1月7日，山東大學基礎醫學院孫金鵬教授研究團隊與浙江大學張巖教授團隊、中國科學院上海藥物研究所徐華強研究員團隊精誠合作，全力攻關，在山東大學易凡教授團隊和於曉教授團隊的協助下，在Nature在線發表了題為「Structures of glucocorticoid-bound adhesion receptor GPR97-Go complex」最新的研究成果。
山東大學基礎醫學院博士生平玉奇、肖鵬副教授、碩士研究生趙儒嘉、浙江大學基礎醫學院博士研究生毛春友和上海藥物所蔣軼研究員為本文共同第一作者；孫金鵬教授、張巖教授、徐華強研究員為共同通訊作者，山東大學易凡教授、於曉教授為論文共同作者。
研究成果簡介
該研究首次鑑定並解析了糖皮質激素與其膜受體GPR97結合的複合物電鏡結構，這也是世界上首次解析的黏附類GPCR在配體激活情況下與G蛋白形成複合物的電鏡結構。
黏附類G蛋白偶聯受體（Adhesion G protein-coupled receptors, aGPCRs）在GPCR超家族中是一類進化上比較古老的亞群，它又可以分為8個小的亞群，總共33種GPCR蛋白，其中大部分成員都是孤兒受體。aGPCRs在生物體許多重要的生理過程中起到關鍵分子開關的作用，比如腦的發育、水鹽調節、炎症以及細胞命運決定等。很多黏附類受體的突變與多種人類疾病相關，比如VLGR1的突變和耳聾密切相關，而GPR64的突變和男性不育相關，但這些突變如何導致人類疾病，是否可以針對這些黏附類受體開發出相應的藥物尚不清楚。與GPCR超家族各成員相比，aGPCR除了具有7次跨膜核心（7TM）之外，在拓撲結構上具有明顯的特徵。aGPCR胞外區域特別長，並且存在具有不同功能的結構域，目前領域裡普遍認為aGPCR通過結合胞外的基質蛋白或者可溶性小分子被激活，然而是否有小分子配體直接可以直接激活7次跨膜核心尚不清楚。
研究過程回溯
孫金鵬教授課題組很早便對aGPCRs這樣一類重要的細胞膜受體展開了研究。早期的團隊研究發現，聽力相關的黏附類受體VLGR1 (GPR98) 6236位移碼突變使受體喪失結合具有Gi通路活性的PDZ7的能力，進而導致VLGR1下遊Gi通路持續激活，是導致聽覺失常的重要原因[1]。在雄性生殖系統中，GPR64能夠通過Gq和Arrestin在非纖毛細胞的頂膜與離子通道CFTR的偶聯，調控附睪組織中輸出小管的水鹽代謝和重吸收，進而對雄性生殖起到了重要作用[2]。除了以上兩個受體之外，孫金鵬教授課題組還與易凡教授課題組合作發現Gpr97缺失抑制HuR蛋白表達，導致Sema3A mRNA穩定性降低以及Sema3A蛋白表達降低，從而緩解IRI引起的腎功能損傷[3]。
為進一步尋找孤兒受體GPR97的配體，研究團隊通過定向篩選的方法，發現糖皮質激素及糖皮質激素類藥物可以高親和力的結合GPR97，並激活GPR97. 糖皮質激素（GC）是機體內極為重要的一類調節分子，它對機體的發育、生長、代謝以及免疫功能等起著重要的調節作用，是機體應激反應最重要的調節激素，也是臨床上使用最為廣泛而有效的抗炎和免疫抑制劑。早在1950年，美國的菲利普·肖瓦特·亨奇、愛德華·卡爾文·肯德爾和瑞士的塔德烏什·賴希施泰因便因為發現和應用糖皮質激素治療風溼性疾病而獲得了諾貝爾獎。但前人大量的研究顯示，糖皮質激素的作用模式，主要是通過與其核受體（GR）結合，並穿過核孔，在細胞核內調控相關基因的表達而發揮作用，這種作用方式一般需要較長的時間才能起作用，被稱為基因組機制。但其實，科研人員很早便發現，糖皮質激素也能夠通過快速的方式引起細胞和機體的變化。比如，中科院院士、神經生理學家陳宜張先生，早在20世紀80年代便發現，糖皮質激素能夠在2分鐘內使豚鼠神經節神經元（ganglion neurons）發生膜電位超極化，也能在PC12細胞中快速的抑制nicotine引起的鈣離子流[4-7]。這提示我們，生物體內可能存在著糖皮質激素的膜受體，它們能夠介導糖皮質激素的快速反應。另外，有研究發現糖皮質激素的快速反應與G蛋白有密切關係，Gi的抑制劑PTX能夠抑制糖皮質激素的快速作用，因此，研究人員推測，糖皮質激素的膜受體很可能是GPCR。然而，這四十年以來，糖皮質激素的膜受體一直未能真正確證，糖皮質激素的快速作用的機制依然成謎。
