科學(xué)家揭示G 蛋白選擇調(diào)控機制

中國科學(xué)院上海藥物研究所吳蓓麗、趙強研究團隊與中國科學(xué)院生物物理研究所孫飛、澳大利亞莫納什大學(xué)Denise Wootten 研究團隊合作，在G 蛋白偶聯(lián)受體（GPCR）結(jié)構(gòu)與功能研究領(lǐng)域取得突破性進展：解析了人源胰高血糖素受體（GCGR）分別與激活型G 蛋白（Gs）和抑制型G 蛋白（Gi）結(jié)合的復(fù)合物三維結(jié)構(gòu)。這是首次測定一種GPCR 與不同類型G 蛋白結(jié)合的復(fù)合物結(jié)構(gòu)，闡明了受體與不同G 蛋白的精細結(jié)合模式，并揭示了GPCR 對G 蛋白的選擇性機制，為深入認識GPCR 的細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機理提供了重要的依據(jù)。

GPCR 在細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中發(fā)揮重要作用，與人類疾病密切相關(guān)，是最大的藥物靶標蛋白家族，目前40%以上的上市藥物以GPCR 為靶點。GPCR 發(fā)揮的生理功能在很大程度上由其所激活的細胞內(nèi)效應(yīng)蛋白（G 蛋白等）決定。根據(jù)其介導(dǎo)的下游信號通路，G 蛋白可分為Gs、Gi、Go 和Gq 等類型，其中，Gs 和Gi 被GPCR活化后，分別激活和抑制腺苷酸環(huán)化酶，產(chǎn)生相反的生物學(xué)效應(yīng)。研究表明，不同GPCR 可選擇性激活一種或多種G 蛋白，但一種GPCR 如何識別不同類型的G 蛋白一直未被清晰闡明，制約了對于G 蛋白選擇調(diào)控機制的深入理解。

吳蓓麗和趙強聯(lián)合研究團隊與國內(nèi)外合作者一起，通過多學(xué)科的緊密合作與艱苦攻關(guān)，利用單顆粒冷凍電鏡技術(shù)，成功測定了胰高血糖素受體GCGR 與其天然配體胰高血糖素以及Gs 或Gi 結(jié)合的兩個復(fù)合物結(jié)構(gòu)。GCGR 屬于B 類GPCR 家族，對于維持人體血糖穩(wěn)態(tài)發(fā)揮關(guān)鍵作用，是治療2型糖尿病藥物的重要靶點。GCGR 主要通過激活Gs 蛋白行使其功能，但越來越多的研究表明，該受體也可與Gi 和Gq 等其他類型的G 蛋白作用，產(chǎn)生不同的生物學(xué)效應(yīng)，體現(xiàn)了GPCR 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程的復(fù)雜性和多樣性。

2017 年以來，上海藥物研究所合作研究團隊陸續(xù)解析了GCGR 全長蛋白分別與小分子抑制劑和多肽激動劑結(jié)合的復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)，極大地促進了對B類GPCR信號識別和調(diào)控機制的認識。此次，該科研團隊乘勢而為，進一步測定了GCGR 與不同效應(yīng)蛋白復(fù)合物的三維結(jié)構(gòu)，對于全面闡釋該受體蛋白的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機制具有重要的意義。

基于以往的GPCR 結(jié)構(gòu)研究，人們普遍認為GPCR 通過調(diào)節(jié)第六跨膜螺旋（TM6）向外遷移的幅度改變其G 蛋白結(jié)合口袋的大小，實現(xiàn)與不同類型G 蛋白的結(jié)合。與這一傳統(tǒng)認知不同，GCGR-Gs 和GCGR-Gi 復(fù)合物結(jié)構(gòu)顯示，GCGR 以一個相似的G 蛋白結(jié)合口袋與這兩種功能相反的G 蛋白結(jié)合。與已經(jīng)解析的A 類GPCR 與G 蛋白的復(fù)合物結(jié)構(gòu)相比，GCGR 的G 蛋白結(jié)合口袋開口更大，不僅可以滿足體積較大的Gs 蛋白的結(jié)合，而且能夠容納體積較小的Gi 蛋白，這種利用相似結(jié)合口袋識別不同G 蛋白的分子機制可大大提高GPCR 激活多條下游信號通路的效率。這一發(fā)現(xiàn)極大地深化了人們對GPCR 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機制的認識。

雖然與Gs 和Gi 結(jié)合時，GCGR 形成的G 蛋白結(jié)合口袋大小相似，但其與兩種G 蛋白的相互作用模式差異巨大。GCGR 與Gs相互作用界面的面積是其與Gi 作用界面的兩倍，使得該受體與Gs 的親合力高于Gi，這為GCGR 主要通過Gs 進行信號轉(zhuǎn)導(dǎo)提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。此外，研究發(fā)現(xiàn)，在這兩個復(fù)合物結(jié)構(gòu)中，受體分子胞內(nèi)側(cè)環(huán)區(qū)（ICL）存在較大的構(gòu)象差異，三個胞內(nèi)環(huán)（ICL1-3）在與不同G 蛋白結(jié)合時發(fā)揮著不同的作用。其中，第二胞內(nèi)環(huán)（ICL2）的構(gòu)象差異最為顯著，該區(qū)域與Gs 緊密結(jié)合；而受體與Gi 結(jié)合時，ICL2 向受體一側(cè)偏移，僅與Gi 形成微弱的相互作用。

該合作攻關(guān)團隊綜合利用氨基酸突變、G 蛋白激活和細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等研究手段，針對GCGR 與G 蛋白作用界面上的數(shù)十個關(guān)鍵氨基酸進行檢測，研究它們對Gs 和Gi 活化的影響。實驗結(jié)果表明，GCGR 的ICL2 和第七跨膜螺旋與第八螺旋之間的連接區(qū)域?qū)τ谧R別Gs 蛋白發(fā)揮關(guān)鍵作用，而受體的另外兩個胞內(nèi)環(huán)（ICL1和ICL3）和G 蛋白結(jié)合口袋內(nèi)的疏水氨基酸則對于結(jié)合Gi 蛋白至關(guān)重要。

研究人員表示，這是首次在一種GPCR 分子中明確不同類型G 蛋白的識別關(guān)鍵區(qū)域，對于深入研究G 蛋白的選擇性調(diào)控機制意義重大。此外，這些發(fā)現(xiàn)為偏向性配體藥物的設(shè)計提供了重要依據(jù)：通過選擇性抑制其中一種效應(yīng)蛋白的活化，有效降低藥物副作用，將推動抗2 型糖尿病藥物的研發(fā)。