Science:我国科学家从结构上揭示人胰高血糖素受体的G蛋白特异性识别机制

G蛋白偶联受体(GPCR)在细胞信号转导中起重要作用,并作为多种疾病的重要治疗靶标。

G蛋白偶联受体(GPCR)在细胞信号转导中起重要作用,并作为多种疾病的重要治疗靶标。与细胞外激动剂结合后,GPCR通过招募不同的G蛋白(Gs、Gi和Gq等)刺激各种信号通路以介导多种生理功能。GPCR和特定G蛋白之间的选择性偶联对于这类受体的生物学作用至关重要。 但是,确定单个GPCR如何识别不同G蛋白亚型的分子细节仍然难以捉摸,因此限制了对GPCR信号转导机制的理解。 在一项新的研究中,来自中国科学院上海药物研究所、复旦大学和上海科技大学等研究机构的研究人员利用低温电镜(cryo-EM)技术解析出人胰高血糖素受体(GCGR)与它的同源激动剂和不同类型的G蛋白(Gs或Gi)结合在一起时的三维结构。相关研究结果发表在2020年3月20日的Science期刊上,论文标题为“Structural basis of Gs and Gi recognition by the human glucagon receptor”。

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图片来自CC0 Public Domain

这些结构首次提供了GPCR与不同G蛋白亚型之间相互作用模式的详细分子图,并且出乎意料地揭示了许多调控G蛋白特异性的分子特征,从而极大地加深了对GPCR信号转导机制的理解。 GCGR是B类GPCR家族的成员,通过触发肝脏中葡萄糖的释放而对葡萄糖稳态至关重要,这使得成为2型糖尿病和肥胖的潜在药物靶标。 尽管GCGR通常通过Gs信号发挥它的生理作用,但是它也可以与其他G蛋白(比如Gi和Gq)偶联,从而导致多种细胞反应。在2017年和2018年,中国科学院上海药物研究所的科学家们已解析出全长GCGR与一种负变构调节剂或部分肽激动剂结合在一起时的晶体结构,从而为B类GPCR的信号识别和调节提供了新的见解。 在这项新的研究中,这些研究人员通过解析出GCGR与两种具有相反生物活性的转导蛋白结合在一起时的复杂结构而取得了进一步的进展。这项研究提供了对多效GPCR-G蛋白偶联和G蛋白特异性的宝贵见解。值得注意的是,它揭示了GCGR的第六个跨膜螺旋(螺旋VI)在两种G蛋白结合的GCGR结构中采用了相似的向外移位,从而形成了一个共同的结合腔来容纳Gs和Gi。这与基于先前确定的GPCR-G蛋白复合物结构提出的假设---螺旋VI的位置差异是Gs和Gi偶联特异性的主要区分因素---相反。 在这些GCGR-G蛋白复合物结构中观察到的这个共同的G蛋白结合口袋与GCGR的信号多效性是一致的,并且在激活各种信号通路中具有最大的效率。尽管GCGR通过这个共同的口袋与两个G蛋白偶联,但是它通过不同的相互作用模式来做到这一点,这解释了G蛋白的特异性。测量到的GCGR和Gs之间的相互作用界面比GCGR与Gi之间的大得多,从而导致Gs与这种受体的结合亲和力更高。这为GCGR与Gs的优先偶联提供了结构基础。 基于GCGR-Gs和GCGR-Gi复合物的结构,这些研究人员利用诸如诱变、G蛋白活化和细胞信号转导等技术进行了广泛的功能研究,以探究GCGR-G蛋白结合界面中的关键残基在Gs和Gi激活中的作用。 这些结果表明GCGR中细胞内环和残基侧链的构象差异足以指导G蛋白选择性。GCGR的第二个细胞内环(ICL2)和螺旋VII/VIII接头促成的相互作用在Gs偶联中起关键作用,而GCGR的其他两个细胞内环ICL1和ICL3以及它的疏水性细胞内结合腔对于Gi识别更为重要。 这些发现扩展了有关GPCR激活、多效性偶联和G蛋白特异性的知识。它们还为药物发现提供了新的机会:设计有偏向的配体来选择性阻断一种特定的信号途径,从而减少了副作用。 

参考资料: 1.Anna Qiao et al. Structural basis of Gs and Gi recognition by the human glucagon receptor. Science, 2020, doi:10.1126/science.aaz5346. 2.Glucagon receptor structures reveal G protein specificity mechanism https://phys.org/news/2020-03-glucagon-receptor-reveal-protein-specificity.html

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