帕金森综合症是一类慢性神经退行性疾病，临床表现为静止性震颤、肌强直、运动迟缓和姿势平衡障碍以及认知问题等。帕金森综合症的病理特征是大脑黑质致密区多巴胺神经元的变性死亡，从而引起纹状体多巴胺神经递质分泌显著减少。因此，目前帕金森综合症的主要疗法是补充多巴胺神经递质（前体）或者多巴胺受体激动剂以缓解临床症状，如左旋多巴（Levodopa，L-DOPA）和溴隐亭（Bromocriptine）。从根本上治愈帕金森综合症取决于对其真正起因的探究。解析多巴胺受体信号的分子机制是理解帕金森综合症分子基础的重要一环，也是改善当前帕金森综合症疗法的有效途径。

多巴胺受体信号调节奖赏机制和运动机能等生理活动。多巴胺受体家族属于G蛋白（由Gα和Gβγ三个亚基组成）偶联受体超家族（G-Protein-Coupled Receptor，GPCR），包含五个成员：DRD1、DRD2、DRD3、DRD4和DRD5。其中，DRD1和DRD5属于D1类受体，与激活型G蛋白Gs偶联，刺激第二信使cAMP的产生；而DRD2、DRD3和DRD4属于D2类受体，与抑制型G蛋白Gi/o偶联，抑制第二信使cAMP的生成。其中，多巴胺受体D2（DRD2）是精神分裂症和帕金森综合症的主要靶点。此前，DRD2结合精神分裂症药物利培酮（risperidone，反向激动剂）的晶体结构以及结合抑制剂的DRD3和DRD4晶体结构【3,4】已被解析。这些结构不仅展现了抑制状态下的多巴胺受体的分子细节，而且揭示了多巴胺受体与小分子配体相互作用的分子机制。迄今为止，尚未有多巴胺受体结合下游G蛋白的活性结构被解析。相比之下，最近多个GPCR-G蛋白复合物的电镜结构已被报道，比如μ-opioid 和CB1 cannabinoid受体。但是，这些复合物最后制备的样品都存在于去垢剂胶束（micelle）中，而不是在对受体调控和G蛋白偶联至为关键的磷脂双层膜之中。DRD2的早期研究表明，去垢剂溶解的受体与配体的结合能力会减弱

UCSD药学系的Roger Sunahara教授（本文通讯作者之一）曾经构建高密度脂蛋白颗粒（reconstituted high-density lipoprotein particles，rHDL，也称为nanodiscs）模拟磷脂双层膜系统研究GPCR及其G蛋白复合体的生化和生物物理性质【8】。最近，重构于rHDL颗粒的GPCR 家族C成员metabotropic glutamate 5和M2 acetylcholine-arrestin复合物的电镜结构被相继报道【9,10】。

近日，西南医学中心的Daniel M. Rosenbaum、瑞士EPFL的Patrick Barth和Roger Sunahara（第一作者为殷杰博士）在Nature上发表了文章Structure of a D2 dopamine receptor-G-protein complex in a lipid membrane，报道了结合溴隐亭的DRD2与Gi蛋白复合物重构于rHDL颗粒中的活性结构。

DRD2-Gi的结构在整体上类似于以前解析的GPCR-Gi复合物。从位于rHDL颗粒中一端的受体到位于另一端G蛋白嵌入磷脂双层膜的脂化位点，DRD2-Gi复合物紧密包裹于rHDL颗粒之中。与去垢剂制备的样品一个显著的不同点在于DRD2位于rHDL颗粒的一侧而不是类似于去垢剂胶束的中央，从而为Gi蛋白脂链嵌入磷脂双层膜预留空间。这一研究也证明了此前嵌入在rHDL中的单体β2-Adrenergic receptor为何完全保留其药理特性，因为G蛋白能够完全容纳于rHDL颗粒的〜80Å内径之内。磷脂双层膜也约束了受体和G蛋白的相互作用。与胶束中的CB1-Gi复合物相比，DRD2相对于Gα亚基的N末端螺旋(αN)倾斜了10°，从而将受体的第八个螺旋（H8）定位在细胞膜中。

