? ? ? ? 在生物進化過程中，人類為了更好地適應(yīng)自身生活的環(huán)境，進化出了包括聽覺、視覺、嗅覺、觸覺、味覺、痛覺、癢覺等多種感覺系統(tǒng)。由于感覺系統(tǒng)是人類感知外界的基本反應(yīng)，也是生物體與外界交流及自我保護的基礎(chǔ)，因此關(guān)于感覺系統(tǒng)的探索長期以來是科學(xué)家的研究熱點。

　　中國科學(xué)院上海藥物研究所徐華強課題組和山東大學(xué)孫金鵬課題組長期致力于與感覺相關(guān)的GPCR受體的研究。徐華強課題組解析了視桿色素和Arrestin嗎，G蛋白和GRK地復(fù)合物結(jié)構(gòu)，以及視覺感知的基礎(chǔ)。孫金鵬課題組則發(fā)表了與聽覺相關(guān)的受體VLGR1的研究成果，以及癢覺受體MGPRX2的研究。雖然近些年來研究黏附類GPCR與機械力的作用關(guān)系已取得一定成果，但黏附類受體感知機械力的作用機制尚不清晰。

　　4月13日，上海藥物所徐華強團隊聯(lián)合山東大學(xué)孫金鵬團隊以及德國Rudolf Schonheimer生物化學(xué)研究所Ines Liebscher團隊，共同在Nature在線發(fā)表了題為Structural basis for the tethered peptide activation of adhesion GPCRs的最新研究成果，解析了感知機械力的黏附類受體GPR133、GPR114與下游蛋白Gs的復(fù)合物電鏡結(jié)構(gòu)，證明了受體感知機械力后通過Stachel序列激活受體，闡明了受體對Stachel序列（tethered peptide）的識別與受體自激活的機制。

　　“力”能決定細胞命運，生命體對力的感知十分重要，機械力刺激驅(qū)動許多生理過程，包括觸覺、痛覺、聽覺和平衡調(diào)節(jié)。在細胞生物學(xué)的發(fā)展過程中，人們逐漸意識到細胞可以感知機械外力傳遞的信號并做出多種生理變化，機械外力對于細胞的動態(tài)以及機體的正常生長運行十分重要。例如，耳對風(fēng)力的感知，肺對氣體壓入的感知，皮膚細胞對按壓力的感知，這些生理過程均與機械力的感知密不可分。其中一些特化的細胞進化成為專門感知機械力的“終端”，如觸覺受體Piezo家族蛋白能夠感知機械力，聽覺相關(guān)受體TMC在耳蝸毛細胞中通過機械力介導(dǎo)聽覺傳導(dǎo)，這些是普遍認知的能夠感知機械力的離子通道受體。GPCR作為另一大類膜受體也能感知機械力，其對力的感知大多通過黏附類受體家族進行，如GPR114、GPR133、GPR126、GPR56等，這緣于其獨特的結(jié)構(gòu)和功能特征。黏附類受體（aGPCR）具有巨大的含有眾多結(jié)構(gòu)域的胞外端，胞外端參與受體與受體以及受體與細胞基質(zhì)間的相互作用，它與機械力的感知密切相關(guān)，然而黏附類受體感知機械力后如何激活并進行信號轉(zhuǎn)導(dǎo)尚不清楚。

　　黏附類受體另一個顯著的結(jié)構(gòu)特征是含有GAIN（GPCR autoproteolysis-inducing）結(jié)構(gòu)域和GPS（GPCR proteolytic site）自水解位點，大多數(shù)黏附類受體GPS可以發(fā)生自水解反應(yīng)，將受體切割為NTF（N-terminal fragment）和CTF（C-terminal fragment）兩個片段，受體CTF N端大約十幾個氨基酸可以作為激動劑將受體激活并招募下游G蛋白，該部分序列稱為Stachel序列或栓系激動劑（TA, Tethered agonist）。aGPCR與其他家族GPCR不同的一個重要特征是其能夠依賴Stachel序列自激活。前期研究證明了小分子配體可以直接與黏附類受體7次跨膜核心結(jié)合并激活受體。但是黏附類受體自激活狀態(tài)下的作用機制仍不清楚。目前已報道的Stachel序列介導(dǎo)的aGPCR激活至少有三種激活模式（圖1）：（1）Stachel序列在GPS處自水解后，NTF與CTF解離，Stachel序列暴露，然后與TMD相互作用；（2）Stachel序列與TMD有預(yù)結(jié)合或間歇的相互作用，該作用通過配體刺激或機械力穩(wěn)定下來；（3）Stachel序列與TMD接觸通過GAIN結(jié)構(gòu)域內(nèi)部構(gòu)象變化調(diào)節(jié)。每個假設(shè)均有實驗支持，但也相互矛盾。例如，GAIN結(jié)構(gòu)域的晶體結(jié)構(gòu)顯示Stachel序列被隱藏為無法與TMD相互作用的β折疊，這與某些能被Stachel序列激活的aGPCRs的高組成活性相沖突。因此Stachel序列如何激活受體尚不清楚。

　　針對上述兩個問題，科研人員以黏附類受體GPR133和GPR114作為模型進行結(jié)構(gòu)分析，探究Stachel序列介導(dǎo)的aGPCR激活機制。GPR133GPS位點發(fā)生水解，在質(zhì)膜上發(fā)生NTF-CTF分離。GPR114不發(fā)生自水解，能夠感知機械力。

　　Stachel序列可以作為激動劑激活GPR133, GPR114受體，招募下游Gs蛋白。生化實驗驗證，GPR133/GPR114去掉NTF后本底活性明顯高于全長受體以及缺少Stachel序列的CTF結(jié)構(gòu)。通過體外合成受體Stachel序列刺激去掉Stachel序列的CTF片段，同樣證明Stachel序列能作為激動劑激活受體。此外，研究發(fā)現(xiàn)，機械力通過調(diào)控Stachel與受體的結(jié)合來激活受體。研究人員對野生型以及GPR133 GPS位點突變（失去自剪切功能）受體分別進行機械力檢測，發(fā)現(xiàn)均可以感知機械力。研究還發(fā)現(xiàn)，將人NTF上的重要位點突變并沒有影響其機械力的感知效果，側(cè)面印證了機械力的作用方式是通過NTF的振動構(gòu)象改變，使Stachel序列暴露，然后與受體進行結(jié)合從而激活受體。基于此結(jié)果，研究將受體結(jié)合口袋中與Stachel相互作用位點進行突變，發(fā)現(xiàn)機械力作用有不同程度的降低，因此得出結(jié)論——機械力是通過調(diào)控Stachel與受體的結(jié)合來激活受體（圖2）。

圖1.aGPCR依賴Stachel激活的三種假設(shè)模型

圖3.GPR133 GPR114結(jié)構(gòu)模型

來源： 上海藥物研究所