G蛋白偶联受体(GPCRs)响应细胞外刺激从而调节多种生理功能。重复或连续的激动剂刺激会导致G蛋白异源三聚体介导的cAMP信号传导迅速返回基础水平,这是GPCR脱敏的一个非常保守的过程。该反应涉及受体磷酸化,GPCR和G蛋白的解偶联以及β-arrestin的结合与受体内吞。先前的研究报道了部分激动剂引起的GPCR脱敏作用少于完全激动剂。值得注意的是,GPCR的脱敏反应在调节受体激活以及GPCR靶标药物设计中起着至关重要的作用。然而,由部分或完全激动剂诱导的GPCR脱敏在结构方面的信息仍然十分匮乏。β2-肾上腺素能受体(β2AR)是一种典型的ClassA家族的GPCR。大量研究显示部分激动剂引起β2AR脱敏降低的原因是β2AR的第三细胞内环(ICL3)和羧基末端尾部(C-tail)磷酸化减少。最近发现部分激动剂沙丁胺醇引起(β2AR磷酸化的初始速率要比完全激动剂(例如肾上腺素和异丙肾上腺素)慢,并且显著降低受体的脱敏性,表明部分和完全激动剂可能诱导了 GPCR的独特激活构象。本文的第一部分我们通过亲和纯化技术分别得到了β2肾上腺素受体和G蛋白异源三聚体,并在加入部分或完全激动剂的条件下将其组装成复合物。我们使用单颗粒冷冻电镜技术解析了与部分激动剂沙丁胺醇或完全激动剂异丙肾上腺素结合的β2AR-Gαsβγ复合物的三维结构。这项工作首次对GPCR的激动剂依赖性构象差异提供了结构见解。这两个结构分辨率分别为3.26A和3.88A。与异丙肾上腺素结合的β2AR相比,我们在沙丁胺醇结合的β2AR 口袋中观察到了沙丁胺醇的水杨苷基团与β2AR之间较弱的氢键网络和疏水相互作用。这一差异可能导致了沙丁胺醇较弱的亲和力和脱敏性。此外,有两种分子开关与受体TM6的移动有关,分别称为旋转开关和离子锁。与完全激动剂异丙肾上腺素相比,部分激动剂沙丁胺醇不会触发TM6中的旋转异构体拨动开关,而只会破坏TM3和TM6之间的离子锁,这可能进一步导致沙丁胺醇的功效降低,从而降低其脱敏性。在β2AR-Gs蛋白的结合界面中,部分激动剂沙丁胺醇结合的β2AR-Gs复合物结构的第二个细胞内环(ICL2),第三个细胞内环(ICL3)和β2AR之间的相互作用更为紧密。其诱导的紧密相互作用可能导致磷酸蛋白激酶PKA对受体的亲和力降低,细胞内环的磷酸化减弱以及随之而来的抑制蛋白结合力减弱和脱敏作用降低。这些发现无疑将丰富我们对β2AR脱敏与部分或完全激动剂结合之间关系的结构见解,这对于GPCR的药代动力学分析和靶向药物开发都非常重要。本文的第二部分我们利用冷冻电镜技术解析了植物钾离子通道KAT1的三维结构。植物利用钾离子来维持静水压力,驱动不可逆的细胞膨胀以促进生长,并促进保卫细胞体积的可逆变化,从而导致气孔打开或关闭。植物中钾离子的吸收和循环依赖钾离子通道,以促进钾离子在细胞膜上的转移。KAT1是拟南芥的一种内向整流的钾离子通道,介导K+流入,主要在保卫细胞中表达,在调节植物叶片表面气孔的孔径中起关键作用。KAT1具有反向电压依赖性,这意味着它在去极化时关闭,而在超极化时打开。在这类超极化门控离子通道中,电压传感器控制的基础结构机理研究较少。我们将KAT1和辅助亚基KAB1克隆到pFastBac双载体中进行表达。经过亲和纯化和电镜数据的收集与处理,我们最终得到了分辨率为3.2A的KAT1的低温电子显微镜(cryo-EM)结构。但是辅助亚基KAB1在冷冻制样过程中解离。该结构表明,KAT1是一个同源四聚体的钾离子通道,包含一个短的非螺旋S4-S5连接子,该连接子有助于每个亚基中的非结构域交换。电压敏感的S4螺旋(带正电荷的残基主要分布在螺旋的下部)被认为有助于通道的超极化门控。KAT1结构的解析提高了我们对超极化激活离子通道门控特性的了解,并为植物钾通道的结构和功能分析提供了方向。