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G蛋白偶联受体(G protein-coupled receptor,GPCR)在细胞通讯中扮演重要角色。这类受体在结构上的共同点是都有一个七次跨膜螺旋结构域(seven transmembrane domain,7TM)负责激活G蛋白。尽管单体形式的受体足以激活下游G蛋白,然而研究表明GPCR存在二聚化甚至寡聚化的复合物形式。GPCR寡聚体的形成以及寡聚体内部单体之间的别构效应为下游信号整合提供了重要的调控方式。然而关于受体寡聚体组成的结构基础以及别构效应的分子机制尚未明晰。本文选取γ-氨基丁酸B型受体(γ-aminobutyric acid receptor type B,GABA_BR)为研究对象。首先,GABA_BR是由两个同源亚基GABAB1(GB1)和GABAB2(GB2)组成的异源二聚体,是C族GPCR中第一个被发现的功能型异源二聚体,并且在内源组织中相邻GABA_BR异源二聚体可以通过GB1亚基形成稳定存在的异源寡聚体。其次,GABA_BR异源二聚体内部两个亚基之间,以及寡聚体内部两个异源二聚体之间都存在别构效应。最后,GABA_BR作为中枢神经系统中重要的抑制性神经递质受体,是多种神经系统疾病如Rett综合征和癫痫性脑炎等疾病的潜在药物靶点。尽管GABA_BR异源二聚体胞外区激活态与非激活态的晶体结构已经得到解析,但是受体跨膜区的结构尚未清晰。为了探究GABA_BR受体内部别构作用的结构学基础,我们对GABA_BR异源二聚体和寡聚体跨膜区在激活过程中的动态构象变化进行研究。本文采用半胱氨酸交联技术,在人胚肾细胞系(human embryonic kidney cell 293,HEK293)中表达携带SNAP和Halo标签的GABA_BR,利用不透膜荧光底物与标签的共价结合对定位于细胞膜上的GABA_BR进行特异性标记,通过Cu P催化半胱氨酸形成交联,研究激活过程中细胞膜上受体跨膜区界面的动态变化。我们的研究为活细胞表面GPCR寡聚体结构动力学的研究提供了重要的信息:(1)GABA_BR异源二聚体跨膜区在激活过程中发生界面重排。静息状态下,GB1-GB2亚基作用界面为TM5,激活状态下,GB1-GB2亚基作用界面为TM6。通过将GB1-GB2亚基TM6界面锁定后发现受体具有组成型活性,表明GB1-GB2亚基跨膜区的构象变化与受体活性密切相关。(2)在GABA_BR寡聚体中,一个GB1亚基存在两个不同的作用界面,分别为TM4,TM5(TM4/5)和TM1,TM6,TM7(TM1/6/7),一个GB1亚基通过两个不同的作用界面分别与相邻两个GB1亚基相连,从而形成寡聚体。静息状态下,GB1-GB1亚基作用界面分别为TM4和TM6,激活状态下,GB1-GB1亚基作用界面分别为TM4/TM5和TM1/TM7。受体激活过程中静息状态下的TM4界面转动形成激活状态下的TM4/TM5界面,而TM6界面则转动形成TM1/TM7界面。(3)基于此,我们构建了GABA_BR寡聚体跨膜区在激活过程中动态构象变化的三维模型。在这个模型中,寡聚体组成的最小重复单元是四聚体,相邻四聚体排列形成矩阵。四聚体内部相邻异源二聚体通过GB1亚基排列成行,而GB2亚基则位于两侧。(4)位于GB2亚基TM6的天然致病突变S695I将突变体二聚体和寡聚体跨膜区稳定在激活态构象。本文是一个关于GPCR寡聚体跨膜区构象变化的研究,为细胞膜上其他受体的研究提供了理论指导。其次,我们发现寡聚体界面中GB1亚基TM6的转动对于受体激活至关重要,这为我们更好的理解GPCR二聚体和寡聚体内部的别构效应提供信息。最后,GB2亚基TM6是人类疾病中GABA_BR基因突变的主要位点,因此本文的研究对于以GABA_BR为药物靶点的疾病治疗具有一定的指导意义。