G蛋白偶聯(lián)受體（G protein-coupled receptor，GPCR）在細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用，是最大的藥物靶標(biāo)蛋白質(zhì)家族。GPCR被細(xì)胞外的信號(hào)分子激活后，與細(xì)胞內(nèi)的效應(yīng)蛋白（G蛋白、阻遏蛋白等）結(jié)合，激活多種下游信號(hào)通路，從而介導(dǎo)并調(diào)控人體各種生命活動(dòng)。G蛋白（G protein）和阻遏蛋白（arrestin）在GPCR的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和功能調(diào)控中發(fā)揮不同的作用。其中，arrestin介導(dǎo)受體的脫敏和內(nèi)化。近年來，隨著結(jié)構(gòu)和功能研究的深入，GPCR與G蛋白的作用機(jī)制逐漸明朗，但由于研究難度大，arrestin的相關(guān)研究進(jìn)展緩慢，僅有數(shù)個(gè)A類GPCR與arrestin的復(fù)合物結(jié)構(gòu)被解析，制約了對(duì)于arrestin作用模式及相關(guān)生理、病理機(jī)制的深入理解。

以往研究發(fā)現(xiàn)，GPCR可能通過兩種方式與arrestin結(jié)合：一種為受體的跨膜結(jié)構(gòu)域的核心區(qū)域以及受體的C端共同與arrestin結(jié)合，被稱為“core”構(gòu)象；另外一種則由受體的C端區(qū)域單獨(dú)與arrestin作用，被稱為“tail”構(gòu)象。這兩種構(gòu)象被認(rèn)為參與介導(dǎo)受體信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和分子運(yùn)輸?shù)牟煌^程，對(duì)受體的功能發(fā)揮不同調(diào)控作用。然而，之前發(fā)表的所有GPCR與arrestin的復(fù)合物結(jié)構(gòu)均為“core”構(gòu)象，“tail”構(gòu)象的具體作用機(jī)制不明。

近日，中國(guó)科學(xué)院上海藥物研究所吳蓓麗課題組與趙強(qiáng)課題組，在GPCR的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制研究中取得突破性進(jìn)展，在國(guó)際上首次揭示了arrestin的全新“tail”結(jié)合模式，并首次闡明了B類GPCR與arrestin的精細(xì)作用機(jī)制，在原子水平揭示了受體內(nèi)化及囊泡內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的分子基礎(chǔ)，促進(jìn)了對(duì)于B類受體信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制的深入理解。8月9日，相關(guān)研究成果以Tail engagement of arrestin at the glucagon receptor為題，在線發(fā)表在 ?《自然》（Nature）上。

B類GPCR參與調(diào)控多種重要的生理過程，其功能紊亂與糖尿病、肥胖、骨質(zhì)疏松、偏頭痛等多種疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。該類受體可激活多種G蛋白和arrestin，從而介導(dǎo)不同生理過程。近年來，針對(duì)B類受體的偏向性藥物開發(fā)備受關(guān)注。這類藥物靶向特定信號(hào)通路，例如只激活G蛋白信號(hào)通路或只促進(jìn)受體招募arrestin，因而具有較好的療效、較低的副作用。然而，目前B類GPCR與arrestin的結(jié)合模式以及配體的偏向性調(diào)控機(jī)制尚不清楚，對(duì)偏向性藥物設(shè)計(jì)及其藥理機(jī)制的探明造成了困難。

吳蓓麗課題組與趙強(qiáng)課題組長(zhǎng)期致力于B類GPCR信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制研究，解析了胰高血糖素受體（glucagon receptor，GCGR）處于多種功能狀態(tài)的三維結(jié)構(gòu)，并開展了深入的功能研究，為全面認(rèn)識(shí)B類受體的配體識(shí)別、功能調(diào)控和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制提供了重要信息，并在《自然》和《科學(xué)》上發(fā)表了多篇研究論文。在此基礎(chǔ)上，該聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步解析了GCGR與阻遏蛋白β-arrestin 1（βarr1）及內(nèi)源性激動(dòng)劑胰高血糖素（glucagon）的復(fù)合物冷凍電鏡結(jié)構(gòu)。