前期已有研究報導，治療哮喘藥物丙酸倍氯米松（BDP）能夠在體外激活GPR97。通過結構觀察，研究團隊們發現BDP是糖皮質激素類藥物倍氯米松（BCM）的衍生物，在17和21位有兩個丙酸的修飾。這兩個丙酸的修飾在激活GPR97過程中是否必須，前期的文章中並沒有給予說明。團隊於是懷疑兩個丙酸的修飾可能不是必須的，而BCM以及其他的糖皮質激素類化合物都可能是GPR97的配體。研究團隊於是對內源性激素進行了系統的篩選，最終發現糖皮質激素類的氫化可的松（cortisol）、可的松（cortisone）以及11-脫氧皮質醇（11-deoxycortisol）都能夠激活GPR97。此外，地塞米松（Dexamethasone）具有更強的GPR97激活能力。進一步的實驗顯示，氫化可的松和可的松都能夠通過GPR97明顯抑制forskolin誘導的cAMP上升。而通過Gqo解離實驗，研究人員確認，配體作用於GPR97後最終激活了Go信號通路。
圖1.GPR97結構
接下來，研究人員採用單顆粒冷凍電鏡分別對外源配體倍氯米松（BCM）以及內源性配體氫化可的松（cortisol）激活GPR97後形成的複合物進行了結構重塑。我們應用單顆粒冷凍電鏡技術解析了GPR97在配體激活情況下與G蛋白的複合物結構。其中倍氯米松與GPR97-Go複合物結構的解析度為3.1，氫化可的松與GPR97-Go複合物結構的解析度達到了2.9，如圖1所示。
圖2. Go棕櫚醯化修飾
從電鏡結構中我們可以發現，與其他已經解析的GPCR結構相比，GPR97的七次跨膜螺旋呈現獨特的空間分布，其螺旋的長度與其他受體也有很大的不同；以前的研究表明，GAIN結構域和七次跨膜結構域在激活GPCR的過程中是作為一個一體的核心來發揮作用的，但出乎意料的是，研究人員在結構中發現糖皮質激素結合到了GPR97七次跨膜正構結合位點口袋（orthosteric binding pocket）中， 配體結合口袋狹長，呈橢球形，主要通過疏水作用力和氫鍵與受體結合；GPR97激活機制比較特殊，和classA家族受體相比，沒有保守的PIF motif、DRY motif和NPxxY motif,GPR97首先通過toggle switch W6.53識別配體，激活的受體藉助新發現的upper Quaternary core（UQC）將受體TM3-TM5-TM6捆綁在一起，然後通過HLY motif介導與G蛋白結合。從胞內側看，受體七次跨膜螺旋組成較大的張開口袋，3個胞內環都參與了受體與G蛋白的相互作用，胞內環與受體的組成性激活非常相關，某些重要胺基酸突變，能顯著改變受體的自激活能力。
不僅如此，電鏡結構還發現在Gαo的α5 helix C351位點處存在棕櫚醯化修飾，這是GPR97-Go複合物中特有的，在其他已有結構的GPCR-Gi/Go複合物中未發現此修飾，以與Gi結合的D2R（多巴胺受體）為對照，將Gα C351位胺基酸突變，結果發現突變只影響GPR97與G蛋白偶聯，不影響多巴胺受體與G蛋白偶聯。
綜上所述，研究人員首次發現了糖皮質激素的高親和力膜受體，並通過單顆粒冷凍電鏡技術解析了黏附類GPCR家族中GPR97在糖皮質激素的激活作用下與G蛋白的複合物結構，從而在原子解析度上詳細闡釋了糖皮質激素如何和膜受體作用，激活該受體，並與G蛋白偶聯的清晰過程。該成果無論是對於糖皮質激素膜受體功能研究還是黏附類GPCR的激活機制理解都起到了很重要的推動和示範作用。
系列研究成果一覽
山東大學基礎醫學院孫金鵬教授研究團隊在GPCR跨膜信號轉導領域連續取得進展。
2015年
提出磷酸化編碼的笛子模型理論（Nat Commun. 2015Sep8;6:8202.），進一步揭示了GPCR磷酸化編碼別構調控SH3 domain蛋白的多聚脯氨酸碼頭分選機制（Nat Chem Biol. 2018Sep;14(9):876.）
2017年
發現多種GPCR與離子通道偶聯的新機制以及介導心血管事件（Nat Commun.2017Feb9;8:14335.；Nature Commun.2018Jan2;9:11.；Elife. 2018Feb2;7:e33432.）
2020年
利用冷凍電鏡技術揭示膽汁酸受體配體識別及激活的獨特機制（Nature.2020Nov;587(7834):499-504.），並發展新的一維氫譜探針，證明配體對Arrestin的調控可以不依賴於對GRK的選擇（Nat Commun. 2020Sep25;11(1):4857.）
以上研究得到了國家傑出青年科學基金和國家自然科學基金的資助與支持。