G蛋白偶联受体 (GPCRs) 是细胞表面受体的最大家族，参与调控了多种生理过程，有超过40%的在售药物都以GPCR为靶点。Arrestins家族是一类在G蛋白偶联受体的信号传导中起关键作用的蛋白质，主要有四种，arrestin1，arrestin2（也被称为β-arrestin1）、 arrestin3、 arrestin4（也被称为β-arrestin2）。
在哺乳动物细胞中，arrestin 1和 arrestin3主要分布于视觉系统，β-arrestins（arrestin 2和 arrestin4）在各组织中广泛分布，它们在受体脱敏、受体内吞、蛋白酶体途径降解、细胞凋亡以及多种细胞信号转导中起着重要的作用。
根据与β-arrestins相互作用的强度，GPCRs被分为两类，A类GPCR与β-arrestins结合作用比较弱，在受体内化过程会释放β-arrestins，例如β2AR，B类GPCR与β-arrestins结合作用比较强，与受体一起参与内化过程，例如V2R。
目前的研究主要基于集合测量的模型，假设β arrestin从细胞质直接与质膜上的活性受体结合，并保持结合的状态至少直到到达网格蛋白包被小窝（clathrin-coated pits，CCP ）之前。然而最近的研究颠覆了这种认知，2023年5月11日，CELL上发布了Plasma membrane preassociation drives b-arrestin coupling to receptors and activation的论文，通过结多色单分子显微镜方法和分子动力学(MD)模拟，以20 nm的空间分辨率和30 ms的时间分辨率分析活细胞膜上受体与β-arrestins相互作用顺序，结果揭示了β-arrestins自发地与细胞膜预结合，然后通过横向扩散与受体进行高度短暂的相互作用，使得β-arrestins激活, 这进而延长了β-arrestins在细胞膜上的持续时间，使其能够独立于最初的、短暂的GPCR-β-arrestins复合物到达CCP。
GPCR与β-arrestins在细胞膜上的动态结合机制
研究团队基于详细的单分子测量，提出了一个修订的GPCR-β-arrestins相互作用的多步骤模型(图1:
图1
(1) β-arrestins通过其C端结构域自发地插入细胞膜
(2)在细胞膜上横向扩散
(3)通过横向扩散与活性受体短暂地(时间大概1秒)相互作用，β-arrestins随着指环区（finger loop）的延伸而激活
(4)活性构象的β-arrestins稳定在膜上
(5)活性构象的β-arrestins单独扩散到CCP
(6)通过与网格蛋白和AP2的相互作用被招募并集聚在CCP
(7)β-arrestins介导受体招募并集聚到CCP
细胞膜在β-arrestins与GPCR互作以及后续扩散中的作用
β-arrestins通过其C端结构域与脂质双分子层预结合，与细胞膜的预结合，使β-arrestins相对于细胞膜的整体朝向与后续GPCR-β-arrestins复合体的朝向类似；同时与细胞膜的预结合也能增加β-arrestins靠近受体的局部浓度；此外，与细胞膜的预结合，使得β-arrestins从细胞质中的3D扩散切换到细胞膜上的2D扩散，这可以减少到达受体所需的时间。这些都有利于GPCR-β-arrestins的相互作用。
与细胞膜预结合后，β-arrestins在细胞膜上横向扩散，β-arrestins与受体短暂结合并激活，相互作用后保持β-arrestins与膜结合，并且更加稳定，这对于其能单独到达CCP起到了重要作用。
GPCR与β-arrestins结合的新认知
关于GPCR与β-arrestins的结合，之前的研究主要是认为GPCR-β-arrestins复合物是相对稳定的，并一起到达CCP(A类受体)，甚至共同内化并保持在核内体(B类受体)中。然而该研究认为GPCR和β-arrestins结合可能至少发生两次，第一次是GPCR和β-arrestins分子短暂相互作用，导致β-arrestins激活，该过程是高度动态的，平均仅持续1秒；第二次是GPCR和β-arrestins在CCP中再次相遇，一旦GPCR和β-arrestins进入CCP，网格蛋白、AP2、PIP2的存在及其高局部浓度可能有助于进一步稳定受体-β-arrestins复合物，从而使它们能够有效地内化。
这表明了大多数受体和β-arrestins是分别扩散到CCP。此外，一个典型的受体在质膜上遇到多个β-arrestins分子，这表明了GPCR信号传导比以前认为的更动态的调节。
GPCR和β-arrestins的关键区域
该研究还探讨了GPCR以及β-arrestins一些结构域在该过程中的作用。
图2
β-arrestins与细胞膜预结合的关键区域是β-arrestins C端的loop结构域，分子动态模拟以及体外纯化β-arrestins与GUV相互作用实验（图2E）都表明这是自发发生的，在未刺激的细胞中发生率很低。
激动剂刺激能增加β-arrestins在质膜上的持续时间，这主要是由于激动剂刺激能使β-arrestins的finger loop延伸而激活，活性构象的β-arrestins与质膜分离的速度比非活性β-arrestins要慢得多，这是激动剂刺激后β-arrestins在质膜上积累的主要原因。因此，β-arrestins的finger loop是β-arrestins激活以及能集聚到CCP中的必要条件。
此外，β-arrestins PIP2结合位点虽然在膜锚定中不是必要的，但在促进受体-β-arrestin相互作用中起着重要作用。
通过对四种模型GPCR（β1AR、β2AR 、β2VR、V2R）与β-arrestins的研究结果，揭示GPCR完整的C端尾部和GRK依赖性磷酸化是GPCR与β-arrestins有效结合以及其在CCP中与β-arrestins共结合的必要条件。
总之，该研究直接观察活细胞膜上单个β-arrestins分子的整个生命过程，重新定义了GPCR与β-arrestins相互作用的模型，揭示了β-arrestins与脂质双分子层结合对GPCR与β-arrestins有效相互作用和其在细胞膜上集聚的关键作用。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.04.018
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