首个全长B型GPCR晶体结构揭示受体活化调控新机制

——胰高血糖素受体全长蛋白三维结构的解析标志着GPCR研究领域的又一重大突破

  • 上海药物所 (中国科学院上海药物研究所)
  • 创建于 2017-05-18
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  近日,由中国科学院上海药物研究所吴蓓丽、王明伟和蒋华良分别领衔的三个课题组在B型G蛋白偶联受体(G protein-coupled receptor, GPCR)结构与功能研究方面取得突破性进展:首次测定了胰高血糖素受体(Glucagon receptor, GCGR)全长蛋白的三维结构并揭示了该受体不同结构域对其活化的调控机制。这项成果有助于深入认识GPCR超家族蛋白结构与功能的关系,为2型糖尿病治疗新药的开发提供了新的思路。相关研究论文于伦敦时间2017年5月17日下午18时在国际顶级学术期刊Nature上以长文(Article)形式在线发表,通讯作者为国科大博士生导师、上海药物所吴蓓丽研究员、王明伟研究员和蒋华良研究员,复旦大学药学院为共同通讯作者单位之一。

  GPCR是人体内最大的膜受体蛋白家族,在细胞信号转导中发挥重要作用。GPCR与人类疾病关系密切,是最大的药物靶标蛋白家族,目前40%以上的上市药物以GPCR为靶点。根据其相似性,GPCR可分为A、B、C和F等四种类型。B型GPCR包括GCGR和胰高血糖素样肽-1受体(Glucagon-like peptide-1 receptor, GLP-1R)等,与糖尿病、偏头痛和抑郁症等的发生发展相关。这类受体包含胞外结构域和跨膜结构域,两者共同参与识别细胞信号。由于获得稳定的完整B型GPCR蛋白之难度极大,其全长结构一直未被解析,因此成为国内外GPCR研究领域的焦点和热点。

  GCGR参与调节体内血糖稳态,是治疗2型糖尿病的重要靶点。由于其结构信息的缺失,不仅限制人们对GCGR与其天然配体和小分子拮抗剂相互作用机制的理解,也影响了靶向该受体的药物研发——目前尚无上市药物。2013年,王明伟课题组与美国Scripps研究所Raymond Stevens团队合作,解析了GCGR跨膜结构域的晶体结构,这是首次测定B型GPCR蛋白的三维结构,为相关药物的设计和开发提供了重要的结构生物学基础。2015年,蒋华良和王明伟课题组等采用计算机模拟等多种技术,对全长GCGR处于不同功能状态下的三维构象开展系统研究,迈出了阐明B型GPCR全长分子结构和动态构象的关键一步。

  最近,中国科学院上海药物研究所的科研团队联手国际伙伴,通过多学科的紧密合作与艰苦攻关,成功解析了全长GCGR蛋白同时与一种小分子变构调节剂(NNC0640)和拮抗性抗体(mAb1)抗原结合片段结合的复合物晶体结构。该项目负责人吴蓓丽研究员表示:“这项研究首次在较高分辨率水平为我们呈现了全长B型GPCR蛋白的三维结构,从而极大地增进了我们对GPCR胞外结构域与跨膜结构域之间相互协调机制的认识”。

  研究发现,GCGR连接胞外和跨膜结构域的肽段通过其构象变化在受体活化调控中扮演关键角色。该连接肽通过与跨膜结构域的胞外环区相互接触,并和胞外结构域紧密结合,将受体的分子构象稳定在非活化状态;而当GCGR的胞外结构域与多肽配体结合时,该连接肽与受体其他区域分离,通过可能发生的二级结构转变促使胞外和跨膜结构域之间相对构象产生变化,从而协助多肽配体与跨膜结构域紧密结合,最终导致受体激活。吴蓓丽研究员说:“虽然只含12个氨基酸,但这个连接肽却发挥着至关重要的作用,即充当‘开关’进而调控受体功能,其精细和高效令人惊叹”。

  在测定全长GCGR三维结构的基础上,研究团队还运用氢氘交换、二硫键交联、受体?配体竞争结合、细胞信号转导和计算机模拟等多种技术手段开展了一系列功能研究,充分验证GCGR不同结构域之间的作用模式及其动态改变,阐明这些构象变化对受体功能的影响和意义。该论文的共同通讯作者之一蒋华良研究员强调:“这项工作彰显了多学科交叉、多技术融合和‘大兵团’协作的优势,对于未来开展世界前沿科学研究,抢占国际竞争制高点具有很高的借鉴价值”。

  研究论文的另一位共同通讯作者王明伟研究员评论道:“GCGR全长结构的揭示不但加深了我们对GPCR信号转导机制的理解,而且对靶向B型GPCR的药物研发具有重要的指导意义。接下来,我们将基于既往的研究成果,进一步开展靶向GCGR和GLP-1R的新药创制,争取从源头发力,持续突破”。

  参与这项研究的还有中国科学院上海药物研究所赵强研究员(国科大博士生导师)、杨德华副研究员(国科大硕士生导师)、在读博士研究生张浩楠和乔安娜,郑州大学杨琳琳博士以及上海科技大学Raymond Stevens教授等。来自荷兰、丹麦和美国等地的研究人员以多种方式提供了支持和帮助。国家科学技术部、国家卫生和计划生育委员会、国家自然科学基金委员会、中国科学院、上海市科学与技术发展基金、GPCR联盟和美国国立卫生研究院资助了科研经费。

  全长胰高血糖素受体蛋白结构示意图:

  胰高血糖素受体GCGR参与调节体内血糖稳态,是治疗2型糖尿病的重要靶点。

  右图为全长GCGR与抗体mAb1及拮抗剂NNC0640结合的复合物晶体结构,以灰色飘带表示,mAb1以浅灰色飘带表示,NNC0640用黄色棍棒表示。

  左图为最近发表于Nature的降血钙素受体CTR(青色飘带)与G蛋白(浅灰色飘带)结合的复合物电镜结构。上述两项研究是近期B型GPCR研究领域的最新进展。

  (由美国南加州大学Yekaterina Kadyshevskaya供图)

责任编辑:蔡宁宁