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Science:中科院吴蓓丽等人冷冻电镜解析胰高血糖素受体结构,揭示G蛋白选择调控机制

作者: 中科院上海药物研究所

时间: 2020-03-20 20:46

今天,中国科学院上海药物研究所吴蓓丽研究组、赵强研究组与中国科学院生物物理研究所孙飞研究组和澳大利亚莫纳什大学 Denise Wootten 研究组合作,在 G 蛋白偶联受体(G protein-coupled receptor,GPCR)结构与功能研究领域取得又一突破性进展。

联合团队解析了人源胰高血糖素受体(Glucagon receptor,GCGR)分别与激活型 G 蛋白(Gs)和抑制型 G 蛋白(Gi)结合的复合物三维结构,这是首次测定一种 GPCR 与不同类型 G 蛋白结合的复合物结构,阐明了受体与不同 G 蛋白的精细结合模式,并揭示了 GPCR 对 G 蛋白的选择性机制,为深入认识 GPCR 的细胞信号转导机理提供了重要的依据。

相关研究论文于北京时间 2020 年 3 月 20 日以长文(Research Article)形式发表在国际顶级学术期刊 Science 上。

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GPCR 在细胞信号转导中发挥重要作用,与人类疾病密切相关,是最大的药物靶标蛋白家族,目前 40% 以上的上市药物以 GPCR 为靶点。GPCR 发挥的生理功能在很大程度上由其所激活的细胞内效应蛋白(G 蛋白等)决定。

根据其介导的下游信号通路,G 蛋白可分为 Gs、Gi、Go 和 Gq 等类型,其中,Gs 和 Gi 被 GPCR 活化后,分别激活和抑制腺苷酸环化酶,产生相反的生物学效应。研究表明,不同 GPCR 可选择性激活一种或多种 G 蛋白,但一种 GPCR 如何识别不同类型的 G 蛋白一直未被清晰阐明,制约了对于 G 蛋白选择调控机制的深入理解。

上海药物所吴蓓丽和赵强研究员联合研究团队及国内外合作者,通过多学科的紧密合作与艰苦攻关,利用单颗粒冷冻电镜技术,成功测定了胰高血糖素受体 GCGR 与其天然配体胰高血糖素以及 Gs 或 Gi 结合的两个复合物结构。

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胰高血糖素受体 GCGR 的三维结构示意图。GCGR 参与调节人体内血糖稳态,是治疗 2 型糖尿病药物的重要靶点。图中左上角 GCGR 的三维结构以蓝色飘带图显示,GCGR 的天然配体胰高血糖素以红色飘带显示;图下方为与 GCGR 结合的两种 G 蛋白,以表面图显示,其中,Gs 蛋白的三个亚基分别用橙色、灰色和蓝色显示,Gi 蛋白的三个亚基分别用红色、灰色和蓝色显示(图片由中科院上海药物所吴蓓丽研究组提供)

GCGR 属于 B 类 GPCR 家族,对于维持人体血糖稳态发挥关键作用,是治疗 2 型糖尿病药物的重要靶点。GCGR 主要通过激活 Gs 蛋白行使其功能,但越来越多的研究表明,该受体也可与 Gi 和 Gq 等其他类型的 G 蛋白作用,产生不同的生物学效应,体现了 GPCR 信号转导过程的复杂性和多样性。

2017 年以来,上海药物所研究团队合作陆续解析了 GCGR 全长蛋白分别与小分子抑制剂和多肽激动剂结合的复合物晶体结构,极大地促进了对 B 类 GPCR 信号识别和调控机制的认识。此次,该科研团队乘势而为,进一步测定了 GCGR 与不同效应蛋白复合物的三维结构,对于全面阐释该受体蛋白的信号转导机制具有重要意义。

基于以往的 GPCR 结构研究,人们普遍认为 GPCR 通过调节第六跨膜螺旋(TM6)向外迁移的幅度改变其 G 蛋白结合口袋的大小,实现与不同类型 G 蛋白的结合。

与这一传统认知不同,GCGR-Gs 和 GCGR-Gi 复合物结构显示,GCGR 以一个相似的 G 蛋白结合口袋与这两种功能相反的 G 蛋白结合。与已经解析的 A 类 GPCR 与 G 蛋白的复合物结构相比,GCGR 的 G 蛋白结合口袋开口更大,不仅可以满足体积较大的 Gs 蛋白的结合,而且能够容纳体积较小的 Gi 蛋白,这种利用相似结合口袋识别不同 G 蛋白的分子机制可大大提高 GPCR 激活多条下游信号通路的效率。这一发现极大地深化了人们对 GPCR 信号转导机制的认识。

虽然与 Gs 和 Gi 结合时,GCGR 形成的 G 蛋白结合口袋大小相似,但其与两种 G 蛋白的相互作用模式差异巨大。GCGR 与 Gs 相互作用界面的面积是其与 Gi 作用界面的两倍,使得该受体与 Gs 的亲合力高于 Gi,这为 GCGR 主要通过 Gs 进行信号转导提供了结构基础。

此外,研究发现,在这两个复合物结构中,受体分子胞内侧环区(Intracellular loop,ICL)存在较大的构象差异,三个胞内环(ICL1-3)在与不同 G 蛋白结合时发挥着不同的作用。其中,第二胞内环(ICL2)的构象差异最为显著,该区域与 Gs 紧密结合;而受体与 Gi 结合时,ICL2 向受体一侧偏移,仅与 Gi 形成微弱的相互作用。

该合作攻关团队综合利用氨基酸突变、G 蛋白激活和细胞信号转导等研究手段,针对 GCGR 与 G 蛋白作用界面上的数十个关键氨基酸进行检测,研究它们对 Gs 和 Gi 活化的影响。实验结果表明,GCGR 的 ICL2 和第七跨膜螺旋与第八螺旋之间的连接区域对于识别 Gs 蛋白发挥关键作用,而受体的另外两个胞内环(ICL1 和 ICL3)和 G 蛋白结合口袋内的疏水氨基酸则对于结合 Gi 蛋白至关重要。

这是首次在一种 GPCR 分子中明确不同类型 G 蛋白的识别关键区域,对于深入研究 G 蛋白的选择性调控机制意义重大。此外,这些发现为偏向性配体药物的设计提供了重要依据:通过选择性抑制其中一种效应蛋白的活化,有效降低药物副作用,将推动抗 2 型糖尿病药物的研发。

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该研究论文的第一作者是中国科学院上海药物研究所乔安娜博士和韩硕博士、中国科学院生物物理研究所研究生李新美、复旦大学药学院研究生李志鑫和澳大利亚莫纳什大学赵佩珅博士;该项目的主要合作者还包括莫纳什大学 Patrick M. Sexton 教授、上海药物研究所王明伟研究员、杨德华研究员以及丹麦诺和诺德公司 Steffen Reedtz-Runge 博士等。该研究得到了科技部、国家自然科学基金委员会、中国科学院、上海市科学与技术发展基金和澳大利亚国家健康与医学研究委员会等部门的资助。

本文内容来源:中科院上海药物研究所;供稿部门:吴蓓丽课题组;供稿人:吴蓓丽

论文原文链接:

https://science.sciencemag.org/content/367/6484/1346

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[关于转载]:本文由中科院上海药物研究所吴蓓丽课题组供稿。转载本文请联系原作者获取授权,转载仅限全文转载并保留文章标题及内容,不得删改、添加内容绕开原创保护,且文章开头必须注明:中科院上海药物研究所吴蓓丽课题组供稿。谢谢您的合作。

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