GPCR是最大的一類細胞跨膜信號轉導受體家族和最重要的藥物靶標，其通過偶聯下遊G蛋白和阻遏蛋白等多種效應蛋白轉導胞外信號。在多種GPCR效應蛋白中，抑制型G蛋白（Gi）可選擇性偶聯五羥色胺受體和多巴胺受體等GPCR，發揮調節情緒、食慾、動機、認知和獎勵等功能。在最近幾天，連續有4篇Nature介紹GPCR與G蛋白的冷凍電鏡結構，這也同時說明這個領域的持續火爆程度。這4篇文章分別是：中國科學院上海藥物研究所徐華強等團隊發表的題為「Cryo-EM structure of human rhodopsin bound to an inhibitory G protein」的研究論文，該論文獲得了視紫紅質和Gi蛋白複合物的近原子解析度冷凍電鏡結構。該結構首次展示了GPCR與Gi蛋白相互作用界面的結構細節，完善了人們對GPCR-Gi下遊轉導選擇性分子機制的理解，也為設計高效低毒的GPCR靶向藥物提供了結構生物學基礎；史丹福大學 Kobilka 研究組及Skiniotis研究組聯合加州大學舊金山分校 Manglik研究組合作發表的題為「Structure of the µ-opioid receptor–Gi protein complex」，該論文得到了μOR與熱激肽DAMGO和無核苷酸Gi結合的3.5Å解析度冷凍電子顯微鏡結構，揭示了跨膜受體螺旋6的位置以及G蛋白α亞基與受體核心之間的相互作用的差異，這些結果有助於μOR的Gi蛋白偶聯特異性的結構特徵；澳大利亞莫納什大學眾多研究組合作發表題為「Structure of the adenosine-bound human adenosine A1 receptor–Gi complex」的研究論文，報導了GPCR與異源三聚Gi蛋白偶聯的GPCR的結構，特別是結合其內源性激動劑ADO的A1R-Gi2複合物。與激動劑結合的β2腎上腺素能受體-Gs-蛋白質複合物的比較顯示，在與其受體結合時，每種G-蛋白質亞型具有不同的取向。這種活躍的A1R結構為受體和G蛋白選擇性提供了分子見解；劍橋大學MRC分子生物學實驗室Tate研究組發表的題為「Cryo-EM structure of the serotonin 5-HT1B receptor coupled to heterotrimeric Go」的研究論文，該文章解釋了Go和Gs與GPCR複合的界面之間的分子差異可能對耦合的特異性和信號傳導的動力學的機制，GPCR信號通路中步驟的動力學被認為對特定細胞類型中激動劑與受體結合的特定信號事件結果具有深遠影響。 結構數據和動力學分析的組合對於揭示該系統的複雜性是至關重要的。
1.人視紫紅質與抑制性G蛋白結合的冷凍電鏡結構
GPCR是最大的一類細胞跨膜信號轉導受體家族和最重要的藥物靶標，其通過偶聯下遊G蛋白和阻遏蛋白等多種效應蛋白轉導胞外信號。在多種GPCR效應蛋白中，抑制型G蛋白（Gi）可選擇性偶聯五羥色胺受體和多巴胺受體等GPCR，發揮調節情緒、食慾、動機、認知和獎勵等功能。徐華強研究員團隊在GPCR與Gi蛋白複合物結構研究領域取得重大突破，獲得了視紫紅質和Gi蛋白複合物的近原子解析度冷凍電鏡結構。該結構首次展示了GPCR與Gi蛋白相互作用界面的結構細節，完善了人們對GPCR-Gi下遊轉導選擇性分子機制的理解，也為設計高效低毒的GPCR靶向藥物提供了結構生物學基礎。
視紫紅質（Rhodopsin）與抑制型G蛋白（Gi）複合物的三維結構示意圖
該工作是徐華強與合作者在GPCR研究領域的又一重要突破。2015年其利用X射線自由電子雷射技術，在《自然》雜誌發表了rhodopsin與阻遏蛋白複合物的晶體結構，攻克了細胞信號轉導領域的重大科學難題。這一突破性成果入選兩院院士評選2015中國十大科技進展新聞，同時徐華強研究員也榮獲了2016年國際蛋白質學會（The Protein Society）授予的Hans Neurath獎。2017年其再次利用最強X射線雷射，破解了GPCR招募阻遏蛋白的磷酸化密碼，研究成果以封面文章發表在《細胞》雜誌上。這些研究成果深入系統地對GPCR與下遊多種效應蛋白相互作用進行研究，闡述了GPCR信號通路轉導的分子機制，具有重大的理論意義和實際應用價值。
