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胰高血糖素受體結構揭示G蛋白選擇調控機制

2020-03-20 上海藥物研究所
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  近日,中國科學院上海藥物研究所吴蓓丽研究组、赵强研究组与中國科學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: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依据。相关研究論文于北京时间3月20日以长文(Research Article)形式发表在国际学术期刊《科学》(Science)上。

  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爲靶點。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。根據其介導的下遊信號通路,G蛋白可分爲Gs、Gi、Go和Gq等類型,其中,Gs和Gi被GPCR活化後,分別激活和抑制腺苷酸環化酶,産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。

  最近,上海藥物所研究員吳蓓麗和趙強聯合研究團隊及國內外合作者,通過多學科緊密合作,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結合的兩個複合物結構。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,産生不同的生物學效應,體現了GPCR信號轉導過程的複雜性和多樣性。

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

  基于以往的GPCR結構研究,人們普遍認爲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複合物結構顯示,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蛋白的複合物結構相比,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激活多條下遊信號通路的效率。這一發現極大地深化了人們對GPCR信號轉導機制的認識。

  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。

  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。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,這些發現爲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。

  该研究論文的第一作者是上海药物所博士乔安娜和韩硕、生物物理所研究生李新美、复旦大学药学院研究生李志鑫和澳大利亚莫纳什大学博士赵佩珅;该项目的主要合作者还包括莫纳什大学教授Patrick M. Sexton、上海药物所研究员王明伟、杨德华以及丹麦诺和诺德公司博士Steffen Reedtz-Runge等。该研究得到科技部、国家自然科学基金委员会、中科院、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的资助。

  論文链接

  胰高血糖素受體GCGR的三維結構示意圖。GCGR參與調節人體內血糖穩態,是治療2型糖尿病藥物的重要靶點。圖中左上角GCGR的三維結構以藍色飄帶圖顯示,GCGR的天然配體胰高血糖素以紅色飄帶顯示;圖下方爲與GCGR結合的兩種G蛋白,以表面圖顯示,其中,Gs蛋白的三個亞基分別用橙色、灰色和藍色顯示,Gi蛋白的三個亞基分別用紅色、灰色和藍色顯示。(圖片由中科院上海藥物所吳蓓麗研究組提供)

打印 責任編輯:葉瑞優

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