M1胆碱受体激动剂对Gαq、Gαs及β-arrestin信号通路的偏向性激活及其分子机制

G-protein coupled receptors (GPCRs) are the most important targets in drug discovery. Ligands can simultaneously activate several signaling pathways mediated by Gα subtypes and β-arrestin at different degrees to generate signaling bias. The therapeutic effects can be achieved by agonists through activating some specific pathway, while the activation of other pathways may cause side effects. M1 muscarinic acetylcholine receptor (M1 receptor) belongs to GPCRs, and it is closely related to many serious diseases, such as cognitive deficits in Alzheimer’s disease, and schizophrenia. However, the development of several M1 receptor modulators were terminated for the adverse events frequently occurred in clinical trials. The activation of Gαs and β-arrestin signaling pathways mediated by M1 receptor could be the potential source of these adverse events. Therefore, it is desiderate to explorer the signaling bias of various agonists to M1 receptor, to construct the structure-activity relationship between agonists and the signaling bias, and to elucidate the molecular mechanism of signaling bias in M1 receptor. The study can deepen the understanding of the complexity in the signaling transduction of M1 receptor, improve the assay developments of the whole intrinsic efficacy, and provide theoretical support and experimental basis for the discovery of modulators with pathway selectivity.

G蛋白偶联受体（GPCRs）是最重要的一类药物靶点，配体在激动GPCRs时可不同程度地同时激活多条由不同Gα亚型及β-arrestin介导的信号通路，产生信号通路偏好。激动剂只有激活特定信号通路才能治疗疾病，激活其他通路则导致副作用。M1胆碱受体（M1受体）属于GPCRs，与阿尔茨海默病、精神分裂症认知障碍等重大疾病密切相关，然而多种M1受体调控剂的研发均因临床试验中不良反应多发而终止，M1受体激活下游的Gαs及β-arrestin通路是不良反应潜在来源。因此，有必要探究各类激动剂对M1受体的信号通路偏好，解析激动剂与信号通路偏好之间的构效关系，阐明信号通路偏好产生的分子机制。上述研究不仅能加深对M1受体信号转导复杂性的认识，还能完善其调控剂内在活性的评价方法，为发现具有信号通路选择性的调控剂提供理论支持及实验基础。

G蛋白偶联受体（GPCRs）是最重要的一类药物靶点，配体在激动GPCRs时可不同程度地同时激活多条由不同Gα亚型及β-arrestin介导的信号通路，产生信号通路偏好。激动剂只有激活特定信号通路才能治疗疾病，激活其他通路则导致副作用。M1胆碱受体（M1受体）属于GPCRs，与阿尔茨海默病、精神分裂症认知障碍等重大疾病密切相关，然而多种M1受体调控剂的研发均因临床试验中不良反应多发而终止，理解M1受体在激动剂作用下对不同信号通路的激活及其分子机制对于开发副作用更低的药物具有重要价值。SUMO化是重要的蛋白翻译后修饰途径，越来越多的证据表明SUMO化可调控GPCR的功能，可能对下游的G蛋白及β-arrestin介导的信号通路激活有重要影响。本研究发现M1受体存在SUMO化修饰，当M1受体被激动剂卡巴胆碱激活后，M1受体与SUMO1蛋白的共定位减少，SUMO化在M1受体与配体的结合及下游信号通路激活中存在重要作用。SUMO化可以增强M1受体与Gαq偶联所引起的细胞内钙离子浓度增加、增强M1受体与Gαs偶联所引起的IP1浓度增加、同时促进β-arrestin介导的M1受体内吞。上述结果表明SUMO1蛋白对M1受体存在正性别构调控作用，但上述作用对于不同信号通路基本一致，不存在显著的信号偏好效应。结合定点突变实验，我们鉴定出K327是M1受体SUMO化的修饰位点，该位点突变后，M1受体与SUMO1蛋白的共定位减少，同时受体的配体亲和力以及信号转导活性下降。通过分子动力学模拟发现，SUMO化可以稳定受体激动活性构象，从而同等程度地增强了下游Gαq、Gαs以及β-arrestin等不同信号通路活性，这也解释了SUMO1修饰并未产生直接的信号偏好效应的原因。上述研究为细胞内蛋白对GPCR的别构调控研究以及信号偏好研究提供了新的例证，有助于具有信号通路特异性药物的开发。