該工作由中國科學院上海藥物研究所、美國溫安洛研究所、美國弗雷德裡克國家癌症研究實驗室、美國芝加哥大學、加拿大多倫多大學和美國國家癌症研究所等機構合作完成。該研究除取得國際項目支持外，還獲得國家自然基金委等項目的資助。
注：解析轉自藥物所。
原文連結：
https://www.nature.com/articles/s41586-018-0215-y
解析連結：
http://www.simm.ac.cn/xwzx/kydt/201806/t20180614_5026735.html
2.μ阿片受體-Gi蛋白複合物的結構
μ-阿片受體（μOR）是一種G蛋白偶聯受體（GPCR），也是大多數臨床和娛樂性使用的阿片類藥物的靶標。通過抑制腺苷酸環化酶異源三聚G蛋白Gi的μOR信號傳導介導鎮痛和欣快的誘導作用。
阿片類藥物與μOR的結合導致臨床上期望的止痛和鎮咳作用，但也有重要的負面副作用，包括成癮和潛在致命的呼吸抑制。像其他GPCR一樣，μOR通過刺激通過異源三聚G蛋白的信號傳導來實現其許多生理學作用。雖然其他GPCR已經顯示通過多於一種G蛋白亞型發出信號，但μOR幾乎完全通過G蛋白（Gi / o）的腺苷酸環化酶抑制家族發出信號。
阿片類藥物的鎮痛活性受G蛋白活化驅動，但活化的μOR也可與β-arrestins相互作用，其中的募集與許多阿片類藥物引起的呼吸抑制有關。最近開發的有利於Gi信號傳導而不是arrestins募集的分子顯示出鎮痛效力，副作用減少，這表明不同的信號傳導途徑可以選擇性靶向，進而產生獨特的生理學結果。儘管最近通過X射線晶體學和冷凍電子顯微鏡（cryo-EM）研究GPCR與刺激性G蛋白Gs相互作用得到了一些細節，但通過其他G蛋白亞型的GPCR信號傳導的結構基礎仍然不是很清楚。
μOR-Gi複合物的冷凍電鏡結構
在這裡，史丹福大學 Kobilka 研究組及Skiniotis研究組聯合加州大學舊金山分校 Manglik研究組得到了μOR與熱激肽DAMGO和無核苷酸Gi結合的3.5Å解析度冷凍電子顯微鏡結構。 DAMGO佔據嗎啡喃配體口袋，其N末端與保守受體殘基及其C末端接合區域相互作用，所述區域對於阿片樣物質 - 配體選擇性是重要的。 將μOR-Gi複合物與先前確定的刺激性G蛋白Gs結合的其他GPCR的結構進行比較，揭示了跨膜受體螺旋6的位置以及G蛋白α亞基與受體核心之間的相互作用的差異。 總之，這些結果有助於μOR的Gi蛋白偶聯特異性的結構特徵。
原文連結：
https://www.nature.com/articles/s41586-018-0219-7
3.腺苷結合的人腺苷A1受體-Gi複合物的結構
腺苷（ADO）受體（A1R）包括介導嘌呤核苷ADO的作用的A類G蛋白偶聯受體（GPCR）超家族中的四種亞型。 A1R的激活在局部缺血 - 再灌注損傷，心房纖顫，神經性疼痛等中是治療上需要的。
事實上，A1R的無活性狀態，拮抗劑結合的結構是用X射線晶體學來解決的。然而，這些研究需要通過熱穩定突變和/或融合蛋白對A1R進行修飾，並且不能告知激動劑結合，A1R激活和G-蛋白相互作用的機制。這些特徵對於選擇性A1R激活劑，偏向激動劑或正向變構調節劑的合理設計是必需的。克服當前缺乏活性狀態，G蛋白結合GPCRs的另一種方法是使用單粒子冷凍電子顯微鏡（cryo-EM）。
ADO-A1R-Gi2冷凍電鏡結構
