本篇译自Structure-Function of the G Protein-Coupled Receptor Superfamily
开年第一篇，选了一个几乎陌生的结构学领域长达20页以上的文章，看来我确实干劲十足。
文章的总结内容移至文首，对这个话题感兴趣的话可以继续看正文部分，并希望不吝指正。只想有所了解的，看完摘要就可以点赞离场了
SUMMARY POINTS
1. 近年来GPCR结晶学突破不断，呈现出指数级增长，未来大部分subfamily的GPCR结构将被解出。
2. GPCR结构-功能是一个颇具挑战的领域。最佳研究方式是多领域合作。
3. 不同活性状态的GPCR的晶体结构为生物化学、生物物理及生物信息学研究GPCR功能和动力学提供了原子水平的3D模型。
4. 所有GPCR都有7次跨膜结构，但是， 它们的结构、动力学特征、配体选择性、调控因子以及下游信号分子却千差万别。不同class和subfamily的GPCR尤其如此， 即使同一subfamily序列相似性60％的GPCR也有很多结构可以选择。
5. GPCR激活的过程有很多关键变化，如螺旋的位移、侧链的微开关以及Na+/水簇的潜在重排，通过特定的配体-受体结合（比如触发器），胞内侧的构象发生温和改变。不同配体不同GPCR的触发器也多种多样。特定的配体选择特定的触发器这一点也验证了信号应答中受体构象和功能变化的的异质性。
6. GPCR调控和Crosstalk中发现同源二聚体、异源二聚体和寡聚体多种形式。晶体结构揭示了同源二聚体接触面的更多细节，不过还需要更多生化和生物物理学的进一步研究，以理解它们的功能关系。
7. 晶体结构揭示了胞内离子、脂、胆固醇和多肽以及合成分子对GPCR的别构调控，这对GPCR功能和药物应答的了解十分有益，同时也说明GPCR是一个复杂的别构机器，不仅仅受控于药物配体。
8. 计算机模拟GPCR结构-功能关系是目前研究GPCR的重要手段，它可以填补GPCR超家族和分子水平相互作用的空白区域，并为药物研发提供了平台。
FUTURE ISSUES
1. 全面理解GPCR至少需要解出100个有代表性的结构。理解配体选择性和药物选择结构基础还需要更多丰富的细节。
2. 除了拮抗剂结合GPCR的非活性受体复合物的结构，活性状态的激活剂-GPCR复合物的结构对全面理解结合口袋中配体特异性的构象改变和信号转导尤为重要。
3. 晶体结构和纯化蛋白的获得为使用各种生物物理学技术，如核磁共振、氢氘交换、电子磁共振、荧光和生物发光谱、时间分辨单分子技术等等，研究GPCR动力学以及构象性质打开了一扇大门。
4. 为进一步研究β-arrestin和G蛋白在不同受体选择性的结构基础，更好地理解信号传导偏向以及GPCR药物的药学性质并开发出更好的候选药物，结构学、生物物理学、信息学工具缺一不可。
5. GPCR能被离子、脂、胆固醇和水别构调节的发现拓展了我们对于GPCR功能机制的理解，并将促进新型别构药物的研发。
6. 受体寡聚化以及同源或异源的另一半聚体是否功能相关，再次成为有争议的话题，有待于体内体外的补充性数据进一步澄清。
7. 如果有一天我们真正了解了受体是怎么工作的，我们必然能够理性设计药物来控制它们的功能。把结构学知识应用到结构为基础的药物发现领域仍然任重道远。
摘要
过去几年（文章发表于2012年），大量G蛋白偶联受体(GPCRs)通过结晶被解析出结构，新发现的16个不同受体结构中，有9个确立于2012年。视紫红质、肾上腺素和腺苷受体系统也被称为配体激活系统，它们都包含可以与β2-肾上腺素受体结合的受体-G蛋白复合物。生化和生物物理技术，如核磁共振和氢-氘交换与质谱联用，为配体依赖的不同功能状态之间的动态平衡提供了补充信息。高分辨率结构揭示的其他细节说明受体具有别构功能，不仅受配体控制，还受离子、脂类、胆固醇和水的控制。丰富的数据帮助我们更好地了解GPCR，如GPCR如何识别如此多样化的配体，以及它们如何在30埃的细胞膜间传递信号，同时也揭示了GPCR变构调节和GPCR信号通路的结构基础。
