胰岛素分子与受体结合的机制.pdf

1 9 9 1年 7月 固 B 计 季 辑 第 7期 胰岛素分子与其受体结合的可能机制 梁栋材常文瑞张季平万柱礼 中国科学院生物物理研究所，北京 1 0 0 0 8 0)摘 要 以最小二乘叠合技术和图象显示技术对 DP I、Z-锌胰 岛素及其他 一些衍生物结 构进行 了深入的比较和分析，确认与受体分子的结合相互作用是发生在胰 岛素分子 的一个两性表面上，其 中部是 由许多疏水残基构成的面积约 1 5 0 A 的疏水表面，而 一些极性基团在其周 围构成亲水带区疏水表面通常被运动性很大的 B链援端肽 段所覆盖，不受极性溶剂分子的干扰两性表面在方位上与分子在二体 中的缔合面 构成约 2 O。的夹角Al。L。T r p胰岛素及 Al D-Tr p胰 岛素结构 详细的比较结果，既 很好地解释 了两者在生物活性上的显著差异，又进一步确认 了我们所提 出的胰 岛素 分子与其受体结合的作用模型 关键词：胰岛素结构与功能，胰岛素分子与其受体 结合模型 胰岛素分子复杂的生物功能是通过它与受体的结合来实现的，因而，胰岛素分子与其受体 的结合和相互作用机制的研究成为探讨胰岛素结构与功能关系的核心和关键多年来，人们 在不同领域以各种手段探讨胰岛素结构与功能关系，如不同种属的胰岛素研究；化学或酶修饰 胰岛素研究；各种合成和半合成胰岛素的研究；类胰岛素多肽包括 I GF 1，I GF 2，MS A，r e l a x i n 等 的研究以及突变胰岛素的研究等至今构成胰岛素分子的 9 0 的残基都已分别做过不 同的 修饰和取代这些研究结果为认识和探讨其结构与功能关系积累了大量数据胰岛素三维结 构的确定为结构与功能关系的研究提供了真正的基础研究的焦点 自然首先集中于胰岛素分 子与受体结合和作用机制1 9 7 1 年中国胰岛素研究小组曾对胰岛素分子与其受体结合 的区 域提 出过建议“。，随后北京胰岛素结构研究组在完成 1 8 A分辨率三方二锌胰岛素晶体结构 测定之后也指出，形成二聚体时分子的结合面是胰岛素分子与其受体相结合的可能部位而 这一结合部位主要是 B链羧端和 B链 螺旋 段所构成的分子 表面，即 主要 由 B2 4-P h e，B 2 5。P h e，B1 6-T y r 和 B1 2-Va l 等疏水残基所组成的表面 J 此后，在 X射线分析、热力学和圆 二色性的研究基础上对胰岛素与其受体的结合相互作用机制曾作过许多的讨论 4 s 1 然而，迄 今为止所提出的与受体结合的模型 并没有实质性的变化，基本上都是 以B链羧端伸展肽段 本文 1 9 9 o年 1 月 1 7日收到，1 9 9 o 年 9 月 2 0日收到修改稿 国家自然科学基金和中国科学院重大科研资助项 目 维普资讯 http:/ 7 l 6 中 国 科 学(B辑)1 9 9 1 正 的残基为中心的疏水区和伴随着其周围的一些极性残基所构成的二体缔合面也就是说所有 这些模型都投有摆脱二锌胰岛素二聚体所形成的结构特征的影响，即以在二聚体结构所看到 的，包括构成反平行 卢结构的 B链羧端在内的胰岛素分子在二聚体中的缔合面作为它与受体 分子结合的结台面 尽管胰岛素受体的一级结构已被铡定，某些关于胰岛索受体的 照 亚基结构模型也已提 出并得到普遍承认但是，由于至今尚未得到胰岛素受体，特别是胰岛素与其受体的复合物的 三维结构数据，这就使得从空间结构角度认识和阐明胰岛素分子与其受体 的结合作用机制缺 乏最直观的结构基础本文下述所绐出的探讨是基于已揭示的基本实验事实和结 果：即胰岛 素分子是以单体形式与其受体结合并相互作用的：胰 岛素分子与其受体 