該結(jié)構(gòu)顯示，βarr1主要與位于受體C端區(qū)域的第八個(gè)螺旋（helix Ⅷ）形成緊密的相互作用，而與受體跨膜結(jié)構(gòu)域的核心區(qū)完全沒有接觸，這是首次解析具有“tail”構(gòu)象的GPCR-arrestin復(fù)合物結(jié)構(gòu)。除了主要結(jié)合位點(diǎn)以外，GCGR-βarr1結(jié)構(gòu)還體現(xiàn)出多個(gè)顯著區(qū)別于以往GPCR-arrestin結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，βarr1中C端結(jié)構(gòu)域的C-edge環(huán)區(qū)（loop）與受體跨膜螺旋近距離接觸，并插入細(xì)胞膜的脂分子雙層中，對(duì)于穩(wěn)定復(fù)合物的“tail”構(gòu)象具有重要作用。此外，一個(gè)磷酸肌醇類似物分子通過與受體的helix VIII和βarr1共同作用，充當(dāng)“支架”從而進(jìn)一步加強(qiáng)GCGR與βarr1的結(jié)合，這提示磷酸肌醇可能在arrestin介導(dǎo)的GPCR信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中發(fā)揮作用。

該研究的另一重要成果是，與βarr1結(jié)合的GCGR處于非激活狀態(tài)，而在以往發(fā)表的所有GPCR-arrestin結(jié)構(gòu)中受體均處于激活狀態(tài)。在GCGR-βarr1結(jié)構(gòu)中，內(nèi)源性激動(dòng)劑glucagon與受體結(jié)合，但與科研人員之前解析的處于完全激活狀態(tài)的GCGR-G蛋白復(fù)合物結(jié)構(gòu)相比，它的結(jié)合位點(diǎn)較淺、結(jié)合穩(wěn)定性較差。這些差異是arrestin的不同結(jié)合模式所致，在以往的結(jié)構(gòu)中arrestin伸入受體跨膜結(jié)構(gòu)域的核心區(qū)域，將受體穩(wěn)定在激活狀態(tài)；而βarr1僅與GCGR的C端區(qū)域作用，因此不需要受體維持其激活狀態(tài)。

研究還解析了無配體結(jié)合的GCGR-βarr1復(fù)合物結(jié)構(gòu)，與結(jié)合glucagon的結(jié)構(gòu)相比，受體與βarr1的結(jié)合模式完全一致，且受體同樣處于非激活態(tài)。這進(jìn)一步說明βarr1以“tail”構(gòu)象與GCGR結(jié)合時(shí)，不需要受體處于激活狀態(tài)。而功能實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，GCGR招募arrestin需要激動(dòng)劑激活受體，可能是受體磷酸化所必需的，這提示βarr1可能通過其他構(gòu)象與GCGR結(jié)合。上述研究體現(xiàn)了arrestin介導(dǎo)GPCR信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制的復(fù)雜性。

為了進(jìn)一步探索“tail”構(gòu)象在arrestin介導(dǎo)GCGR功能調(diào)控中的作用，研究利用生物發(fā)光共振能量轉(zhuǎn)移等研究手段，針對(duì)GCGR胞內(nèi)側(cè)區(qū)域的數(shù)十個(gè)氨基酸突變，探討它們對(duì)受體上膜、內(nèi)化和囊泡內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等過程的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，位于GCGR的helix Ⅷ的氨基酸突變對(duì)于這些生理過程均產(chǎn)生較大影響，而受體跨膜結(jié)構(gòu)域核心區(qū)的氨基酸突變則影響不大。這些數(shù)據(jù)明確了arrestin的“tail”構(gòu)象在受體信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和分子運(yùn)輸中的重要作用，對(duì)于探索GPCR的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和功能調(diào)控機(jī)制意義重大。未來，可通過設(shè)計(jì)特異性識(shí)別不同構(gòu)象狀態(tài)的偏向性藥物，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同效應(yīng)蛋白及信號(hào)通路的選擇性調(diào)控，從而有效降低藥物副作用、推動(dòng)藥物研發(fā)。

研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、科學(xué)技術(shù)部、中國(guó)科學(xué)院和上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)等的支持。

論文鏈接

胰高血糖素受體結(jié)構(gòu)示意圖。胰高血糖素受體GCGR在維持血糖穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮重要作用，是2型糖尿病的潛在藥物作用靶點(diǎn)。圖中處于不同功能狀態(tài)的GCGR結(jié)構(gòu)用飄帶圖表示，GCGR為藍(lán)色，arrestin為橙色，G蛋白的三個(gè)亞基分別為淺綠色、白色和淺粉色。GCGR-arrestin結(jié)構(gòu)中的磷酸肌醇類似物使用綠色球狀表示。