前言
GPCR是哺乳动物基因组中最大的蛋白超家族，没有之一。它们都有七次跨膜(7TM)的拓扑结构，传导从光子和小分子到肽和蛋白质等多种胞外信号。种类众多的配体对应了数量庞大的GPCR。人源GPCR超过了800种，分为5个家族以及众多序列相似度不同的亚群。GPCR介导的信号转导涉及最基本的生理过程，包括视觉、嗅觉和味觉以及神经、心血管、内分泌、生殖等等，这也使得GPCR成为药物研发的主要靶标。目前针对GPCR的药物发现致力于已有的50个GPCR靶标并在不断扩大这个靶标列表。除了激动剂、拮抗剂和逆激动剂之外，如今药物学倾向于变构和/或功能选择性分子的研发，这类分子偏向于G protein激活或β-arrestin激活的下游信号通路。
2007年之前，人们通常采用生物物理学和生物化学的方法探查GPCR的结构和功能，从头开始或基于rhodopsin的建模进行解释。蛋白质工程和晶体学的发展带来了GPCR结构解析的指数级增长。最初，大部分GPCRs使用拮抗剂或逆激动剂以稳定结构，数据呈现出的是非激活状态下的GPCR结构，因为活性状态下构象的可塑性和异质性为结晶带来额外的挑战。
2008年首次发现了无配体视紫质(opsin)的激活态晶体结构。其他如结合了激动剂稳定构象的视紫红质结构、腺苷受体(A2AAR)以及β2-adrenergic受体(β2AR)，后者还可以与异源三聚体Gs蛋白或纳米抗体结合，这些激活和非激活状态的晶体结构的解析，结合生化方法和光谱学方法，对GPCR构象变化和动力学研究大有助益。
本篇综述讨论了近期结构和生物物理研究如何有助于我们理解GPCR生物功能：分子相互作用、亚型、配体的选择性功能、激活机制和构象动力学等方方面面。另外还概述了研究GPCR信号机制和利用它们进行药物发现的趋势和未来。
GPCR超家族的结构概述
GPCR结构表征的最新进展
直到2007年，高度多样化的GPCRs的结构信息仅限于牛视紫红质(A类)和分泌素(B类)胞外结构域和谷氨酸(C类)家族的晶体结构。而到了2012年11月，这一数字迅速增加至16个不同A类GPCRs的结构(图1和表1)。大约一半解出的结构是胺能受体，即可以结合单胺神经递质和乙酰胆碱的A家族GPCR的α-group，其在传统的药理学和药物开发中发挥了关键作用。这些受体包括β-adrenergic受体β2AR和β1AR；组胺H1受体(H1R) ；多巴胺D3受体(D3R) 和两个毒蕈碱乙酰胆碱受体，M2和M3。其他α-group结构包括A2AAR和sphingosine-1-phosphate受体1 (S1P1)。
除了α-group，A类GPCR的γ-group中也有几个肽结合受体的结构被解出。包括趋化因子受体CXCR4，κ-opioid受体(κ-OR)，μ-opioid受体(μ-OR)，δ-opioid受体(δ-OR)和nociceptin/orphanin FQ肽受体(NOP) 。最近，A类GPCR的β-group的神经降压素受体1的结构发布出来，另外，一个δ-group的酶解激活受体的结构也被解析出来。
阿片受体亚族中全部四个亚型都已被解析出来，其次是β-adrenergic受体(三个亚型有两个被解析出来)和毒蕈碱的乙酰胆碱受体(五个亚型中两个解析出来)。其他已解的结构都是各自亚族的单一代表。A类GPCR的group中，α-group的结构信息最全，已解出的九个结构分属于七个不同的亚族，几乎占据所有亚族类型的一半。与此同时，γ-group已解出的结构仍然稀少，而其他β-和δ-groups以及其他GPCR类的结构仅有个例。
