上海藥物所等解析糖皮質激素與GPR97和Go蛋白複合物的冷凍電鏡結構

2021-01-09 瀟湘晨報

中國科學院上海藥物研究所研究員徐華強團隊與山東大學教授孫金鵬團隊、浙江大學教授張巖團隊等首次解析了糖皮質激素與其膜受體GPR97和Go蛋白複合物的冷凍電鏡結構，這也是國際上首次解析的黏附類GPCR與配體和G蛋白複合物的高解析度結構。相關研究成果以Structures of glucocorticoid-bound adhesion receptor GPR97-Go complex為題，於2021年1月6日在線發表在Nature上。

黏附類G蛋白偶聯受體（Adhesion G protein-coupled receptors, aGPCRs）是GPCR超家族成員之一，在生物體一些重要的生理過程中發揮關鍵分子開關的作用，如腦的發育、水鹽調節、炎症以及細胞命運決定等。與GPCR超家族其他成員相比，aGPCRs除了具有經典的7次跨膜核心（7TM）外，還具有較長的胞外區域，組成了擁有不同功能的結構域。目前普遍認為aGPCRs可被結合胞外的基質蛋白或可溶性小分子激活，然而，學界尚不清楚小分子配體是否可以直接結合7TM並激活受體。

糖皮質激素對機體的發育、生長、代謝及免疫等功能發揮重要的調節作用，是機體應激反應最重要的調節激素和臨床上使用最廣泛的抗炎及免疫抑制劑之一。經典理論認為，糖皮質激素通過與糖皮質激素核受體結合，並穿過核孔，在細胞核內發揮調控相關基因表達的作用。該作用方式通常需要較長的反應時間，被稱為基因組機制。徐華強課題組分別在2002年和2014年解析了糖皮質激素核受體與地塞米松（Cell, 110: 93-105）和內源性糖皮質激素——氫化可的松（Cell Research, 24: 713–726）的晶體結構，揭示了糖皮質激素識別與功能調控其核受體的機制，推動了糖皮質激素受體靶向藥物的開發。此外，糖皮質激素被發現能夠快速引起細胞和機體的變化，這提示生物體內可能存在糖皮質激素的膜受體，其能夠介導糖皮質激素的快速反應。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，並據此推測GPCR是糖皮質激素的潛在膜受體。孫金鵬和山東大學教授易凡團隊等對GPR97進行了受體生理學和內源性配體發現等工作，發現包括糖皮質激素類的氫化可的松、可的松以及11-脫氧皮質醇等在內的內源性類固醇激素均能夠激活GPR97，其中，地塞米松具有更強的GPR97激活能力，並最終確認Go是GPR97激活後偶聯的G蛋白通路。

在前期工作基礎上，合作團隊採用單顆粒冷凍電鏡技術，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解析，最終分別獲得了兩個配體激活態的GPR97受體與Go蛋白的複合物結構，解析度分別為3.1埃和2.9埃（圖1a和1b）。

與其他GPCR亞家族成員相比，GPR97的7TM呈現獨特的空間分布，其螺旋展現出與其他受體不同的長度。根據傳統理論，aGPCR特有的胞外GAIN結構域和7TM在激活GPCR的過程中作為整體發揮其核心功能，然而，研究人員在結構中首次發現糖皮質激素結合在GPR977TM核心中的一個橢圓形正構結合口袋（圖1c）；此外，GPR97還展現出不同於其他A類GPCR成員的獨特激活機制。GPR97序列中不含有保守的PIF、DRY和NPxxY等motif，其首先通過toggle switch W6.53識別配體並被激活。激活的受體藉助首次發現的upper Quaternary core（UQC）將受體TM3-TM5-TM6捆綁在一起，繼而通過HLY motif介導與Go蛋白的結合。受體7TM組成較大的胞內側G蛋白結合口袋，3個胞內環均參與受體與G蛋白的相互作用，胞內環與受體的組成性激活密切相關；該研究中，研究人員還首次闡述了G蛋白的棕櫚醯化修飾在其偶聯GPCR中的關鍵作用。研究首次發現Gαo的α5螺旋C351位點被棕櫚醯化修飾（圖2），並進一步驗證了該修飾在Go與GPR97的偶聯中的獨特作用。

綜上，合作團隊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Go蛋白複合物的結構，從而在近原子解析度上揭示了糖皮質激素識別並激活膜GPR97，以及受體偶聯Go蛋白的分子機制。該成果將對糖皮質激素膜受體功能研究和黏附類GPCR的激活機制理解發揮重要的示範及推動作用。

上海藥物所為該研究的第一完成單位。上海藥物所與山東大學基礎醫學院聯合培養博士生平玉奇，浙江大學基礎醫學院博士後毛春友，山東大學基礎醫學院副教授肖鵬、碩士研究生趙儒嘉，上海藥物研究所研究員蔣軼為論文的共同第一作者；孫金鵬、張巖、徐華強為論文的共同通訊作者；易凡和山東大學教授於曉為論文的共同作者。研究工作得到國家基金委、科技部、上海市科委等單位的支持。

圖1.GPR97的冷凍電鏡結構

圖2.Go棕櫚醯化修飾

【來源：中國科學院科技產業網】

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