中國(guó)科學(xué)院上海藥物研究所研究員徐華強(qiáng)團(tuán)隊(duì)與山東大學(xué)教授孫金鵬團(tuán)隊(duì)、浙江大學(xué)教授張巖團(tuán)隊(duì)等首次解析了糖皮質(zhì)激素與其膜受體GPR97和Go蛋白復(fù)合物的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，這也是國(guó)際上首次解析的黏附類(lèi)GPCR與配體和G蛋白復(fù)合物的高分辨率結(jié)構(gòu)。相關(guān)研究成果以Structures of glucocorticoid-bound adhesion receptor GPR97-Go complex為題，于2021年1月6日在線發(fā)表在Nature上。

　　黏附類(lèi)G蛋白偶聯(lián)受體（Adhesion G protein-coupled receptors, aGPCRs）是GPCR超家族成員之一，在生物體一些重要的生理過(guò)程中發(fā)揮關(guān)鍵分子開(kāi)關(guān)的作用，如腦的發(fā)育、水鹽調(diào)節(jié)、炎癥以及細(xì)胞命運(yùn)決定等。與GPCR超家族其他成員相比，aGPCRs除了具有經(jīng)典的7次跨膜核心（7TM）外，還具有較長(zhǎng)的胞外區(qū)域，組成了擁有不同功能的結(jié)構(gòu)域。目前普遍認(rèn)為aGPCRs可被結(jié)合胞外的基質(zhì)蛋白或可溶性小分子激活，然而，學(xué)界尚不清楚小分子配體是否可以直接結(jié)合7TM并激活受體。

　　糖皮質(zhì)激素對(duì)機(jī)體的發(fā)育、生長(zhǎng)、代謝及免疫等功能發(fā)揮重要的調(diào)節(jié)作用，是機(jī)體應(yīng)激反應(yīng)最重要的調(diào)節(jié)激素和臨床上使用最廣泛的抗炎及免疫抑制劑之一。經(jīng)典理論認(rèn)為，糖皮質(zhì)激素通過(guò)與糖皮質(zhì)激素核受體結(jié)合，并穿過(guò)核孔，在細(xì)胞核內(nèi)發(fā)揮調(diào)控相關(guān)基因表達(dá)的作用。該作用方式通常需要較長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間，被稱(chēng)為基因組機(jī)制。徐華強(qiáng)課題組分別在2002年和2014年解析了糖皮質(zhì)激素核受體與地塞米松（Cell, 110: 93-105）和內(nèi)源性糖皮質(zhì)激素——?dú)浠傻乃桑?em>Cell Research, 24: 713–726）的晶體結(jié)構(gòu)，揭示了糖皮質(zhì)激素識(shí)別與功能調(diào)控其核受體的機(jī)制，推動(dòng)了糖皮質(zhì)激素受體靶向藥物的開(kāi)發(fā)。此外，糖皮質(zhì)激素被發(fā)現(xiàn)能夠快速引起細(xì)胞和機(jī)體的變化，這提示生物體內(nèi)可能存在糖皮質(zhì)激素的膜受體，其能夠介導(dǎo)糖皮質(zhì)激素的快速反應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，糖皮質(zhì)激素的快速反應(yīng)與G蛋白有密切關(guān)系，Gi的抑制劑PTX能夠抑制糖皮質(zhì)激素的快速作用，并據(jù)此推測(cè)GPCR是糖皮質(zhì)激素的潛在膜受體。孫金鵬和山東大學(xué)教授易凡團(tuán)隊(duì)等對(duì)GPR97進(jìn)行了受體生理學(xué)和內(nèi)源性配體發(fā)現(xiàn)等工作，發(fā)現(xiàn)包括糖皮質(zhì)激素類(lèi)的氫化可的松、可的松以及11-脫氧皮質(zhì)醇等在內(nèi)的內(nèi)源性類(lèi)固醇激素均能夠激活GPR97，其中，地塞米松具有更強(qiáng)的GPR97激活能力，并最終確認(rèn)Go是GPR97激活后偶聯(lián)的G蛋白通路。