一些GPCRs，如视紫红质，β2AR，β1AR，A2AAR和趋化因子受体CXCR4，已经与不同配体形成复合物进行共结晶，或者采用其他方法维持稳定并结晶。一个重要发现是同一受体的多个非活结构之间的构象差异很小(all-atom root mean-square deviation (RMSD) < 0.8埃(A)，胞内loop2和3除外)，这意味着受体大部分关键的特异性结构特征都保存完好。这为不同GPCRs之间以及不同受体功能状态之间的结构比较奠定了重要的基础。在GPCR结合口袋中进行适当水平的拟合也是将该结构有效应用于合理药物发现的关键。采用这种方法，β2AR、A2AAR、H1R、D3R和趋化因子受体CXCR4等新型拮抗剂虚拟筛选的准确率达到了20-70％，针对腺苷受体的基于fragment寻找已有激动剂的衍生物也有较好的效果。
GPCR亚族和亚型的结构多样性
虽然所有GPCRs都有七次跨膜结构，但是人源GPCRs的五个主要家族(图1)几乎没有序列同源性(SI)，胞外N端结构域也完全不同（跨膜区域的序列相似度＜20％)。人体中最大和最多样化的视紫红质家族包含大约700个GPCRs，其中α-δgroup的SI≥25%。
每个subgroup包含大量subfamily，同一subfamily中的subtype序列同源性更高（SI≥30%），配体选择性也类似。分析不同层级GPCR的结构多样性显然更有价值。同一subfamily中subtype的结构相似性达到了同源建模的标准。我们基于盲建模和对结果的初步评估表明，基于35-40% SI的同源模型对配体锚定的判断足够准确。最近这类应用于D3R拮抗剂的虚拟筛选模型以及腺苷受体亚家族的配体选择性分析进一步证实了这一点。以SI=35％为截止值的同源性建模粗略估计出，已有的16个GPCRs晶体结构可以覆盖12%的GPCR树，并且至少需要100个精心挑选的代表性受体才能够覆盖到整个家族。
重要的是，不同subfamily或group之间的结构差异要比subfamily内部的差异大得多。结晶学揭示的最显著的多样性是在细胞外loop区域，该区域呈现多样的二级结构和二硫键交联模式。七次跨膜区域也表现出多样性，包括脯氨酸和非脯氨酸结合凸起，π-helices等等，导致胞外TM螺旋高达∼7˚的偏差。最重要的是，这些细胞外loop、TM螺旋和侧链的变化，在不同的subfamily中表现为配体结合口袋大小、形状和静电特性的显著变化，反映了相应配体的多样性。
S1P1、毒蕈碱乙酰胆碱受体和阿片受体的结构测定，进一步增加了结构多样性的例子。例如，脂质激活的S1P1的结构揭示了其胞外loop2和N末端的独特结构，它完全封闭了细胞外进入结合口袋的入口。虽然视紫红质也有覆盖口袋的胞外盖子，S1P1的主体结构完全不同：胞外loop2缺乏二级结构，与螺旋III结合的二硫键缺失（该二硫键在其他GPCR中高度保守），从而在N末端形成一个覆盖住结合口袋的α-helix。与S1P1配体的高亲脂性相一致，该结构揭示出螺旋I和螺旋VII之间的“侧”开口是配体从脂双层直接进入口袋的通道。与之相对，进入毒蕈菌M2和M3受体的结合口袋则受几个大型芳香残基的严格控制。这使得受体胞外loop中产生了一个独立的变构口袋，它可能在配体结合动力学中发挥作用，并可容纳变构调节或一个延展的双向配体。
阿片受体subfamily结构
阿片受体subfamily的结构突破了GPCRs结构的保守性和多样性边界。阿片受体结构被发现是趋化因子受体CXCR4A之外的第二个GPACRγ-group成员，尽管两者之间序列同源性不足27%，但他们都有类似的胞外loop形成的β发夹，这是常见的GPCR肽结合位点。相比之下，阿片受体跨膜区域在结构上则更接近胺能受体。例如，所有阿片受体都具有相同的天冬氨酸残基[Asp3.32]，该残基也完全保存在胺能受体中；在这两个家族中，Asp3.32的酸性侧链是配体结合和受体激活的主要盐桥锚。
有趣的是，阿片样受体NOP与经典的μ-OR、κ-OR和δ-OR虽然序列同源性高达60%，却表现出不同的配体选择性：它不结合小分子吗啡衍生物，却能结合内生吗啡肽。这一变化与NOP结构的重组表现是一致的，配体结合口袋处的少量关键残基发生了改变，从而主体结构构象改变，包括螺旋V和VI的改变。这在其他GPCR亚型中比较罕见。例如，β2AR和β1AR之间，以及毒蕈碱的M2和M3受体，其侧链的核心结合口袋具有相同的或是类似的构象。NOP与经典阿片受体的这种差异，伴随着配体选择性的改变，揭示出了哺乳动物基因组中GPCR进化的高度动态性。