的识别、结合和相互 作用必然伴随着一系列的构象变化；对胰岛素分子三维特征结构及其运动特征的认识以及胰 岛素及其各种衍生物的结构比较的结果近十年来，本实验室在测定一系列各种不同的胰 岛 素衍生物晶体结构的基础上，以最小二乘叠合技术和图象显示技术对它们 的结构进行深入的 比较和分析，着重从空间结构的角度探讨胰岛素分子与其受体结合的可能机制 一、胰岛素分子与其受体的结合面 去 B链羧端五肽(B 2 6 3 0)猪胰岛素(简称 DP I)是一个重要 的胰岛素衍生物它是至 今已测定空间结构的胰岛素衍生物中唯一以单体形式存在并保持较高胰岛素生物活性的分子 结构本实验室在测定并在 1 5 A高分辨率精化了DP I 的分子结构之后 0】，对 DP 1 分子结构 的特征以及它与胰岛素衍生物的构象差异进行 了广泛的比较如图 l 所示，与二锌胰岛素结 构比较结果表明，虽然 DP 1 分子中许多的侧链甚至一些主链与二锌胰岛素结构存在着 明显的 结构差异，然而 DP 1 分子仍保持着胰 岛素分子的特征三维结构要素，这是为什么 DP 1 分子仍 保留着较高生物活力的重要原因 图 1 DP 1 分子(租线)和三方二锌胰岛素分子 1 的 A链和 B链分别叠台 比较 在 DP 1 分子结构被测定之后，我们发现由于胰岛素分子切除了 B链羧端的五个残基，DP 1 分子的结构出现了一个面积很大的两性表面1 如图 2所示，这个两性表面的中部是 由疏水 维普资讯 http:/ 第 7期 梁栋材等：胰岛素分子 其受体结合的可能机制 7 1 7 残基的侧链基团所构成的疏水平面，其面积约为)5 o A ，而分布在此疏水面周围的是一些亲水 残基的极性和带电荷的侧链基团，它们构成两性表面的亲水区域带找们认为，DP 1 分子中这 一两性表面可能是胰岛素分子与其受体分子结合相互作用的重要表面此表面与上述各种建 议的受体作用区域 二体内分子间的缔合面的重要差别是在于：首先，我们所看到的表 面 图 2 DP J 分子上的两性表面(中部 由疏水残基构成的疏水平面 以虚线表示)，其周围由极性和带电基田构成亲水区域带)是在二锌胰岛素分子中处于 B链羧端后面 的一个表 面，而 不是包 括 B链羧端在 内的表面 二锌胰岛素二体中两个分子的缔合面是以B链羧端 反平行的结合面为分界线的，它与 DP 1 分子的两性表面在方位上很不相同，它们之间大约构成 2 0。左右的夹角(图 3】其次，DP 1 分 子的两性表面与二体中的分子缔合面在残基组成和残基性质上也有明显不同，它尽管也保留 了原来二体缔合面的一部分残基，但由于 B 2 6 3 0残基被切除，原来被这段肽段所覆盖的疏 水残基在 DP 1 分子中得以暴露并加入疏水表面，从而构成两性表面此外，此两性表面既包含 了不变残基和保守残基，但所涉及的残基却十分广泛详细的结构 比较表明，DP 1 分子的两性 表面与二锌胰岛素分子结构 中位于 B链羧端 后面的相应的表面具有十分相似的构造虽然 在 DP 1 分子中位于两性表面中部的疏水平面，在组分上有少许差别，但其疏水平面的面积仍 然保持大约 1 5 0 AL 而其构造也基本保持不变，亲水表面的组分及构造与二锌胰岛素分子十分 相近也许正因如此，DP I 仍可保持着相当高的胰岛素生物活力 通过对 DP I、二锌胰岛素、四锌牛胰岛素以及其它修饰胰岛素的结构 比较研究，不难发现一 只要将分子中的 B链羧端残基从分子表面移开或切除，所有具有生物活性的胰 岛素及其衍生 物的分子都拥有与DP 1 分子十分相似的两性表面基于上述的研究结果，我们认 为：与受体 维普资讯 http:/ 7 I 8 中 国 科 学(B辑)1 9 9 1 年 图 3 三方二锌胰岛素二体中分子I与分子 I I的缔舍面(m)和 DP 1 分子的两性表面(n)在分子 I中的示意表达(m与 n面之间的夹角约为 2 0。)