　　在前期工作基礎(chǔ)上，合作團(tuán)隊(duì)采用單顆粒冷凍電鏡技術(shù)，分別對(duì)外源配體倍氯米松（BCM）以及內(nèi)源性配體氫化可的松（cortisol）激活GPR97后形成的復(fù)合物進(jìn)行了結(jié)構(gòu)解析，最終分別獲得了兩個(gè)配體激活態(tài)的GPR97受體與Go蛋白的復(fù)合物結(jié)構(gòu)，分辨率分別為3.1埃和2.9埃（圖1a和1b）。

　　與其他GPCR亞家族成員相比，GPR97的7TM呈現(xiàn)獨(dú)特的空間分布，其螺旋展現(xiàn)出與其他受體不同的長(zhǎng)度。根據(jù)傳統(tǒng)理論，aGPCR特有的胞外GAIN結(jié)構(gòu)域和7TM在激活GPCR的過(guò)程中作為整體發(fā)揮其核心功能，然而，研究人員在結(jié)構(gòu)中首次發(fā)現(xiàn)糖皮質(zhì)激素結(jié)合在GPR97 7TM核心中的一個(gè)橢圓形正構(gòu)結(jié)合口袋（圖1c）；此外，GPR97還展現(xiàn)出不同于其他A類(lèi)GPCR成員的獨(dú)特激活機(jī)制。GPR97序列中不含有保守的PIF、DRY和NPxxY等motif，其首先通過(guò)toggle switch W6.53識(shí)別配體并被激活。激活的受體借助首次發(fā)現(xiàn)的upper Quaternary core（UQC）將受體TM3-TM5-TM6捆綁在一起，繼而通過(guò)HLY motif介導(dǎo)與Go蛋白的結(jié)合。受體7TM組成較大的胞內(nèi)側(cè)G蛋白結(jié)合口袋，3個(gè)胞內(nèi)環(huán)均參與受體與G蛋白的相互作用，胞內(nèi)環(huán)與受體的組成性激活密切相關(guān)；該研究中，研究人員還首次闡述了G蛋白的棕櫚?；揎椩谄渑悸?lián)GPCR中的關(guān)鍵作用。研究首次發(fā)現(xiàn)Gαo的α5螺旋C351位點(diǎn)被棕櫚?；揎棧▓D2），并進(jìn)一步驗(yàn)證了該修飾在Go與GPR97的偶聯(lián)中的獨(dú)特作用。

　　綜上，合作團(tuán)隊(duì)首次發(fā)現(xiàn)了糖皮質(zhì)激素的高親和力膜受體，并通過(guò)單顆粒冷凍電鏡技術(shù)，解析了黏附類(lèi)GPCR家族中GPR97在糖皮質(zhì)激素的激活作用下與Go蛋白復(fù)合物的結(jié)構(gòu)，從而在近原子分辨率上揭示了糖皮質(zhì)激素識(shí)別并激活膜GPR97，以及受體偶聯(lián)Go蛋白的分子機(jī)制。該成果將對(duì)糖皮質(zhì)激素膜受體功能研究和黏附類(lèi)GPCR的激活機(jī)制理解發(fā)揮重要的示范及推動(dòng)作用。

上海藥物所為該研究的第一完成單位。上海藥物所與山東大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院聯(lián)合培養(yǎng)博士生平玉奇，浙江大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院博士后毛春友，山東大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院副教授肖鵬、碩士研究生趙儒嘉，上海藥物研究所研究員蔣軼為論文的共同第一作者；孫金鵬、張巖、徐華強(qiáng)為論文的共同通訊作者，易凡和山東大學(xué)教授于曉為論文的共同作者。研究工作得到國(guó)家基金委、科技部、上海市科委等單位的支持。

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圖1.GPR97的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)