科研动态

国科大博士生导师徐华强团队在粘附类受体的自激活机制及对机械力感知的结构基础方面取得进展

  •   在生物进化过程中,人类为了更好的适应自身生活的环境,进化出了包括听觉、视觉、嗅觉、触觉、味觉、痛觉、痒觉等多种感觉系统。由于感觉系统是人类感知外界的基本反应,也是生物体与外界交流及自我保护的基础,因此关于感觉系统的探索一直是科学家的研究热点,其中关于视觉的视杆色素和受体的电镜研究获得了1967和2017年诺贝尔奖,关于嗅觉受体的研究获得了2004年诺贝尔奖,2021年诺贝尔生理学或医学奖颁给了发现温度感知受体TRPV1和触觉受体piezo蛋白的两位科学家。
      上海药物所徐华强课题组和山东大学孙金鹏课题组长期致力于与感觉相关的GPCR受体的研究。徐华强课题组解析了视杆色素和Arrestin, G蛋白和GRK地复合物结构,解析了视觉感知地基础。孙金鹏课题组则在2014年发表了与听觉相关的受体VLGR1的研究成果1,2021年在Nature发表了痒觉受体MGPRX2的研究2。虽然近些年来研究黏附类GPCR与机械力的作用关系已取得一定的成果,但黏附类受体感知机械力的作用机制尚不清晰。
      4月13日,中国科学院大学博士生导师、上海药物所徐华强团队联合山东大学孙金鹏团队以及德国Rudolf Schonheimer研究所的Ines Liebscher团队,共同在Nature在线发表了最新的研究成果“Structural basis for the tethered peptide activation of adhesion GPCRs”,解析了感知机械力的黏附类受体GPR133、GPR114与下游蛋白Gs的复合物电镜结构,证明了受体感知机械力后通过Stachel序列激活受体,阐明了受体对Stachel序列(tethered peptide)的识别与受体自激活的机制。
     
      “力”能决定细胞命运,生命体对力的感知非常重要,机械力刺激驱动许多生理过程,包括触觉、痛觉、听觉和平衡调节。在细胞生物学的发展过程中,人们逐渐意识到细胞可以感知机械外力传递的信号并做出多种生理变化,机械外力对于细胞的动态以及机体的正常生长运行都是至关重要的。例如耳对风力的感知,肺对气体压入的感知,皮肤细胞对按压力的感知,这些生理过程都与机械力的感知有着密不可分的联系。其中一些特化的细胞进化成为专门感知机械力的“终端”,比如触觉受体Piezo家族蛋白能够感知机械力3,听觉相关受体TMC在耳蜗毛细胞中通过机械力介导听觉传导4,这些都是我们普遍认知的能够感知机械力的离子通道受体。GPCR作为另一大类膜受体也能感知机械力,它对力的感知许多通过黏附类受体家族进行,比如GPR114, GPR133, GPR126, GPR56等,这是缘于其独特的结构和功能特征。黏附类受体(aGPCR)具有巨大的含有众多结构域的胞外端,胞外端参与受体与受体以及受体与细胞基质间的相互作用,它与机械力的感知密切相关。然而黏附类受体感知机械力后如何激活并进行信号转导目前还不清楚。
      黏附类受体另一个显著的结构特征是含有GAIN(GPCR autoproteolysis-inducing)结构域和GPS(GPCR proteolytic site)自水解位点,大多数黏附类受体GPS可以发生自水解反应,将受体切割为NTF(N-terminal fragment)和CTF(C-terminal fragment)两个片段,受体CTF N端大约十几个氨基酸可以作为激动剂将受体激活并招募下游G蛋白,这部分序列称为Stachel序列或栓系激动剂(TA, Tethered agonist)。aGPCR与其他家族GPCR不同的一个重要特征是其能够依赖Stachel序列自激活。孙金鹏联合张岩、徐华强课题组于2021年1月份在Nature发表了糖皮质激素-GPR97-Go复合物结构5,证明了小分子配体可以直接与黏附类受体7次跨膜核心结合并激活受体。但是黏附类受体自激活状态下的作用机制还是一个未解之谜。目前已报道的Stachel序列介导的aGPCR激活至少有三种不同的激活模式6,7(图1):1) Stachel序列在GPS处自水解后,NTF与CTF解离,Stachel序列暴露,然后与TMD相互作用6,2) Stachel序列与TMD有预结合或间歇的相互作用,这种相互作用通过配体刺激或机械力稳定下来8,3) Stachel序列与TMD接触通过GAIN结构域内部构象变化调节9。每个假设都有实验支持,但也相互矛盾。例如,GAIN结构域的晶体结构显示Stachel序列被隐藏为无法与TMD相互作用的β折叠。这与某些能被Stachel序列激活的aGPCRs的高组成活性相冲突。因此Stachel序列如何激活受体目前还不清楚。
    图1 aGPCR依赖Stachel激活的三种假设模型
      针对上述两个问题,科研人员以黏附类受体GPR133和GPR114作为模型进行结构分析,探究 Stachel序列介导的aGPCR激活机制。GPR133GPS位点发生水解,在质膜上发生NTF-CTF分离10。GPR114不发生自水解,能够感知机械力8
      首先,Stachel序列可以作为激动剂激活GPR133, GPR114受体,招募下游Gs蛋白。通过生化实验验证GPR133/GPR114去掉NTF后本底活性明显高于全长受体以及缺少Stachel序列的CTF结构。并且通过体外合成受体Stachel序列刺激去掉Stachel序列的CTF片段,同样证明Stachel序列能作为激动剂激活受体。
      其次发现机械力是通过调控Stachel与受体的结合来激活受体。研究人员对野生型以及GPR133 GPS位点突变(失去自剪切功能)受体分别进行机械力检测,发现均可以感知机械力。同时科研团队发现,将人NTF上的重要位点突变并没有影响其机械力的感知效果,这也侧面印证了机械力的作用方式是通过NTF的振动构象改变,使 Stachel序列暴露,然后与受体进行结合从而激活受体。基于此结果,研究团队将受体结合口袋中与Stachel相互作用位点进行突变,发现机械力作用有不同程度的降低,因此得出结论——机械力是通过调控Stachel与受体的结合来激活受体(图2)。