分子的结合相互作用将主要发生在胰岛素分子的一个表面上胰岛素分子的这一相互作用表 面由两部分组成作用表面的中部是一个面积很大的约 1 5 o h 的疏水表面，主要 由 A2 I l e，A3 Va l，A1 9 T y r，B1 l L e u，B 1 2 V a l，B1 5-L e u，B1 6-T y r，B 2 4。P h e，B 2 5 P h e可 能 还 有 B 2 6 T y r 等残基所组成，在图 4中以虚线给出了这一疏水平面围绕这一疏水平面周围是极 图4 建议的胰岛素分子与其受体分子的结合作用面 维普资讯 http:/ 卸 乒 苗 0 _ J 音 第 7期 粱栋材等：胰岛素分子与其受体结合的可能机制 7 1 9 性和带电荷的基团，构成了这一作用表面的亲水部分如 图 4所示，它们主要是 A1 Gl y的 氨基、A4 Gl u，A5 Gi n，A1 8。As n，A2 1 As n，B9 S e r，B1 0 Hi s，BI 3 Gl u，B2 1 Gl u，B 2 2 Ar g 等残基的侧链基团以及 B链羧端的羧基 二、胰岛素分子与其受体结合作用的可能机制 上述我们所讨论的作用表面在三方 2 z n胰岛素的六体结构中，其疏水平面的相 当大 的一 部分是被B链羧端伸展肽段所覆盖显然，在极性溶剂中或在生理条件下已被解聚的胰岛素单 体分子，其 B链羧端伸展肽段已不再受构成二体时的反平行 口结构中 4 个氢键(图 5 所示)所 约束，从而具有更太的运动性和更大的运动 自由度，因而它将会比在二聚体中观察到的更加紧 图 5 三方二锌胰岛素二体中分子问由B链羧端构成反平行 结构的四个氢键示意图 密地靠着疏水平面，使疏水面得到更好的保护不受极性溶剂分子的侵扰，并从而构成了单体分子 自身的疏水内核同样，当胰岛素单体分子与其受体分子接近的时候，运动 自由度很大的 B链 羧端肽段将从原有位置上摆开，从而使被它覆盖的疏水平面得以完全暴露，于是构成了以在 DP 1 分子上所看到的两性表面为基础的胰岛素分子与其受体的结合面而胰 岛素分子中 B 链羧端伸展肽段具有很大的运动性和运动自由度早已从溶液构象研究和晶体结构分析的结果 中得到了证实图 6给出了我们实验室已测定结构的二锌猪胰岛素、四锌牛胰岛素和其他衍生 物分子 I 和分子 I I 的叠合比较结果从图 6可以得知，就在晶体内紧密堆积的环境下并受到 构成二体的反平行 口结构 中 4个氢键的制约，胰岛素分子的 B链羧端肽段也可以出现高达 5 6 A以上的移动 从作用机制上，基于对胰岛素分子与受体结合面的认识我们可以设想：单体胰岛素分 子到 达并靠近其受体分子时，具有运动性很大的 B链羧端伸展肽段，其中包括 B 3 0-AI a，B 2 9 L y s，B 2 8 P r o，B 2 7 T h r 也许还有 B 2 6 T y r 等残基，将通过铰键肽 B 2 4从上述胰岛素分子的两性表 维普资讯 http:/ 7 如 中 国 科 学 f B 辑)1 9 9 1 年 图 6 胰岛素及其衍生物在三方结构中分子1 及分子 I I的 B链主链 叠合结果-揭示分子的 B链 N端和 c端 肽段具有很大的构象运动性 面上移开，从而胰岛素分子的疏水平面完全暴露于受体分子相应的疏水区域相互的识别和 结合作用将会发生找们认为，胰岛素分子与受体的相互作用中除了原发性 