中國科學院上海藥物研究所徐華強/趙麗華團隊合作研究揭示B類GPCRs的G蛋白選擇性偶聯(lián)激活機制

近日，中國科學院上海藥物研究所徐華強/趙麗華團隊聯(lián)合山東大學于曉/孫金鵬團隊、浙江大學基礎醫(yī)學院張巖團隊等，在《自然-通訊》（Nature Communications）上，在線發(fā)表了題為“Structure insights into selective coupling of G protein subtypes by a class B Gprotein-coupled receptor”的研究成果。科研人員在揭示B類GPCRs一個亞家族的兩個受體激素識別、受體激活和G蛋白偶聯(lián)的特異性機制基礎上，解析了CRF2R分別與Go蛋白和G11蛋白的復合物三維結構，即B類GPCRs偶聯(lián)Go和G11的首個復合物結構，系統(tǒng)性闡述了促腎上腺皮質(zhì)激素釋放因子受體偶聯(lián)Gs、G11和Go蛋白的分子作用機制，為B類GPCRs的G蛋白選擇性偶聯(lián)激活機制奠定了研究基礎。

GPCR是細胞表面受體家族中最大的一類，有800多個成員，調(diào)控著人體各種生命活動，且與疾病密切相關。有超過30%的藥物作用于GPCR，因而GPCR被認為是最重要的藥物靶點之一。其中，B類GPCR是一類多肽激素受體，包括促腎上腺皮質(zhì)激素釋放因子（CRF）、胰高血糖素（GCG）、胰高血糖素樣肽（GLP）、甲狀旁腺激素（PTH）等15個激素受體。B類GPCR受體的信號激活過程通過與激動劑結合，偶聯(lián)下游的G蛋白，主要介導Gs信號通路，同時可能介導Gαi/o、Gαq/11等信號通路，發(fā)揮著從身體生長發(fā)育到代謝調(diào)節(jié)和骨骼發(fā)育的廣泛生理過程。B類G蛋白偶聯(lián)受體（GPCRs）家族在荷爾蒙激素平衡中起著關鍵作用，是人類重大疾病，如癌癥、糖尿病、抑郁癥、心血管疾病以及骨質(zhì)疏松等的重要藥物靶點。因此，探索B類GPCRs的G蛋白選擇性偶聯(lián)激活機制，是B類GPCRs研究領域的重要科學問題。

促腎上腺皮質(zhì)激素釋放因子受體（Corticotropin-Releasing Factor Receptors）CRF1R和CRF2R是B類GPCRs的重要成員，兩個不同的亞類在中樞和外周神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)揮重要作用，是焦慮、抑郁和心血管疾病的重要藥物靶點。2020年，徐華強/趙麗華/張巖團隊在Molecular Cell上發(fā)表了CRF1R和CRF2R兩個亞型在內(nèi)源性配體UCN1激活下分別與Gs蛋白三聚體復合物的高分辨三維結構。研究揭示了配體識別不同受體的特異性機制，為針對壓力應答、焦慮、抑郁和心腦血管疾病的藥物研發(fā)提供了強有力的結構基礎。2017年，于曉/龔瑤琴/孫金鵬團隊在The Journal of Clinical Investigation上提出，胰島β細胞分泌的UCN3，通過激活胰島δ細胞上的CRF2R，構成胰島內(nèi)源性細胞環(huán)路的UCN3-CRF2R信號軸，且通過調(diào)控CUL4B/PRC2表觀遺傳復合物來維持胰島功能穩(wěn)態(tài)。不正常地阻斷胰島內(nèi)源性UCN3-CRF2R這條通路導致糖尿病發(fā)生，而UCN3-CRF2R下游與G蛋白亞型偶聯(lián)的機制和功能尚不清楚。

以此為基礎，研究團隊利用單顆粒冷凍電鏡技術分別解析了分辨率為2.8埃和3.7埃的UCN1-CRF2R-Go和UCN1-CRF2R-G11復合物結構，比較了不同G蛋白（Gs、Go和G11）在CRF2R中結合界面的面積大小以及Gα的α5螺旋的C末端氨基酸側(cè)鏈大小，發(fā)現(xiàn)C末端氨基酸Gs蛋白中的側(cè)鏈最大、與受體形成的結合面積最大、相互作用也最多（G11蛋白次之，Go蛋白再次之），這與B類GPCRs偶聯(lián)不同G蛋白的能力一致（Gs＞Gq/11＞Gi/o）。

上述研究揭示了Gα的α5螺旋的C末端在CRF2R選擇性偶聯(lián)不同G蛋白中具有決定性作用。目前，解析的所有激活構象的B類GPCRs具有與A類GPCRs不同的特征是在TM6的中部會呈近似90度的往外彎折，從而在胞質(zhì)側(cè)形成一個較大的結合口袋，利于G蛋白的結合，而這個較大的結合口袋可以與C末端氨基酸側(cè)鏈最大Gs蛋白形成廣泛的相互作用，更好地解釋B類GPCRs家族中經(jīng)典信號通路Gs蛋白偶聯(lián)的分子基礎，并推進了B類GPCRs在G11、Go信號通路的機制方面的研究進展。

研究工作得到中科院青年創(chuàng)新促進會、國家重點研發(fā)計劃、上海市科學技術委員會、國家自然科學基金委員會等的支持。本研究中的冷凍電鏡數(shù)據(jù)在上海藥物所冷凍電鏡平臺以及浙江大學電鏡平臺收集。美國溫安洛研究所科研人員參與研究。