P2X受体的结构解析进展

虞诗诚，郑超然，顾霄鹏，李桂林，梁尚栋

（南昌大学基础医学院生理学教研室，江西南昌 330006）

三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）配体门控P2X受体家族是由7个克隆亚型分别组装的同源或异源三聚体离子通道。研究显示，ATP不仅是细胞中主要的能量来源和核酸组分，在细胞间信息交流中也发挥重要作用。已证实［1-2］，P2X受体为非选择性阳离子通道，存在于哺乳动物组织中并调节多种生理功能，可影响神经系统突触信号的快速传递，平滑肌细胞收缩、血小板聚集、巨噬细胞活化、细胞增殖和死亡等。P2X受体斑马鱼P2X4受体晶体结构的发现极大地推进了对其P2X受体分子和生理功能的理解，以及其药物靶点的预测和实验验证。本文探讨P2X受体结构和功能的关系，并简单介绍P2X受体选择性配体最新研究成果。

1 P2X受体的分子结构

1．1 主要结构和亚基拓扑结构 P2X受体含有两个跨膜结构域（transmembrane domain，TM），一个大的胞外配体结合环，胞内的 N（氨基）和 C（羧基）末端［1］。

1.2 四级结构 异源性表达于非洲爪蟾卵母细胞中P2X1和P2X3受体的实验首次揭示P2X受体通道的三聚体结构，并最后被斑马鱼P2X4亚型的晶体结构所证实［1，3］。

2 P2X受体的晶体结构

斑马鱼P2X4受体（zfP2X4受体）同源三聚体受体结构与一只酒杯相似，TM区由6个螺旋体形成沙漏形状，大的胞外结构域则突出于膜表面大约70Å之上，并且从细胞质侧面观察呈右旋状［1，4-5］。zfP2X4单个亚基结构形状类似海豚，其中TM螺旋和胞外区分别类似“尾鳍”和“上身”。附着于“身体区域”的分别定义出“头域”，“背鳍”和“左右脚蹼”（Fig 1）。

Fig 1 Crystal structure of an independent subunit from the zfP2X4 crystal form

3 配体结合位点与结构解析

3．1 ATP结合位点 研究表明，P2X受体家族有保守的ATP结合口袋（Fig2），带正电荷的氨基酸残基（Lys68、

Fig 2 Crystal structure of the ATP-binding zfP2X4

Lys70、Arg292和 Lys309）和芳香残基 （Phe185、Thr186、Asn290和Phe291）（P2X1受体编号）对ATP结合起着重要作用［6-7］。

3.2 拮抗剂结合位点 研究显示，（136KAKRK140）（P2X1受体编号）在NF449的P2X1选择性拮抗中发挥作用，Arg290和Gly72（P2X2受体编号）对苏拉明衍生物强力的拮抗作用非常重要［8］。

3.3 与激动剂和拮抗剂作用的结构变化 有研究报道，结合区域的构象变化发生在ATP结合之前，P2X受体拮抗剂TNP-ATP的结合后头域几乎无移动［9-11］。

3．4 ATP结合与通道门控 研究表明，激动剂结合后引起整个受体发生巨大的构象变化，这些变化导致TM2螺旋的加宽，把孔道展开成虹膜状，进而允许离子穿过孔道［10-13］。

3.5 离子进入孔道 斑马鱼P2X4受体晶体结构揭示在相邻亚基的边界形成3个侧向的“窗孔”，并通过短的通道连接跨膜孔。侧向“窗孔”可能是P2X受体的重要变构调节区域，一旦离子穿过“窗孔”，它们即可迅速通过开放的孔道［14-15］。

4 结语与展望

P2X受体的晶体结构证实了许多基于突变研究的推测，并有助于进行有计划的点突变研究，通过不同亚型同源模型结构推测和解释实验结果。但是，特定亚型的分子机制尚不清楚，受体孔道的开放、胞膜形态的变化尚需探明。竞争性抑制的原子机制、变构调节、失敏及其它功能变化的问题都亟待深析。然而，斑马鱼P2X4受体晶体结构的发现有助于利用P2X受体结构信息，通过分子模拟软件预测可能的配体结合方式和作用类型，进而从许多未知作用的药物中筛选出P2X家族潜在的特异性激动剂和拮抗剂。

参考文献：

［1］ Kawate T，Michel JC，Birdsong W T，et al.Crystal structure of the ATP-gated P2X4ion channel in the closed state［J］.Nature，2009，30：592-8.

［2］ 徐昌水，高 云，梁尚栋，等.骨骼肌P2受体的功能与疾病［J］.中国药理学通报，2010，26（2）：144-7.

［2］ Xu C S，Gao Y，Liang SD，et al.Function of P2 receptors in skeletalmuscle and their roles in the diseases［J］.Chin Pharmacol Bull，2010，26（2）：144-7.

［3］ Nicke A，Bäumert H G，Rettinger J，etal.P2X1and P2X3receptors form stable trimers：a novel structuralmotif of ligand-gated ion channels［J］.EMBO J，1998，17（11）：3016-28.

［4］ Hausmann R，Günther J，Kless A，et al.Salt bridge switching from Arg290／Glu167 to Arg290／ATP promotes the closed-to-open transition of the P2X2receptor［J］.Mol Pharmacol J，2013，83：73-84.

［5］ Miklavc P，Thompson K E，Frick M.A new role for P2X4receptors asmodulators of lung surfactant secretion［J］.Front Cell Neurosci，2013，7：171.

［6］ Du J，Dong H，Zhou H X.Gatingmechanism of a P2X4receptor developed from normalmode analysis and molecular dynamics simulations［J］.PNAS，2012，109（11）：4140-5.

［7］ Mahaut-Smith M P，Jones S，Evans R J.The P2X1receptor and platelet function［J］.Purinergic Signal，2011，7：341-56.

［8］ El-Ajouz S，Ray D，Allsopp R C，Evans R J.Molecular basis of selective antagonism of the P2X1receptor for ATP by NF449 and suramin：contribution ofbasic amino acids in the cysteine-rich loop［J］.Br Pharmacoll Sci，2012，165：390-400.

［9］ Jiang R，Taly A，Lemoine D，et al.Tightening of the ATP-binding sites induces the opening of P2X receptor channels［J］.EMBO J，2012，31：2134-43.

［10］Jiang R，Taly A，Grutter T.Moving through the gate in ATP-activated P2X receptors［J］.Trends Biochem Sci，2013，38：20-9.

［11］LörincziÉ，Bhargava Y，Marino S F，et al.Involvement of the cysteine-rich head domain in activation and desensitization of the P2X1receptor［J］.Proc Natl Acad Sci USA，2012，109（28），11396-401.

［12］Hibbs R，Gouaux E.Principles of activation and permeation in an anion-selective Cys-loop receptor［J］.Nature，2011，474：54-60.

［13］Du J，Dong H，Zhou H X.Gatingmechanism of a P2X4receptor developed from normalmode analysis andmolecular dynamics simulations［J］.PNAS，2012，109：4140-5.

［14］Roberts JA，Allsopp R C，Ajouz SM，et al.Agonist binding evokes extensive conformational changes in the extracellular domain of the ATP gated human P2X1receptor ion channel［J］.PNAS，2012，109，4663-7.

［15］Asatryan L，Popova M，Woodward JJ，etal.Roles of ectodomain and transmembrane regions in ethanol and agonist action in purinergic P2X2and P2X3receptors［J］.Neuropharmacology，2008，55，835-43.