的疏水作用之外，必然伴随着极性相互作用随着疏水的相互作用，亲水的相互作用也将会进行分散在疏水平 面周围的大多数极性和带电荷基团都是构象运动性很大的长链基 团，诸如 B1 0-Hi s，B1 3-Gl u，B 2 1-Gl u，B 2 2-A r g，A4-Gl u，A5-Gl n和其他极性侧链它们可以在一定范围内调节取向，有 点像章鱼的吸盘一样，与受体分子中相应的极性和带电基团靠近并相互作用 早在 2 4 A分辨率 DP I 结构测定之后，我们就指出 B 2 4 P h e 和 B 2 5-P h e 是参与受体结合 的重要残基，并在与受体识别中可能起重要作用可以设想当胰岛素分子靠近其受体分子，在 原发性的疏水相互作用的初期，拥有疏水性芳香环的 B 2 4和 B 2 5，以及 Bl 6，Al 9和 B 2 6 等的 侧链将会是十分活跃的这些残基的侧链在构象 上包括其位置和芳香环的取向将会发生适 当 的改变，以适应其受体分子中同样具有芳香环的相应残基侧链的位置和取向我们认为相应 残基侧链的芳香环大 键之间的相互作用是在胰岛素分子与其受体的相互识别中起着 十分 关键性作用B 2 5 和 B 2 4等残基不但只是上述两性表面中疏水平面的重要组分，在疏水的结 合相互相作用中发挥着重要作用，而且在与受体识别过程中也是十分关键的T a g e r 等“发 现在 B 2 5 上由亮氨酸取代 苯丙氨酸的人变异胰岛素之后，B 2 5的重要性 已得到证实此外 B 2 5-P h e 具有很大的构象运动性也在二锌胰岛素分子 I 和分子 I J 的结构 比较 以及 DP I 的结构 维普资讯 http:/ 差 i 、_】第 7期 梁栋材等：胰岛素分子与其受体结台的可能机制 中得到了充分的论证 这种构象的自由、灵活的运动性显然是胰岛素分子与其受体相互作 用所必需 显然，分子量只有 6 7 0 0的胰岛素分子与其庞大的受体分子相互作 用中，除 了上述两性表 面之外，胰岛素分子其他部分的一些残基也可能参予结合和相互作用诸 如运动性很大的 B 链 N 端伸展肽段有可能锚定在受体的某一特定区域，在相互作用中既表达胰岛素分子的免疫 功能同时对生物功能的发挥也起着协同作用等然而，上述两性的作用面对于胰岛素分子与 其受体无论在识别、结合和相互作用中大概都是必需而且是主导的一些胰岛素衍生物 的结 构分析和结构比较研究结果都表明，对这个作用表面的改变或破坏，势必影响或障碍了分子与 受体之间的充分相互作用，导致胰岛素分子的生物活力不同程度的丧失B链羧端去七肽(B 2 4 3 0)胰岛素(DHP I)结构分析的初 步结果表明，由于 B 2 4 3 0肽段 的切除，随 着 B 2 0 2 3的回折的破坏，分子中的两性表面也就遭到严重破坏这就导致 DHP I 的生物 活 力几乎丧失殆尽 三、AI L T r p胰岛素和 AI-D。T r p胰岛素结构的启示 AI-L T r p胰岛素和 Al D T r p胰岛素晶体结构 的测定和它们的结构 比较结果对我们所 提出的上述胰岛素分子与其受体结合相互作用的模型提供了进一步的结构依据众所周知，将 A1 Gl y 从 A链 N 端切除后，胰岛素分子几乎失去全部活力，以 L 构型的色氨酸取代 AI的 甘氨酸只有 1 4 的天然活力，而 Al D T r p胰岛素分子却保留着高达 8 2 的生物活力(表 1)其它 L 构型和 D 构型氨基酸对 Al 甘氨酸的置换，其结果也十分相似A1 L T r p胰岛 素和 Al D T r p胰岛素晶体结构已在我们实验室分别在 2 1 A和 2 2 A 分辨率上被测定，并对 表 1 本实验室已测定结构的胰岛索及其衍生物 晶胞参数 生物括性 胰岛素 空阃群 分辨率 a A1 b(B)c(A)。