蛋白质并非孤立存在的生物分子,而是依赖特定的三维空间结构与其他分子(小分子配体、蛋白质、核酸等)相互作用,共同执行功能。蛋白质与蛋白质之间的相互作用作为细胞生化反应网络中的主要组成部分,对其作用机制的表征对于理解生理、病理过程,设计药物分子具有重要指导意义。G蛋白偶联受体(GPCRs)作为最大的膜受体家族,通过检测识别胞外信号分子并偶联G蛋白或Arrestin蛋白将化学信号传递至胞内,从而调控众多生理过程[1]。因此对GPCRs信号复合物的结构表征是理解许多生理过程的基础,并在药物开发中发挥关键作用,在当前的上市药物中,三分之一以上是以GPCRs作为靶标的[2]。尽管近年来X-ray晶体学和冷冻电镜的迅速进展使这些复合物的结构表征成为可能,但这些方法依赖于所形成复合物的稳定性,并且常常只有刚性部分的结构细节才能在高分辨率下呈现。作为溶液相蛋白结构解析和动态性检测的有力工具,核磁共振(NMR)可以检测与瞬态复合物形成相关的关键信号,尤其是提供复合物柔性区域的动态结构信息,这是其他结构学方法所不易获得的。然而,由于通常的核磁共振实验中,对于分子量较大的蛋白样品进行信号峰的归属是一项复杂的甚至是困难的工作,而且需要相当多的样品量和长时程的检测,这项技术仍然难以广泛的应用于GPCRs信号复合物的相关研究[3],复合物结构和动态信息的缺失成为以GPCRs为靶标进行合理药物设计(Rational Drug Design,例如设计Arrestin蛋白功能偏向性的GPCR配体)的障碍[4-7]。因此,在本文中我们建立了一种新的策略:利用基于密码子扩展的非天然氨基酸(UAA)插入技术,在细胞内将4-三甲基硅基苯丙氨酸(TMSiPhe)特异性的引入到Arrestin蛋白特定位点,以三甲基硅基团作为核磁共振氢谱探针,检测GPCRs-Arrestin信号复合物的构象变化。TMSiPhe所具有的独特的核磁共振氢谱化学位移和高强度的共振吸收信号使其在很低的蛋白质浓度下(5～10μM)易于识别,采样时间甚至可以缩短到数分钟。并且该探针对结构的变化相当敏感,可以检测到蛋白质的活性状态,并测定相互作用的亲和力。进一步的,在配体/GPCRs/Arrestin信号复合体中检测到了受体跨膜核心(TM Core)区域对Arrestin蛋白构象的直接调控作用,这表明开发设计Arrestin蛋白偏向性的GPCRs配体可以避开内源性的偏向性途径(如不同细胞环境下GRK表达差异)。因此,我们新开发的策略,在关于GPCRs信号复合物的构象变化研究中具有独特的优势,为理解GPCRs的功能和合理设计具有作用偏向性的药物可提供结构数据。伴随GPCRs及其复合物的重组表达与纯化技术,细胞膜环境模拟技术,以及非天然氨基酸真核筛选系统和NMR脉冲序列的进一步成熟完善,TMSiPhe作为核磁探针将具有更为广阔的应用前景。另外值得注意的是,这也是有机硅化合物第一次作为基石在细胞内参与构成蛋白质,并且通过对进化筛选得到的氨酰tRNA合成酶进行X-Ray晶体衍射,获得了关键的结构信息,对蛋白酶的进化筛选工作以及硅掺杂生命的相关研究同样意义重大[8]。