GPCR激活的结构框架
多种生化、生物物理和结构数据显示，大多数GPCR都存在一个失活和激活状态的动态均衡，它还可以在G蛋白三聚体存在的条件下进一步转化为信号状态。无配体结合的受体状态分布可以有很大的差异，这反映了它们基础活动的不同水平。反向激动剂使平衡向非活性状态转移，降低基础活性水平，而中性拮抗剂不影响基础平衡。激动剂的结合使平衡向激活状态转移，激活状态的特征是受体胞内一侧的构象剧烈改变。视紫红质、A2AAR和β2AR的晶体结构反映出这五种功能状态截然不同的构象。
跨膜螺旋的大规模重排
值得注意的是，尽管受体各不相同，它们非活性和活性状态结构的差异揭示了受体激活相关的胞内构象变化的共同特征。细胞内螺旋最常见的显著重排包括螺旋VI的向外“摆动”和螺旋V的运动，这是此前提出的全局切换机制的一部分。不同GPCRs或不同的激活状态下，这种运动的幅度也不相同，例如，A2AAR (R)细胞内的螺旋VI移动3.5∼˚，视蛋白(R, R∗)∼6˚，而nanobody β2AR复合物和G蛋白(R∗G)分别高达11˚和14˚。此外，RG信号状态下螺旋V和VI在胞内侧的最终位置似乎在很大程度上被G蛋白释放GDP时本身的剧烈重排所控制。
螺旋III和螺旋VII在这三个受体的激活过程中也经历了大量的重新排列，其中，A2AAR与激动剂结合过程中该区域变化最为明显。这些观察结果表明，螺旋V和螺旋VI的运动对于G蛋白的结合和激活非常必要，并且可能在所有A类GPCRs中都是保守的。螺旋III和螺旋VII的运动更可能依赖于特定的受体和配体，尽管它们在G蛋白激活中的作用尚不清楚，但它们可能有助于G蛋白独立的信号通路，如下所述。
GPCR激活中保守的微开关
GPCR激活过程中螺旋的整体运动常常伴随着胞内部分的微开关的开启。微开关的特征是高度保守的侧链发生旋转改变稳定螺旋的整体运动，帮助GPCR胞内侧启动G蛋白结合。螺旋III中的D[E]RY序列是A类GPCRs最保守的基序之一，其中Arg3.50残基(A类GPCRs中96%的保守性)与邻近的酸性侧链Asp(Glu)3.49 (Asp 68%，Glu 20%)形成盐桥，目前在所有非活性结构中均被发现。有趣的是，β2AR-nanobody复合物以及激活态下的A2AAR结构中Arg3.50-Asp3.49盐桥仍然完好。只有在激活态下的视紫红质(R∗)和β2AR (R∗G)结构中盐桥不见了——Arg3.50胍基改变旋转构象从而与Gα亚基的C端螺旋结合，这提示Arg3.50开关需要G蛋白的存在。
Arg3.50侧链也可以与Asp6.30形成一个螺旋间盐桥，称为离子锁，它连接螺旋III和VI的细胞内末端。离子锁首次发现于牛视紫红质的未知结构，起到稳定失活状态的作用。它的稳定作用在其他GPCR中可能不明显，因为它在许多GPCR结构中不存在，包括那些拥有完整胞内loop结构的GPCR，计算机模拟表明这种相互作用具有高度动态的性质。此外，仅有30%的GPCR含有6.30位酸性残基，例如，趋化因子受体就不存在该残基。相反，一些晶体结构揭示出螺旋VIArg3.50支链与其他极性残基之间有氢键作用，比如-κ-OR和μ-OR中的Thr6.34，这些氢键也可能在受体信号调节中发挥作用。
NPxxY基序位于螺旋VII的胞内末端附近，含有高度保守(92%)的Tyr7.53，是GPCRs中主要的激活微开关。在未激活态的GPCR结构中，Tyr7.53的侧链指向螺旋I、II或VIII。相比之下，所有的GPCR晶体结构中，Tyr7.53侧链改变其旋转构型，指向跨膜螺旋束的中轴，与螺旋VI和III的侧链相互作用。激活态的β2AR和视紫红质结构中，Tyr7.53羟基也可能与另一个可能的微开关Tyr5.58（保守性达89％）形成一个水介导的氢键。有趣的是，在所有三种激活模式下Tyr5.58侧链的表现都不同：在视紫质中，它从螺旋束的外侧转到内侧；在A2AAR中，它从内侧转向外侧；在所有β2AR复合物，它保持在螺旋束内部不动。此外，Tyr5.58突变为丙氨酸会导致β1AR始终处于无活性状态，毒蕈碱的M3受体和促甲状腺素受体的基础活性下降，不过，这个GPCRs残基的精确作用还需要进一步研究。