(。)(0)y )脂肪细胞 血糖下降 P o r c i n e 2 Z n R 3 8 2 5 8 2 5 3 4 0 9 0 9 0 1 2 0 1 2 A 1 0 0 1 o 0 B o v i n e 4 Z n R 3 8 0 8 8 0 8 3 7 4 9 0 9 0 1 2 0 1 9 A i 0 0 i 0 0 D P I C 2 5 8 7 2 7 9 2 4 O 9 0 1 o 0 6 9 0 1 5 A 2 4 4 0 DHPI P2 I 2 t 2 I 5 9 2 5 4 8 2 3 0 9 0 9 0 9 0 3 0 A 0 i A卜 L-T r p)R 3 8 0 3 8 0 3 3 7 4 9 0 9 0 1 2 0 2 1 A 1 4 A 卜 Dr r r p)R 3 7 8 6 7 8 6 5 0 0 9 0 9 0 1 2 0 2 2 A 8 2 B (L。Ar g R3 8 i 8 8 1 8 3 5 0 9 0 9 0 1 2 0 2 3 8 4 B O-D-A a)R3 8 2 5 8 2 5 3 4 3 9 0 9 0 1 2 0 1 9 A 6 5 7 4 B (L L e u)R 3 8 2 3 8 2 3 3 4 3 9 0 9 0 1 2 0 2 2 A 3 7 结构进行 了精化 详细的结构比较结果指出，Al-L T r p和 Al-D T r p胰岛素分子不但都 很好地保持着上述胰 岛素三 维空间的特征结构，而 且二体 中分 子 I 之 间在 空 间结 构上 也十分接近，就像四锌胰岛素分子I与二锌胰 岛素分 子 I 之 间那 样相 似然而 重要 的结 构差别就在于 A1残基上 的吲朵环在 A1-L-T r p和 A1 D-T r p胰 岛 素 分 子 中 的 取 向绝 然不同，如图7所示而正是这一细小但却十分重要的结构差别致使这两种胰岛素衍生物具 有绝然不同的生物活力 维普资讯 http:/ 中 国 科 学(B辑)1 9 9 I芷 图 7 A卜L。Tr p(单线表示)和 A1 一 D-T r p(以双线表示)胰 岛素分子 I 的 A链主链叠合结果，揭示两个分子的 A1 Tr p劁链(吲哚)基团的不同取向 其中虚线示意胰岛素分子与其受体结合作用面的投影)如图 4所示，A1残基正好 位 于上 述 与受体相互作用表面 的疏水平面的边 缘带有正电荷的 氨基是组成缸K 区域 的重要 基 团之 一L一 构 型 色 氨 酸 置 换 A1 的甘氨酸之后，L 构型 的侧链 正好从分子的作用表面向上伸出并指 向疏水平面，如图 8 所示结构测定 和精化结果指出，A1-L-T r p胰岛素结 构 中分子I的吲 朵环拥 有 占有 率分 别 为 0 7 和 0 3的两个构象位置，分子 I I 则只有 占有率为 1的一种构象，它与 分子 I 的第一个构象相似无论两个 构象 中任一构象，其结果都严重障碍 胰岛素分子中这一两性表面，特别是 疏水平面与其受体相应表面的充分接 触，从而影响了它们之 间充分 的相互 作用与此同时，吲朵环的向上伸出也肯定对带正电荷的 o c 氨基起着蔽屏作用，影响它 与受体 分子 中相应基团之间的电荷交换而 D 构型色氨酸置换 Al 甘氨 酸之后，D-构型的侧链刚 好稍朝下方伸 向两性表面的边缘(图7)它既不妨碍疏水平面与受体 的疏水相互作用，也不 会影响带正电荷的 o c 氨基从两性表面向外裸露这一研究结果不但指出了A1 残基，特别是 氨基在胰 岛素分子结构和功能关系中的重要作用，而对我们上述所提 