SYBYL在GPCR研究领域的应用系列：案例一
前言上月，瑞典皇家科学院诺贝尔奖评审委员会宣布，科学家罗伯特·莱夫科维茨（Robert J. Lefkowitz）和布莱恩·克比尔卡（Brian K. Kobilka）因“G蛋白偶联受体研究”获得2012年诺贝尔化学奖。G蛋白偶联受体（Guanosine-binding Protein Coupled Receptor，GPCR）是细胞信号传导过程中的重要蛋白质，为7次跨膜受体，在迄今被作为药物靶点的500多个受体中占了绝大多数。两位科学家不仅发现了G蛋白偶联受体家族，还获取了β-肾上腺素受体被激素激活并向细胞发送信号时的精确图像，这对解读细胞内部受体的运作模式有着巨大的贡献。
此次我们整理了部分关于GPCR的分子模拟文献，做成一系列案例，希望能为大家的研究提供有用的信息。
配体与人组胺H1受体结合过程中的决定因素：H1受体同源模建、分子对接和动力学模拟的研究
人类组胺H1 受体是一种七次跨膜蛋白，属于G-蛋白偶联受体（GPCR）超家族，是一个非常重要的药物靶标，与炎症，失眠以及其他神经类障碍病的发生息息相关。清楚地了解组胺H1 受体与配体之间的相互作用模式对新型神经药物设计有非常重要的指导意义。本案例对两种不同的人类组胺H1受体模型与配体的结合进行了详细的模拟研究，以期解释配体分子间存在亲和性差异的原因，为设计亲和性更好的分子提供理论依据。
图1 以人的β2肾上腺素能受体为模板构建的人组胺H1同源模型。跨膜区以光谱颜色编码，从蓝色（TM I）到红色（TM VII），左面是纵切面，上方是胞外区，下方是胞内区；右面是胞外区俯视图
文中使用了两种受体模型，一种是以人β2肾上腺素能受体的晶体结构（2RH1）为模板，使用SYBYL 的APM模块构建的同源模型（见图1）；另一种是最近报道的人H1受体复合物的晶体结构（PDB ID：3RZE）。配体分子选用组胺以及组胺H1受体的拮抗剂吡拉明和PAT（(2S, 4R)-(–)-trans -4-phenyl-2-N, N-dimethylaminotetralin）。
图2 人类组胺H1受体的晶体结构3RZE（绿色）和同源模型（粉色）的比较，左为晶体结构的位置，胞外区朝上，胞内区朝下；右为晶体结构和同源模型的叠合，两者之间的RMSD=2.91Å，同时显示结合口袋的保守氨基酸残基
模建的蛋白采用 SYBYL的Powell 方法 （AMBER力场）进行了分子动力学模拟，从而获得能量较低、空间结构相对合理的构象。值得一提的是，作者将优化好的同源模型和实验测得的晶体结构（3RZE）进行叠合，计算二者之间的差异（图2），发现RMSD值仅为2.91Å（若二者的RMSD值在3Å以内则认为同源建模的模型是非常可信的），从而进一步验证了所选计算方法的正确性和所建模型的准确性。
图3 A 组胺与H1受体同源模型的对接； B 组胺与H1受体晶体结构的对接
图4 A 吡拉明与H1受体同源模型的对接； B 吡拉明与H1受体晶体结构的对接
图5(2S, 4R)-PAT与H1受体同源模型的对接； B(2S, 4R)-PAT与H1受体晶体结构的对接
随后利用 SYBYL里面的Flexidock将不同的配体分子和受体模型以及晶体结构进行了分子对接，获得了复合物模型（见图3、4、5）。通过对模型的观察发现，配体周围的氨基酸残基D3.32和Y7.43可以与配体形成氢键相互作用，并且会使D3.32和Y7.43之间的距离靠近，更有助于对接构象的稳定。配体周围的其他氨基酸不能直接和配体之间形成氢键作用，但是氨基酸残基W6.48和K5.39会在分子动力学模拟过程中靠近配体，达到稳定复合物构象的目的。。随后作者进行了详细的实验研究，实验结果表明：W6.48和K5.39的突变会影响配体与受体的结合，而D3.32和Y7.43的突变会大大降低配体与受体的结合能力，与模拟的结果完全吻合。
经过模拟计算与亲和实验相结合的方法，发现配体与氨基酸D3.32和Y7.43之间的成键作用对配体与受体的亲和力有重要影响。若配体的结合位于这两个氨基酸残基附近，或者是与之形成氢键，会大大增加配体的亲和性。这不仅解释了配体分子间存在差异性的原因，也为研发新型的以人类组胺H1受体为作用靶标的神经类药物有重要作用。
Edit by Tri-i Xiaxia
参考文献：Tania C. Cordova-Sintjago et al. Molecular determinants of ligand binding at the human histamine H1 receptor: Site-directed mutagenesis results analyzed with ligand docking and molecular dynamics studies at H1 homology and crystal structure models.J. Chem. Pharm. Res., 2012, 4(6):2937-29l51 拜读，图文兼备，好{:soso_e179:}{:soso_e179:} {:soso_e179:}好资料！！！ 非常有帮助的东西
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