溴隐亭是麦角生物碱，用于治疗帕金森综合症和内分泌系统疾病。作为DRD2的完全激动剂，溴隐亭对哺乳动物DRD2的亲和力为2-5nM，选择性比DRD1，DRD4和DRD5约高100倍（对DRD3几乎没有区别）。溴隐亭与DRD2的相互作用具有二价性质。溴隐亭的麦角灵（ergoline core）核心结构非常类似于多巴胺分子，结合于受体正位结合口袋的深处，与其结合的氨基酸残基在多巴胺受体家族中非常保守。而溴隐亭的双环三肽基团延伸至受体的细胞外侧表面，主要与第七个跨膜螺旋（TM7）和细胞外侧连接跨膜螺旋的第二个环（ECL2）上的残基相互作用。DRD2的ECL2序列与DRD1和DRD5 完全不同，从而解释了溴隐亭相对于DRD2的选择性。比较溴隐亭（完全激动剂）和利培酮（反向激动剂）与受体的相互作用，两者与受体的结合相互重叠，然而反向激动剂在非活性构象延伸到更深的子口袋中，抑制了对受体激活非常关键的构象开关Trp386氨基酸的构象变化。

而溴隐亭的结合引起DRD2的细胞外配体结合位点的重塑，导致ECL2以及TM5、TM6和TM7胞外段发生构象变化，迫使构象开关Trp386氨基酸向下偏移，从而形成三氨基酸残基Pro-Ile-Phe的传输开关，继而促使TM6胞内段向外移开大约12 Å，这也是GPCR激活的标志性事件。活化的DRD2与Gi之间的相互作用主要发生在受体的TM5，TM6，TM7和细胞内连接跨膜螺旋的第二个环（ICL2）与G蛋白的α5螺旋之间。与DRD2的结合，诱使α5螺旋相对于GDP结合的构象发生5Å平移和60°旋转，从而导致临近的β6-α5环移动而远离GDP，利于GTP置换，引起Gα和Gβγ脱离，激活各自的下游信号通路。与脂立方相（Lipid Cubic Phase）中的β2-AR–Gs晶体结构相似，DRD2也通过ICL1和ICL2上的残基与Gβ亚基发生相互作用。

Gαi 亚基N末端和Gγ亚基C末端的特异性脂酰化对于G蛋白向质膜的运输和功能性异源三聚体的形成至关重要。诱变破坏Gαi上的脂质修饰会削弱激动剂依赖性的腺苷酸环化酶抑制作用。虽然无法准确地对酰化残基或脂质修饰进行建模，但是依然在电镜密度图观察到Gαi和Gγ亚基的末端较弱的密度，证明脂酰化的存在。除此之外，αN螺旋沿着磷脂双层的外表面延伸，其中带正电的残基Lys10，Lys17和Arg24向上突出，与极性膜脂分子负电基团相互作用。虽然在GPCR-G蛋白复合物的结构中尚未发现的是Gβ的脂化修饰，但是研究人员观察到Gβ碱性残基Arg42，Arg46和Arg52的密度，这些残基与膜脂分子负电基团相互作用。除此之外，GγC端部分的Arg62和Lys64也展现较好的电镜密度，并与磷脂双层的脂分子负电基团相互作用。Gi异源三聚体和脂质分子之间的这些相互作用以及Gαi和Gγ脂酰化的功能，突显了磷脂双层在受体与G蛋白偶联中的关键作用。

A类GPCR中的两亲性螺旋H8经常包含一个可逆棕榈酰化的半胱氨酸残基，受体的脂质化对于将螺旋H8定位于膜中是重要的。意想不到的是，DRD2-Gi复合物中的螺旋H8完全嵌入磷脂膜内区域，这与视紫红质（Rhodopsin）螺旋H8在溴化脂质的荧光淬灭下的模型研究一致。位于膜内的螺旋H8将残基Phe429，Asn430和Glu432定位在TM7与H8结合处，与Gαi的α5螺旋的C末端相互作用。螺旋H8嵌入磷脂双层中的程度再次突显了脂膜对于受体结构和功能的重要性。

DRD2与Gi蛋白位于磷脂双层中相互作用的独特特征可能反映了磷脂双层膜中GPCR与G蛋白复合物的一般特征。以后随着在更接近生理环境的磷脂双层膜（rHDL / nanodiscs）中阐明其他GPCR受体的结构，将会揭示更多的细胞膜如何促进G蛋白偶联的分子机制。而DRD2介导的信号传递分子机制的解析将成为改善当前帕金森综合症疗法的新起点。