出的作用 机制的模型也 图8 A1 一 L-T r p胰岛素分子 I 中 AI T r p残基侧链的两个不同构象位置(双线表示)均从分子的两性表面向上伸出，并指 向疏水平面 一、i I 维普资讯 http:/ 第 7期 梁栋材等：胰岛素分子与其受体结合的可能机制 7 2 3 是一个十分重要的验证基于上述有关胰岛素分子与受体的作用表面和相互作用机制的模型，A1 D 色氨酸胰岛素与 A1 一 L 色氨酸胰岛素在生物活力上的显著差异可以从它们 A1 残基在作 用表面上的不同构象和取向获得很完满的船释 尽管对胰岛素分子本身的空间结构已经有了相当精确而详尽的 了解，但它毕竟是个分子 量只有 6 7 0 0的小蛋白，而它的受体却是分子量约 3 0 0 O 0 0的巨大的膜蛋 白分子作为激素蛋 白质，胰岛素具有多种生物功能和非常复杂的发挥生物功能的过程胰 岛素分子对其受体的 识别、结合及相互作用将是它发挥生物功能的第一 步，也是最重要的一步我们认为，胰 岛素 分子固然携带着发挥生物功能的关键的基本信息，但并非全部信息胰 岛素与其受体之间在 一定程度上很像钥匙和锁的关系，将钥匙放在锁内，转动钥匙将锁打开之后，钥匙的任务已基 本完成，胰岛素分子与其受体识别、结合并相互作用之后，跟随将要发生 的一系列生物学事件，其信息将来 自已经结合了胰岛素分子的受体，而不再直接来源于胰 岛素分子本身了基于同样 的理解，我们认为：对胰岛素的代谢效应，生长效应和协同作用等也不能单从胰岛素分子本身 的结构特征来理解对于胰岛素分子本身来讲，它与其受体的识别、结合和相互作用是它发挥 生物功能的极其重要的一步，也许就是最后一步 参 考 文 献 I n S i l l i n R e s e a r c h Gr o u p，S c i e n t Stn i c a 1 7 1 9 7 4)，6：7 7 9 I n S i l l i n R e s e a r c h Gr o u p、b d 1 9(1 9 7 6)4：4 7 6 北京胰岛素结构研究组中国科学，l 9 7 4 6：5 9 l Wa e l b r o e c k M，e t a 1 ，J B o Ch 删 2 5 4 1 9 7 9 J 7 7 3 6 W a c 1 1o r o e c h Fr a u ma n，M D P h j I t he s i s Um,e r s i t e C a t h o l i q u e De Lo u v a i a Be I 岫、1 9 8 o Wo o d S P 砒 a 1 ，丘I r B o c h e m 5 5(1 9 7 5)5 3 I P u ll c n R A e t a L，删，2 S 9(1 9 7 6)，3 6 9 Bl u rt d e l l、T L，打船，4(1 9 7 9)，5 1 Bl u n d e B T L e【a 1CJ C n t i 且 眦 Bi o c h an i s t r y，1 3(I 9 8 2)，1 4 1 戴金壁等，中国科学B辑，1 9 8 6 1 0：I o 4 3 粱栋材等，同上，l 9 8 5，5：4 2 8 常文瑞等，生物化学杂毒 2 1 9 8 6)3：5 3 万柱札等，中国科学B辑，1 9 8 9 I：3 3 万柱札等，同上，l 9 8 9，1 0：1 0 4 I Ta s c r t H e t a 1 ，Na t u r e 2 8 1(1 9 7 9】，I 2 2 1 2 5 2 3 4 5 6 7 8 9 m 维普资讯 http:/