配体依赖的GPCR激活开关
GPCR激活最有趣的问题之一是在高度多样化的胞外结合口袋中，不同配体的结合如何转化为不同GPCR胞内侧的相似的大规模重排？识别控制受体功能状态之间平衡的特定的配体-受体相互作用或触发器，对于理解和设计高效激动剂——包括那些具有选择性的激动剂，也称bias——是至关重要的。通过比较多个激活态和非激活态的结构，较好地揭示出每个受体结合口袋中残基的改变。这些结合口袋中配体依赖的变化也与特定的配体相互作用一致，它们在不同受体之间的作用机制也有显著差异。下面简要讨论一些触发器示例，其他的触发器还有待发现，尤其是肽和/或变构配体调节的GPCR。
结合口袋中配体依赖的重组最典型的例子就是位于螺旋VI保守CWxP基序的Trp6.48残基的位移。这个侧链之前被认为是微开关，但晶体结构显示受体激活的过程中该残基没有发生旋转。此外，在未激活的毒蕈菌M2和M3受体结构中观察到Trp6.48侧链的一种修饰的旋转状态，表明Trp6.48的旋转状态不一定与受体的功能状态相关。另一方面，晶体结构表明Trp6.48在某些GPCRs中作为主要的配体依赖触发器发挥着重要作用。A2AAR和视紫红质激活态的结构显示出的Trp6.48侧链与受体激动剂的直接立体交互作用，稳定了Trp6.48的移动和螺旋VI相应的摆动运动。相反，与逆受体激动剂的直接作用，Trp6.48被固定在非激活的位置，这在视紫红质—11-cis-retinal ，A2AAR-ZM241385和组胺H1-doxepin复合物中都有发现。
不像A2AAR和视紫红质，β2AR和β1AR结构缺乏联系Trp6.48侧链和受体激动剂或逆受体激动剂的作用。相反，促进β2AR第六螺旋运动的构象变化很大程度上取决于受体激动剂与Ser2035.42和Ser2075.46的极性作用以及胞外螺旋V部分内转的稳定，这与最初按照β2AR非激活结构模型的预测一样。已经解析出的激活态β2AR晶体结构揭示出更多构象变化的细节。因此，Trp6.48的作用并不普遍，即使是在目前已知的三种GPCR激活模型中也是如此；此外，大约30%的A类GPCRs在6.48位置有不同的侧链。
结合口袋中构象变化的另一个位点位于螺旋III和VII，在所有三种GPCR激活模型中，螺旋III和螺旋VII都是由配体介导的强相互作用连接起来的。然而，对于不同的受体，这个位点变化的细节有很大的不同。对视紫红质来说，光激活导致连接视网膜的Glu1133.28和Lys2967.43席夫碱之间的盐桥断开，进而螺旋III和VII之间的距离增加了大约2 - 3˚。相反，在A2AAR中，激动剂的核糖环与Thr883.36、Ser2777.42 / His2787.43形成强氢键网络，与结合逆激动剂相比，螺旋III和VII之间的距离减少∼2˚。在β2AR与激动剂和拮抗剂复合物中，Asp1133.32和Asn3127.39通过乙醇胺尾巴连接，且两种状态下，残基之间的距离没有大幅变化。
通过对受体动力学敏感的生物物理方法，我们可以进一步了解这些和其他触发因素如何影响信号(包括偏置信号)。G蛋白结合和传导β2AR-Gαβγ信号的复合物结构显示出一系列额外的受体构象变化，主要由整个Gαβγ参与和激活。Rasmussen等人提出，类似于Gα C端肽插入视紫红质结构，最初Gαs c端α5-helix能够插入β2AR胞内螺旋，也是抓住了短暂开启的空间。其他受体-Gαβγ相互作用引发如下系列事件：Gαsα5-helix发生大约30的crowbar-like旋转、β6-α5 loop重塑、GαAH域戏剧性的旋转和GDP的释放。这些重组显然促进β2AR螺旋V和VI位移，螺旋VI弯曲并急剧向外，与非活性状态相比，移动距离高达14˚。
