細胞能夠通過受體感受外界環境中的多種營養物質，如離子、胺基酸、糖、脂質等。G蛋白偶聯受體（G protein-coupled receptors）是細胞膜上最大的膜受體超家族，也是重要的藥物靶點，眾多營養物質的感受都是由該類受體介導的。鈣離子敏感受體（calcium-sensing receptor）是一種典型的感受營養物質的G蛋白偶聯受體，能夠被多種內源性或外源性物質（如陽離子、胺基酸、多胺、氨基糖苷類抗生素等）激活和調節。鈣離子敏感受體主要位於甲狀旁腺中，通過調節甲狀旁腺激素的分泌，維持體內鈣離子等多種離子的穩態。此外，在其它器官和組織如骨骼、腸道、腎臟中，它也在代謝等生理活動中起到重要的作用。在病人中已經發現了眾多鈣離子敏感受體的遺傳突變和自身抗體，這些異常會導致多種相關的代謝紊亂病症。目前市面上僅存在三種靶向鈣離子敏感受體的藥物，但仍不足以滿足治療相關疾病的需求。
鈣離子敏感受體屬於C族G蛋白偶聯受體，與同族的代謝型穀氨酸受體、B型γ-氨基丁酸受體和I型味覺受體同源性較高。除去所有G蛋白偶聯受體共同擁有的七次跨膜結構，C族受體在胞外存在一個較大的捕蠅草結構域。不同於其它家族的G蛋白偶聯受體主要通過七次跨膜結構結合配體，C族受體正是通過胞外的捕蠅草結構域識別配體的。儘管目前已有兩個研究團隊解析出鈣離子敏感受體胞外區的晶體結構，但這些結構並沒能很好地回答鈣離子是如何激活受體的、胺基酸在激活過程中起到什麼作用等重要問題。
近日，華中科技大學生命學院的教育部分子生物物理重點實驗室劉劍峰教授研究團隊在PNAS雜誌上發表了題為Illuminating the allosteric modulation of the calcium sensing receptor的研究論文，闡釋了鈣離子敏感受體的變構調節機制。
本研究首先通過螢光共振能量轉移技術，構建了鈣離子敏感受體的構象變化感應器，證明了該方法檢測到的信號能夠很好地反映受體激活情況。由於激活時的構象變化為受體的固有特性，並不依賴下遊信號通路組件，因此這種檢測可以在提取的細胞膜上進行，避免細胞環境中各種營養物質對受體激活的潛在影響。在這種高度可控的檢測體系下，配合其它功能實驗手段的驗證，本研究發現鈣離子本身就足以介導完整的受體構象變化，且很可能是通過位於捕蠅草結構域中配體胺基酸兩側的功能性結合位點實現的。與鈣離子相比，胺基酸本身並不能導致受體的激活，但可以作為正向變構調節劑增強鈣離子激活受體的效能。此外，本研究還發現氯離子對鈣離子敏感受體也有較強的正向變構調節效應。陽離子、陰離子和胺基酸三者協同作用使得鈣離子敏感受體能夠感應較小幅度的鈣離子濃度變化，保證受體能夠正常發揮生理功能。
本研究中檢測細胞膜中受體構象變化、避免細胞環境中營養物質幹擾的方法和策略將有可能應用於其它受體的研究上；相關研究發現對現知的鈣離子敏感受體激活機制進行了優化和補充，有助於深入理解一些遺傳突變對受體激活帶來的影響，也為後續創新型藥物的研發奠定了基礎。
圖：胺基酸作為正向變構調節劑、協同鈣離子激活鈣離子敏感受體示意圖
據悉，此項工作是由華中科技大學生命學院教育部分子生物物理重點實驗室、科技部感知生物技術國際聯合實驗室的博士研究生劉弘康等人完成的，實驗室劉劍峰教授和法國功能基因研究所的Pin JP教授為文章的共同通訊作者。
原文連結：
https://www.pnas.org/content/early/2020/08/18/1922231117