胰高血糖素受體GCGR的三維結構示意圖。GCGR參與調節人體內血糖穩態，是治療2型糖尿病藥物的重要靶點。圖中左上角GCGR的三維結構以藍色飄帶圖顯示，GCGR的天然配體胰高血糖素以紅色飄帶顯示；圖下方為與GCGR結合的兩種G蛋白，以表面圖顯示，其中，Gs蛋白的三個亞基分別用橙色、灰色和藍色顯示，Gi蛋白的三個亞基分別用紅色、灰色和藍色顯示。（中科院上海藥物所吳蓓麗研究組供圖）
中國科學院上海藥物研究所吳蓓麗、趙強研究團隊與中國科學院生物物理研究所孫飛、澳大利亞莫納什大學Denise Wootten研究團隊合作，在G蛋白偶聯受體（GPCR）結構與功能研究領域取得突破性進展：解析了人源胰高血糖素受體（GCGR）分別與激活型G蛋白（Gs）和抑制型G蛋白（Gi）結合的複合物三維結構。這是首次測定一種GPCR與不同類型G蛋白結合的複合物結構，闡明了受體與不同G蛋白的精細結合模式，並揭示了GPCR對G蛋白的選擇性機制，為深入認識GPCR的細胞信號轉導機理提供了重要的依據。相關研究成果於北京時間3月20日發表於《科學》。
GPCR在細胞信號轉導中發揮重要作用，與人類疾病密切相關，是最大的藥物靶標蛋白家族，目前40%以上的上市藥物以GPCR為靶點。GPCR發揮的生理功能在很大程度上由其所激活的細胞內效應蛋白（G蛋白等）決定。根據其介導的下遊信號通路，G蛋白可分為Gs、Gi、Go和Gq等類型，其中，Gs 和Gi被GPCR活化後，分別激活和抑制腺苷酸環化酶，產生相反的生物學效應。研究表明，不同GPCR可選擇性激活一種或多種G蛋白，但一種GPCR如何識別不同類型的G蛋白一直未被清晰闡明，制約了對於G蛋白選擇調控機制的深入理解。
吳蓓麗和趙強聯合研究團隊與國內外合作者一起，通過多學科的緊密合作與艱苦攻關，利用單顆粒冷凍電鏡技術，成功測定了胰高血糖素受體GCGR與其天然配體胰高血糖素以及Gs或Gi結合的兩個複合物結構。GCGR屬於B類GPCR家族，對於維持人體血糖穩態發揮關鍵作用，是治療2型糖尿病藥物的重要靶點。GCGR主要通過激活Gs蛋白行使其功能，但越來越多的研究表明，該受體也可與Gi和Gq等其他類型的G蛋白作用，產生不同的生物學效應，體現了GPCR信號轉導過程的複雜性和多樣性。
2017年以來，上海藥物研究所合作研究團隊陸續解析了GCGR全長蛋白分別與小分子抑制劑和多肽激動劑結合的複合物晶體結構，極大地促進了對B類GPCR信號識別和調控機制的認識。此次，該科研團隊乘勢而為，進一步測定了GCGR與不同效應蛋白複合物的三維結構，對於全面闡釋該受體蛋白的信號轉導機制具有重要的意義。
基於以往的GPCR結構研究，人們普遍認為GPCR通過調節第六跨膜螺旋（TM6）向外遷移的幅度改變其G蛋白結合口袋的大小，實現與不同類型G蛋白的結合。與這一傳統認知不同，GCGR-Gs和GCGR-Gi複合物結構顯示，GCGR以一個相似的G蛋白結合口袋與這兩種功能相反的G蛋白結合。與已經解析的A類GPCR與G蛋白的複合物結構相比，GCGR的G蛋白結合口袋開口更大，不僅可以滿足體積較大的Gs蛋白的結合，而且能夠容納體積較小的Gi蛋白，這種利用相似結合口袋識別不同G蛋白的分子機制可大大提高GPCR激活多條下遊信號通路的效率。這一發現極大地深化了人們對GPCR信號轉導機制的認識。
雖然與Gs和Gi結合時，GCGR形成的G蛋白結合口袋大小相似，但其與兩種G蛋白的相互作用模式差異巨大。GCGR與Gs相互作用界面的面積是其與Gi作用界面的兩倍，使得該受體與Gs的親合力高於Gi，這為GCGR主要通過Gs進行信號轉導提供了結構基礎。此外，研究發現，在這兩個複合物結構中，受體分子胞內側環區（ICL）存在較大的構象差異，三個胞內環（ICL1-3）在與不同G蛋白結合時發揮著不同的作用。其中，第二胞內環（ICL2）的構象差異最為顯著，該區域與Gs緊密結合；而受體與Gi結合時，ICL2向受體一側偏移，僅與Gi形成微弱的相互作用。
該合作攻關團隊綜合利用胺基酸突變、G蛋白激活和細胞信號轉導等研究手段，針對GCGR與G蛋白作用界面上的數十個關鍵胺基酸進行檢測，研究它們對Gs和Gi活化的影響。實驗結果表明，GCGR的ICL2和第七跨膜螺旋與第八螺旋之間的連接區域對於識別Gs蛋白發揮關鍵作用，而受體的另外兩個胞內環（ICL1和ICL3）和G蛋白結合口袋內的疏水胺基酸則對於結合Gi蛋白至關重要。
研究人員表示，這是首次在一種GPCR分子中明確不同類型G蛋白的識別關鍵區域，對於深入研究G蛋白的選擇性調控機制意義重大。此外，這些發現為偏向性配體藥物的設計提供了重要依據：通過選擇性抑制其中一種效應蛋白的活化，有效降低藥物副作用，將推動抗2型糖尿病藥物的研發。
相關論文信息：https://doi.org/10.1126/science.aaz5346
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