徐華強課題組合作解析首個激活狀態甲醯化多肽受體FPR2的信號轉導...

在細菌和宿主線粒體蛋白質中大量存在甲醯化的多肽，它們的普遍特徵是蛋白序列中N末端甲硫氨酸被甲醯化修飾，從而被人體內一類被稱為甲醯化多肽受體（Formyl-peptide receptors, FPRs）的G蛋白偶聯受體（GPCR）識別並激活下遊信號傳導通路，引起相關免疫細胞行為改變，達到機體對外源病原體微生物的固有免疫防禦以及清除體內衰老或損傷細胞的目的。這種甲醯化修飾多肽介導的免疫細胞信號響應和炎症發生作為一種重要的趨化性質的固有分子識別模式，監測著病原菌入侵以及自身細胞損傷的發生，在人體固有免疫系統中扮演著重要角色。

FPR2-Gi-scFv16-WKYMVm的冷凍電鏡整體密度圖以及三維結構模型

FPRs由FPR1、FPR2、FPR3組成，在結構上屬於Class A類GPCR，主要存在於中性粒細胞、巨噬細胞和白細胞等。其中，FPR2在所有GPCR中是典型的配體種類雜亂，除了能夠模式化識別廣泛來源的甲醯化多肽配體外，還可以識別一系列結構和功能不一樣的非甲醯化蛋白配體，包括HIV病毒來源多肽、β澱粉樣蛋白以及趨化因子等。儘管包括甲醯化多肽配體在內的大多數配體激活FPR2後介導免疫細胞的趨化和遷徙以及後續的炎症反應發生，但FPR2可以被內源性的蛋白配體（Annexin A1）以及脂質配體（LXA4，Resolving D1等）所激活，介導炎症反應的消除，起到防護機體的作用。由於FPR2功能的複雜性，使之成為開發治療包括炎症、阿爾茲海默疾病、愛滋病、甲型流感等疾病在內相關藥物的重要藥物靶點，同時，開發偏好性激活FPR2消除炎症反應這一信號通路的藥物也成為一個新的藥物研發思路和契機。然而，從FPR2基因被發現和克隆以來的30年內，雖然針對FPR2開展了很多生化研究，但由於相關結構的缺乏，FPR2的激活機制以及與下遊信號蛋白的結合方式一直處於未知狀態，極大阻礙了靶向FPR2的藥物研發。

為解決這一科學問題，徐華強課題組與美國匹茲堡大學Cheng Zhang課題組合作，依託美國溫安洛研究所（Van Andel Institute）的冷凍電鏡平臺，解析了促炎多肽配體WKYMVm激活下FPR2-Gi信號複合物的冷凍電鏡結構（3.17A），並結合計算機模擬方法闡釋了FPR2的激活機制，提出了FPRs受體家族識別甲醯化多肽配體潛在的保守識別模式，為了解FPR2的配體識別機制、與下遊信號蛋白Gi的結合模式以及靶向FPR2的相關藥物設計和研發奠定了堅實的結構基礎和理論依據。研究論文「Structure of formylpeptide receptor 2-Gi complex reveals insights into ligand recognition and signaling」於2月14日在線發表於Nature Communication。

研究發現，FPR2具有一個龐大的兩親性配體結合口袋，而區別於其他已知的多肽結合的趨化因子類GPCR的是，WKYMVm以C端朝裡的模式完全插入到FPR2內使之能與保守的胺基酸殘基W2546.48直接互作並包埋於兩親性口袋之中，計算機模擬分析發現FPR2的胞外區域十分活躍，以上特性進一步賦予了FPR2結合不同化學結構配體的能力。此外，基於FPR2-WKYMVm的結構以及FPR2和FPR1在序列上69%的高度相似性，研究人員構建了FPR1的三維模型並對FPR1/FPR2結合甲醯化配體的模式進行了模擬分析和功能試驗驗證，結果表明，甲醯化配體以N端朝內的形式結合到受體上，其N端的甲醯基模擬WKYMVm的C端D-Met，與FPR1/FPR2配體結合口袋內部D1063.33, R2015.38 和R2055.42三個胺基酸殘基形成的極性口袋相互作用，並指出該三個保守胺基酸組成了FPRs模式識別甲醯化多肽配體的重要結構基序以及確保甲醯化多肽配體以正確的構象結合併進一步激活FPRs。

FPR2與Gi存在三個不同的結合界面，分別為Gαi的α5螺旋和FPR2形成的凹槽、Gαi的αN-β1和β2-β3扭曲和受體的ICL2以及Gβ與FPR2的Helix 8。這一結果揭示了GPCR在結合下遊G蛋白模式上的保守性以及多樣性。

上海藥物所博士生莊友文、美國匹茲堡大學博士後Heng Liu為該論文的共同第一作者，中科院上海藥物研究所為第一單位。徐華強研究員、Cheng Zhang教授為共同通訊作者。參與這項研究的單位還有美國匹茲堡大學、美國溫安洛研究所、美國奧古斯塔大學以及新加坡科技研究局（A * STAR）生物信息學研究所。該項工作得到了美國國立衛生研究院、Van Andel基金會以及新加坡A * STAR的IAF-PP項目經費支持。此外，藥物所博士生莊友文在該研究中得到了國科大國際聯合培養項目的資金支持。