    图2 机械力感知aGPCR激活机制示意图

      然后,通过复合物冷冻电镜结构解析,发现了Stachel序列HIM结构介导其与受体相互作用。为了探究Stachel序列与受体之间的作用关系,研究人员解析了GPR133-CTF-Gs-Nb35和GPR114-CTF-Gs-scFv16复合物的低温电镜结构,分辨率分别为3.1 埃 and 3.3 埃(图3a)。GPR133-CTF和GPR114-CTF的总体TMD排列与团队最近解析的黏附受体GPR97结构有很大差别,更类似于分泌素样GPCR(ClassB1)结构,在TM6和TM7存在两个kink结构。GPR133-CTF和GPR114-CTF的Stachel序列都折叠在被跨膜螺旋和ECL2包围的正构结合位点口袋内,Stachel 序列在口袋内部形成α螺旋结构(图3b)。Stachel序列中5个疏水氨基酸组成的保守HIM (Fss-03xφφφxφss-09)在Stachel序列与受体相互作用中起着核心作用(图3c)。Fss-03, φss-06, φss-07三个氨基酸侧链朝向配体结合口袋内侧,φss-05侧链朝向口袋外侧,最后一位φss-09与TM5以及ECL2上的氨基酸形成一个疏水口袋(图3d-i)。
    图3 GPR133 GPR114结构模型
      在GPR133-CTF和GPR114-CTF受体中都发现了保守切换开关W6.53,它可以感知Stachel序列的结合,介导受体的激活。Q/Y7.49和保守的N5.50与P6.47/ V6.47 φφG6.50基序形成氢键网络,这对稳定TM6和TM7的kink结构至关重要。在kink结构的下方,TM6和TM7末端向外倾斜,形成更大的细胞质空腔,促进与G蛋白偶联。与其他GPCR不同的是,GPR114具有延伸的TM7,扩展TM7插入到Gαs和Gβ1亚基之间产生的凹槽中。延伸螺旋可能在其细胞内信号传导中发挥重要作用。
      综上所述,研究团队首先通过功能实验证明了受体感知机械力后通过Stachel序列激活受体,冷冻电镜结构解析进一步确定了Stachel中的5个疏水氨基酸组成的保守HIM (Fss-03xφφφxφss-09)在Stachel序列与受体相互作用中起着核心作用,阐明了Stachel序列被受体识别的结构基础,揭示了黏附类受体在机械力作用下依赖Stachel序列激活的激活机制,对Stachel序列介导的aGPCR与G蛋白偶联机制有了深入了解,同时为Stachel序列外源短肽设计提供了依据。
      山东大学基础医学院博士生平玉奇,肖鹏教授、高等医学院杨帆教授、基础医学院博士研究生赵儒嘉、郭盛超、严旭、吴襄为为本文的共同第一作者;山东大学基础医学院为第一完成单位;孙金鹏教授、徐华强研究员、Ines Liebscher为本论文共同通讯作者。本研究得到国家重点研发计划基金、国家杰出青年科学基金、国家优秀青年科学基金、自然基金委重点基金和山东省优秀青年基金的支持。

    责编 :李暄妍