科學家揭示G 蛋白選擇調控機制

中國科學院上海藥物研究所吳蓓麗、趙強研究團隊與中國科學院生物物理研究所孫飛、澳大利亞莫納什大學Denise Wootten 研究團隊合作，在G 蛋白偶聯受體（GPCR）結構與功能研究領域取得突破性進展：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）結合的復合物三維結構。這是首次測定一種GPCR 與不同類型G 蛋白結合的復合物結構，闡明了受體與不同G 蛋白的精細結合模式，并揭示了GPCR 對G 蛋白的選擇性機制，為深入認識GPCR 的細胞信號轉導機理提供了重要的依據。

GPCR 在細胞信號轉導中發揮重要作用，與人類疾病密切相關，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 發揮的生理功能在很大程度上由其所激活的細胞內效應蛋白（G 蛋白等）決定。根據其介導的下游信號通路，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化酶，產生相反的生物學效應。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 蛋白選擇調控機制的深入理解。

吳蓓麗和趙強聯合研究團隊與國內外合作者一起，通過多學科的緊密合作與艱苦攻關，利用單顆粒冷凍電鏡技術，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 結合的兩個復合物結構。GCGR 屬于B 類GPCR 家族，對于維持人體血糖穩態發揮關鍵作用，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，產生不同的生物學效應，體現了GPCR 信號轉導過程的復雜性和多樣性。

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

基于以往的GPCR 結構研究，人們普遍認為GPCR 通過調節第六跨膜螺旋（TM6）向外遷移的幅度改變其G 蛋白結合口袋的大小，實現與不同類型G 蛋白的結合。與這一傳統認知不同，GCGR-Gs 和GCGR-Gi 復合物結構顯示，GCGR 以一個相似的G 蛋白結合口袋與這兩種功能相反的G 蛋白結合。與已經解析的A 類GPCR 與G 蛋白的復合物結構相比，GCGR 的G 蛋白結合口袋開口更大，不僅可以滿足體積較大的Gs 蛋白的結合，而且能夠容納體積較小的Gi 蛋白，這種利用相似結合口袋識別不同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。這一發現極大地深化了人們對GPCR 信號轉導機制的認識。

雖然與Gs 和Gi 結合時，GCGR 形成的G 蛋白結合口袋大小相似，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 進行信號轉導提供了結構基礎。此外，研究發現，在這兩個復合物結構中，受體分子胞內側環區（ICL）存在較大的構象差異，三個胞內環（ICL1-3）在與不同G 蛋白結合時發揮著不同的作用。其中，第二胞內環（ICL2）的構象差異最為顯著，該區域與Gs 緊密結合；而受體與Gi 結合時，ICL2 向受體一側偏移，僅與Gi 形成微弱的相互作用。

該合作攻關團隊綜合利用氨基酸突變、G 蛋白激活和細胞信號轉導等研究手段，針對GCGR 與G 蛋白作用界面上的數十個關鍵氨基酸進行檢測，研究它們對Gs 和Gi 活化的影響。實驗結果表明，GCGR 的ICL2 和第七跨膜螺旋與第八螺旋之間的連接區域對于識別Gs 蛋白發揮關鍵作用，而受體的另外兩個胞內環（ICL1和ICL3）和G 蛋白結合口袋內的疏水氨基酸則對于結合Gi 蛋白至關重要。

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