β2AR-Gαβγ晶体结构也揭示出β2AR-Gα蛋白之间的大界面，参与其中的有胞内loop2和螺旋V和VI、α4α5螺旋、αN-β1结和GαsRas的β3链。值得注意的是，结晶学解出了部分缺乏Gβγ亚基相互作用的受体结构。可能需要其他的GPCR-G蛋白复合物的结构来解释对GPCR对Gα亚型的选择性，因为不同受体的调节情况可能不同。复杂的结构中也没有发现任何G蛋白与β2AR螺旋VII和VIII接触，这表明这些螺旋中激活相关的变化可能对G蛋白信号传导不是必要的，但可能介导其他GPCR的相互作用，如与β-arrestins的相互作用。
变构和低聚的结构
变构调节GPCRs的结构基础
除了原位配体外，GPCR信号通路还受到多种内源性变构调节因子的影响，如调节蛋白、脂质和甾醇、离子。此外，合成的针对GPCR的变构和两亲性调节分子药物具有较好的亚型选择性和药物前景。晶体结构揭示了GPCRs中几个潜在的变构位点；如组胺H1胞外结构中的磷酸结合位点、β2AR中的胆固醇结合位点和D3R orthosteric位的可以成药的胞外延伸区。
失活的A2AAR1.8-A完美分辨率的结构为我们提供了GPCR变构调节的新观点：受体中有一个连接胞内外的紧密的充满水的通道。通道中部有一个小型变构口袋，容纳了一个Na+离子，周围环绕着10个结构水分子。口袋的胞外侧是Trp2466.48(A class GPCRs保守性为71％)，胞内侧是Tyr2887.53(92%)，以及参与水介导氢键网络的Asn241.50 (100%)、Asp522.50 (94%)、Ser913.39 (Ser: 53%, Asp: 26%), Asn2807.45(67%)和Asn2847.49(75%)。Na+对激动剂结合和激活的负变构调节作用在许多GPCR中都有发现，定向诱变初步判断Asp2.50残基与之相关。不过在以前的中分辨率结构中离子没有被发现。高分辨率的A2AAR结构揭示了保守的Asp522.50和Ser913.39残基与结构水协同的Na+离子的位置，充分证明了Na+离子对失活受体状态的稳定作用。此外，晶体结构分析表明，在A2AAR激活状态下，由于TM螺旋的运动，Na+/water口袋呈200到70 ˚A崩塌的趋势。崩塌的口袋不能提供足够的Na+配位，表明离子离开口袋，可能在激活时离开受体。
Na+/水囊中的氨基酸是A类GPCRs中最保守的空间簇，表明它们在受体功能中具有共同的作用。同时，这些残基的任何变化都会影响水簇和Na+离子，也可能改变不同GPCR的动力学和活化特征。有趣的是，尽管在大多数已知的GPCR结构中，Na+/水位点的胞外入口在一定程度上受到Trp6.48侧链的限制，但这一通道在毒蕈菌M2和M3受体中更为开放。进一步了解该口袋的结构和功能细节，将有机会利用变构分子或双亲分子靶向这一保守位点，例如amiloride类似物，增强受体在非活性状态下的稳定性。
最近的晶体结构也揭示了其他潜在的受体特异性变构位点，包括肌原性受体胞外loop中的一个“前庭”口袋，它可能结合一些已知的变构配体。高分辨率A2AAR结构显示出其中有一个胆固醇结合位点，与先前的β2AR明显不同。在A2AAR结构中，另一个有趣的发现是，Ile803.28和Val843.32残基之间的非脯氨酸结处插入了一个水分子，稳定了螺旋III的扭结构象。重要的是，在所有与激动剂结合的A2AAR活性态结构中，螺旋III的这一区域的扭结是完全伸直的，从而排除了水的结合。因此，该水结合位点的重排可能在腺苷受体亚家族的激活机制中发挥重要作用，并可通过配体支架的延伸与该位点相互作用来进行变构调节。
GPCR二聚化和寡聚化
