G蛋白偶联受体：来自模拟的答案

分子动力学（MD）模拟在研究G蛋白偶联受体（GPCR）的作用模式中发挥着越来越重要的作用。在这个领域，MD模拟非常重要，因为由于实验情况困难，它们通常提供了确定原子细节中结构和机械特征的唯一机会。软件和硬件的现代组合使MD模拟成为GPCR研究的有力工具。这很重要，因为GPCR是市场上大约一半药物的目标，因此计算机辅助药物设计在GPCR研究中起着重要作用。

关键词： 计算机辅助药物设计; GPCR; metadynamicxs; 分子动力学

Evolution是一种独特的优化机制。首先，一旦达到可接受的解决方案，它就会停止优化。优雅，简单甚至高于临界阈值的有效性都没有进化压力。其次，因为进化总是从现有的开始，它以略微修改的形式一次又一次地重复使用成功的设计。对于真核生物细胞壁中最常见的通信方式，G蛋白偶联受体（GPCR）就是这种情况。GPCR跨越细胞膜并且通常来自细胞外培养基的复合转换配体，以实现细胞内G蛋白信号传导系统的变化。该方案有许多变化，其中一些将在下面概述。在人类基因组中编码了大约800个GPCR [1]，为他们赢得标签“ 进化成功的G蛋白偶联受体 ” [2]。它们的功能无数，从嗅觉和视觉受体到控制细胞功能的纯信号系统。GPCR的功能失常在人类疾病中普遍存在，因此市售药物的大约一半（估计在30％和60％之间变化）靶向GPCR。此外，癌细胞可以滥用现有的GPCR来确保其自身的存活和流行[3]。因此，GPCR成为2012年诺贝尔化学奖授予Robert Lefkowitz [4]和Brian Kobilka [5]的大量研究工作的主题并不令人惊讶。

迄今为止，GPCR的实验研究代表了科学成就的一个里程碑，因为GPCR本身的复杂性和实验难以处理。可用作模拟基础的结构信息对于本次审查而言是最重要的。最终，需要以原子分辨率的结构来破译GPCR的作用模式的细节。然而，关于GPCR的X射线晶体学研究充满了困难[6]。视紫红质的结构，第一个GPCR X射线结构，发表于2000年[7]，其次是第二个，β2-肾上腺素能受体，直到2007年[8]。图1显示2000 - 2016年GPCR结构数量的增长。在一个非常缓慢的开始之后，过去五年中每年平均有六种新受体的结构可供使用。这些结构中的每一个都是一个重要的实验成果，因此发表的结构数量少，代表了全世界主要的研究工作的输出，以获得受体的结构，不幸的是，这需要相当大的聪明才智（和运气）来获得合适的X射线晶体。结晶学[6]。

不仅缺乏可用的结构阻碍了研究，然而，GPCR可以以活性或非活性构象以及与配体或细胞内结合配偶体（IBP，G蛋白或β-抑制蛋白）的二元复合物或与配体的三元复合物存在。 IBP。因此，为了获得GPCR的作用模式的完整原子图，需要许多结构。另一个问题是我们需要与其自然环境中的受体相对应的结构，因为它们在自然界中发生并起作用。蛋白质，尤其是膜结合蛋白质，不一定在其生物活性结构中结晶，并且获得合适的GPCR晶体所需的措施倾向于增加自然环境和晶体之间的多样性。

需要这些措施来克服结晶GPCR中的一些固有问题。这些问题可能来自GPCR的柔性或非极性区域，尤其是细胞内环3（IL3），其不形成结晶所需的刚性，特异性相互作用。有时通过截短柔性末端，用抗体片段复合GPCR [9]，或用稳定的极性片段如T4溶菌酶[10,11]或其他合适的蛋白质片段[12]代替IL3 来克服这些问题。用于获得GPCR晶体的其他技术包括用于增强热稳定性的突变[13]，用定制洗涤剂溶解[14]或与高亲和力配体结合，促进一种稳定的构象。在参考文献[6]中更详细地讨论了这些技术。

GPCR结构测定中的另一个问题是获得其中GPCR处于活性构象的晶体。使用视蛋白/视紫红质的清洁剂可以在低pH下稳定活性构象[15,16]，并且在两种情况下都解决了临界IL3。然而，通过晶体中的分子间接触稳定了环构象，后来用光谱法显示[17]。这种构象仅在天然系统中与G蛋白质的三元复合物中是稳定的，但G蛋白质不足以稳定结晶。该问题的解决方案是使用骆驼抗体的可变结构域，其通常被称为蛋白质纳米抗体，作为G蛋白的替代物[18]。。将在下面的模拟的背景下讨论该技术。然而，请注意，视蛋白/视紫红质结构[15,16]使用所谓的高亲和力肽来模拟G蛋白。这些蛋白质可能比蛋白质纳米抗体更像天然G蛋白。