模拟与马尔可夫状态建模相结合，对生长激素促分泌素受体（GHSR1a）的构象景观进行了细致刻画。GHSR1a 作为典型的 A 类 GPCR，具有较高的组成型活性，是研究 GPCRs 激活和抑制机制的理想模型。

结果速览

在研究方法上，科研人员首先对 612 个已发表的 A 类 GPCR 结构进行主成分分析（PCA）。经过筛选和处理，最终选取 200 个结构的 Cα 原子坐标进行 PCA，得到的主成分用于元动力学模拟的集体变量（CVs）（图 1)。

图1. A, GHSR-1a 在膜中的结构，粉色到紫色的部分为 PCA 考虑的跨膜区域残基。B, 实验结构在 PC1 和 PC2 上的投影

通过元动力学模拟，研究人员发现不同配体对 GHSR1a 的构象空间有显著影响。例如，激动剂结合时，受体能探索更广泛的构象空间；而拮抗剂和反向激动剂存在时，受体的构象空间被限制在非活性状态，图 2清晰呈现出这种差异。

图2. 不同配体结合时 GHSR1a 的自由能曲线

为了更精确地描述受体的能量景观，研究人员构建了马尔可夫状态模型（MSMs）。通过对大量无偏 MD 模拟数据的分析，MSMs 成功捕捉到不同配体对 GHSR1a 能量景观的微妙影响。研究不仅确认了受体的活性、非活性状态，还发现了两个新的中间状态：intermediate 1 和 intermediate 2（图 3）。

图3. apo、激动剂结合和拮抗剂结合状态下 GHSR1a 的 MSM 自由能景观，不同颜色代表不同的亚稳状态

这些发现为理解 GHSR1a 的激活机制提供了重要线索。Intermediate 1 可能为内源性激动剂 ghrelin 肽提供进入受体的途径；Intermediate 2 则可能在细胞内蛋白伙伴的预偶联中发挥作用。（图4）

图4. 亚稳状态之间的平均首次通过时间（MFPT）。误差表示从转移矩阵的贝叶斯后验分布中抽取的 100 个样本计算得到的 95% 置信区间的上下限

总结

这项研究通过创新的研究方法，成功揭示了 GHSR1a 的构象动态和配体调控机制，为靶向 GPCRs 的药物研发提供了关键信息，推动了该领域的发展。