然而，A1R優先結合G蛋白的Gi / o家族。事實上，在800多種人類GPCR中，最優先與Gi / o蛋白偶聯。 Gi / o家族有四個成員，它們是整個身體中表達最豐富的G蛋白。 Gi / o蛋白激活通常與腺苷酸環化酶的抑制有關，導致cAMP積聚減少，但它們也調節包括酶，離子通道和小GTP酶的許多效應子。主要基於腦中兩種Gi2蛋白和A1R的高表達，並且儘管程度較輕，但在心臟組織（兩種主要器官用於A1R治療）中，研究人員選擇專注於Gi2作為A1R的換能器。在這裡，澳大利亞莫納什大學首先報導了GPCR與異源三聚Gi蛋白偶聯的GPCR的結構，特別是結合其內源性激動劑ADO的A1R-Gi2複合物。與非活性A1R相比，通過跨膜結構域1和2的移動介導的正構結合位點的細胞外表面處有收縮。
在細胞內表面，G蛋白主要通過Gαiα5的C末端的胺基酸與A1R結合，伴隨著A1R跨膜結構域10.5的向外運動。與激動劑結合的β2腎上腺素能受體-Gs-蛋白質複合物的比較顯示，在與其受體結合時，每種G-蛋白質亞型具有不同的取向。這種活躍的A1R結構為受體和G蛋白選擇性提供了分子見解。
原文連結：
https://www.nature.com/articles/s41586-018-0236-6
4.五羥色胺5-HT1B受體與異源三聚體偶聯的冷凍電鏡結構
異三聚體G蛋白可分為4個亞家族，分別是Gs，Gi / o，Gq和G12 / 13。每個亞族包含α，β和γ亞基。當激動劑與GPCR結合時，受體主要通過α亞基（Gα）偶聯G蛋白;與β-亞基接觸的相對較少，而γ-亞基則沒有接觸。在無活性的GDP結合狀態下，α-亞基的總體結構高度保守，並且它們在與GPCR偶聯時發生類似的構象變化。其特徵在於α5-螺旋的C-末端一半的無序轉變。
通過誘變研究證實了α5-螺旋在G蛋白與GPCR偶聯中的關鍵作用，這與α5-螺旋佔Gα和β2AR3之間相互作用的70％一致。 α5-螺旋的C末端的胺基酸序列在G蛋白亞家族中高度保守，但在不同亞族之間是不同的。許多受體與多於一種G蛋白偶聯，並且這種偶聯可能會出現不同，這取決於偶聯是動態測量還是終點測定。已報導的β2AR與異源三聚體Gs偶聯的結構改變了G蛋白偶聯並被GPCRs激活的模型，但它不能解決G蛋白特異性的問題。
5-HT1BR-Go異源三聚體複合體的冷凍 電鏡重建
在這裡，劍橋大學MRC分子生物學實驗室Tate研究組介紹五羥色胺5-HT1B受體（5-HT1BR）結合到激動劑donitriptan的冷凍電子顯微鏡結構，並耦合到Go異源三聚體。在這個複合體中，5-HT1BR處於激活狀態;受體的胞內結構域與β2-腎上腺素受體（β2AR）或與Gs複合的腺苷A2A受體（A2AR）觀察到的結構相似。與具有Gs的複合物相反，Go-5-HT1BR複合物中受體和Gβ-亞基之間的間隙排除了分子接觸，並且Go的Gα-亞基與受體之間的界面明顯更小。這些差異可能是由於與Goα亞基的C末端相互作用的差異引起的。 Go和Gs與GPCR複合的界面之間的分子差異可能對耦合的特異性和信號傳導的動力學有重大貢獻。
原文連結：
https://www.nature.com/articles/s41586-018-0241-9
內容為【iNature】公眾號原創，歡迎轉載
白名單回復後臺「轉載」
微信加群
iNature組建了PI/教授群，成員主要來源於中國科學院，浙江大學，北京大學，哈佛大學，MIT等學校的數百位PI, 匯聚了眾多的青年千人，長江學者，傑出青年等600多位。iNature為你打造一個高質量的學術交流群,iNature與你一起揚帆起航。另外iNature也建立了多個全球高水平博士群，歡迎您的加盟。溫馨提示：進群請備註一下（格式如學校+專業+姓名，如果是PI/教授，請註明是PI/教授，謝謝）。可以先加小編微信號（13701829856），或者是長按二維碼，添加小編，之後再進群。
溫馨提示：日前，iNature正式推出姊妹微信公眾號「iPlants」。「iNature」協助「iPlants」的成長及運行,iPlants 致力於報導和評論全球植物科學領域最新研究進展。同時，「iPlants」進行專家學者專訪，同時會推出各個領域的綜述性文章。 「iPlants」還設有招聘專欄，為PI免費發布招聘廣告。掃描或長按下方二維碼可關注「iPlants」，了解植物科學領域最新研究進展。