虽然A类GPCRs可以有效地作为单体进行信号传递，但大量研究表明，许多GPCR中存在同型二聚体、异型二聚体和高低聚体，并指出它们在调控GPCR功能和crosstalk中的作用。使用原子显微镜，荧光共振能量转移(FRET)，生物荧光共振能量转移，交联，时间分辨光谱和分子建模等手段，这一现象已被广泛研究，结果系统地收集在GPCR-OKB数据库中(http://data.gpcr-okb.org/)。
而关于GPCR相互作用的高分辨率结构信息刚刚开始出现在晶体学研究中。四个不同的GPCR晶体结构，包括视紫红质、趋化因子受体CXCR4、κ-OR和μ-OR中，可以观察到大量平行的二聚体(> 600˚A2)的界面。总体而言，这些结构形成两群一样的对称界面，这与GPCR视紫红质、血清素5 ht2c、多巴胺D2、α1b-adrenergic、趋化C5a和趋化因子CCR5的生化数据是一致的。
第一群对称界面，称为界面A，主要存在于在视紫红质、κ-OR和μ-OR。它由螺旋I、II和VIII组成，包括细胞外和细胞内两个独立的相互作用集团。生物物理学研究表明，这种二聚模式对受体的激活不敏感，这与这些界面螺旋中与激活相关的构象变化最小相一致。第二组对称界面称为界面B，包括螺旋V和VI，在CXCR4-肽复合物中也包括胞内螺旋III和IV。μ-OR中观察到类似的二聚体，但是由跨膜螺旋V和VII参与的不同的界面。
界面B可能会阻碍受体激活，因为它的激活需要螺旋V和VI较大的构象位移。通过交替重复的模式，视紫红质高聚体能够兼容了界面A和B，不过这样的模式其他GPCR中是否通用还是未知。
GPCR的构象动力学和信号差异性
如上所述，GPCR的激活动力学特征是多种构象状态之间的复杂平衡，表现为显著的基础活性、变构调节因子的存在以及包括偏置信号在内的整个功能反应谱。要完全理解这些现象，就得去探索不同构象之间的平衡，这超出了晶体学方法的能力，因为晶体学方法提供的是一个非常详细但“冻结”的最低能量状态的图像。
各种生物物理方法在评估GPCR局部和全局构象变化方面显示出了实用价值，包括荧光光谱、双电子-电子共振、氢-氘交换耦合质谱和核磁共振(NMR)光谱。目前还在开发利用时间分辨单分子技术研究评估GPCR变化动力学的方法。三维结构允许优化的标签位置的设计，并为已有数据分析提供了一个结构框架。碳13NMR光谱可以测量β2AR晶体结构中连接loop2和3的盐桥，进而被用来评估GPCR胞外区配体依赖的构象改变。另一个核磁共振技术，利用19F标记敏感光谱，已经用于探测细胞内β2AR的动态变化。最值得注意的是，19F NMR光谱表明，螺旋VI和VII可以采用至少两个主要的缓慢改变(> 100 ms)的构象状态。这些状态之间的平衡受到配体结合的控制：拮抗剂和逆受体激动剂的结合使得β2AR处于非活动状态，部分尤其是全部结合激动剂将使平衡倾向于活性状态。
最引人注目的配体特异性例子是β-arrestin偏好的β2AR配体卡维地洛和isoetharine，与无偏好性的配体carazolol和异丙肾上腺素相比，前两者对螺旋VII的激活较后两者高出40%。这些变化结果表明，螺旋VI和VII的构象改变并不同步，卡维地洛和isoetharine介导的β-arrestin特异性信号通路中，螺旋VII的改变与信号紧密相关。FRET实验同样验证了β-arrestin介导的螺旋VII信号传导性质，β-arrestin与靠近螺旋VII的GPCRC端部分存在重要的相互作用，而在β2AR-Gαβγ信号复合物中G蛋白与螺旋VII直接到作作用在这里并不存在。
通过分子建模，包括构象选择和配体-受体对接，可以获得对GPCR功能的补充见解。另外，由于计算机能力的快速增长和并行化，在∼10-ms尺度上的无偏倚分子动力学模拟允许观察到较大的构象变化，如β2AR不同活性状态转换以及预测配体结合路径和动力学等等。通过进一步的受体动力学的结构、生物物理和信息学研究，包括时间分辨单分子研究，研究人员将能够描述不同GPCR中不同激活状态和亚状态之间的关系，通过偏置和/或变构配体选择性调节这些状态将成为可能。
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