蛋白酶激活受體2的結構基礎與偏向性激動機制解析

《Cell Discovery》：Structural basis of protease-activated receptor 2 activation and biased agonism

【字體： 大 中 小 】 時間：2025年12月03日 來源：Cell Discovery 12.5

　　

在細胞信號傳導的復雜網絡中，蛋白酶激活受體（Protease-activated receptors, PARs）家族因其獨特的激活機制而備受關注。作為G蛋白偶聯受體（GPCRs）的重要成員，PAR2通過不可逆的蛋白酶水解其N末端，釋放出栓系配體（Tethered Ligand, TL）來激活下游信號通路。這種受體在炎癥反應、疼痛感知、細胞通透性等生理和病理過程中扮演關鍵角色，成為治療關節炎、哮喘和神經性疼痛等疾病的潛力靶點。然而，盡管PAR2的重要性日益凸顯，科學家們對其激活機制的理解仍存在重大空白——活躍狀態下的PAR2三維結構如何？栓系配體如何與受體結合并引發激活？不同G蛋白信號通路的選擇性是如何實現的？這些問題的答案對于開發精準靶向PAR2的藥物至關重要。

為了解開這些謎團，哈爾濱工業大學生命科學中心的研究團隊在《Cell Discovery》上發表了突破性研究成果。他們采用單顆粒冷凍電鏡（cryo-EM）技術，成功解析了PAR2與miniG_s/q和miniG₁₃復合物的高分辨率結構，分辨率分別達到3.25?和3.2?。這是首次在原子水平揭示PAR2的活躍構象，為理解該受體的激活機制提供了直觀的結構藍圖。

研究團隊采用多項關鍵技術方法：通過NanoBiT拴系策略增強復合物穩定性，利用冷凍電鏡單顆粒分析技術解析結構，采用分子動力學（MD）模擬研究動態相互作用，建立BRET2、BRET0和NanoBiT等多種生物發光共振能量轉移檢測體系評估信號活性，并通過點突變和肽類配體合成驗證結構發現。

TL-受體相互作用

研究顯示，TL以平行β-折疊構象與PAR2的胞外第二環（ECL2）結合，形成穩定的相互作用網絡。

具體而言，S37_TL1和L38_TL2的骨架酰胺基團分別與D228_ECL2和L230_ECL2的骨架羰基形成氫鍵。K41_TL5的骨架與S60_N-term形成氫鍵，其側鏈與E232_ECL2形成鹽橋。功能實驗證實，破壞這些關鍵相互作用會顯著降低受體活性。

受體激活

與拮抗劑AZ8838結合的PAR2結構相比，TL結合引發跨膜區構象重排，特別是TM6在胞外側發生外移。

這一變化導致抑制性離子鎖（ion lock）崩潰，Y344_7.53（NPxxY基序）和R173_3.50（DRY基序）向細胞內腔中心移動，為G蛋白結合創造空間。整個激活過程始于TL結合引發的TM6構象變化，最終導致細胞內腔完全開放。

G_q和G₁₃結合與選擇性

結構比較發現，PAR2與不同G蛋白的相互作用模式存在顯著差異。

G_q結合主要依賴極性相互作用，而G₁₃結合則由疏水相互作用主導。特別值得注意的是，Ga₁₃的最后一個甲硫氨酸殘基（M228_G.H5.24）插入由TM7-H8-TM1-TM2形成的疏水口袋（稱為"甲硫氨酸口袋"）中，這一獨特相互作用是G₁₃選擇性的關鍵決定因素。突變實驗證實，降低該口袋的疏水性會顯著抑制G₁₃活性而不影響G_q信號。

偏向性激動與G_q偏向性肽配體設計

最令人興奮的發現來自于對TL第三位殘基（I39_TL3）與TM1 N末端D62相互作用的研究。

分子動力學模擬顯示，I39_TL3與D62_N-term之間形成穩定的氫鍵相互作用。破壞這一相互作用（通過D62A突變或I39V突變）能選擇性抑制G₁₃信號而保留G_q活性。基于這一發現，研究團隊成功設計出SLVGRL-NH₂肽，該肽能特異性激活G_q通路而幾乎不觸發G₁₃信號，成為首個理性設計的PAR2 G_q偏向性激動劑。

這項研究不僅首次揭示了PAR2的活躍狀態結構，還闡明了其激活機制和G蛋白選擇性的結構基礎。更重要的是，研究團隊基于結構發現成功設計出具有偏向性信號特性的肽類配體，為開發靶向PAR2的精準療法提供了新策略。該研究成果深化了對PAR家族受體信號轉導機制的理解，為治療炎癥性疾病、疼痛綜合征等相關疾病提供了重要的理論依據和藥物設計藍圖。這種結構指導的偏向性配體設計策略也有望應用于其他GPCR靶點的藥物開發中，推動精準醫療的發展。