清華新聞網(wǎng)7月24日電 G蛋白偶聯(lián)受體（GPCR）是人體中最大的膜受體家族，參與視覺(jué)、嗅覺(jué)、神經(jīng)傳導(dǎo)和免疫調(diào)控等多種生命活動(dòng)。雖然C類(lèi)GPCR（如谷氨酸受體）已被證實(shí)以二聚體形式發(fā)揮功能，A類(lèi)GPCR是否存在二聚化機(jī)制，長(zhǎng)期以來(lái)仍是學(xué)界爭(zhēng)議焦點(diǎn)。傳統(tǒng)觀(guān)點(diǎn)認(rèn)為，A類(lèi)GPCR作為單體即可完成信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。本研究通過(guò)結(jié)構(gòu)生物學(xué)手段明確展示，A類(lèi)孤兒受體GPR3能夠在活化與非活化狀態(tài)下穩(wěn)定形成功能性二聚體，此外還發(fā)現(xiàn)一種拮抗劑靶向二聚體界面上，通過(guò)變構(gòu)機(jī)制調(diào)控其下游信號(hào)通路。
7月21日，清華大學(xué)生物醫(yī)學(xué)交叉研究院鄭三多實(shí)驗(yàn)室在《e生命》（eLife）雜志發(fā)表了題為“二聚體GPR3在二聚界面中的配體變構(gòu)調(diào)制”（Allosteric modulation of dimeric GPR3 by ligands in the dimerization interface）的研究論文。該研究結(jié)合冷凍電鏡（cryo-EM）高分辨結(jié)構(gòu)、突變功能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，揭示了A類(lèi)GPCR GPR3的二聚化特性及其變構(gòu)調(diào)節(jié)機(jī)制，為靶向神經(jīng)退行性疾病的藥物開(kāi)發(fā)提供了新的思路與結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。
鄭三多實(shí)驗(yàn)室致力于探索A類(lèi)孤兒G蛋白偶聯(lián)受體（GPCR）的內(nèi)源性配體，并為孤兒受體功能的研究提供藥理學(xué)工具。此前實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)了一組A類(lèi)孤兒GPCR的子集，這些受體呈現(xiàn)出顯著的Gs蛋白相關(guān)組成型活性，包括GPR174、GPR3、GPR6和GPR12等受體。在這些受體中，即使在無(wú)外源配體作用的情況下，細(xì)胞內(nèi)cAMP水平可升高至與完全激活狀態(tài)相當(dāng)?shù)某潭取Ｍㄟ^(guò)解析不加外源配體的GPR174-Gs復(fù)合物的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，他們發(fā)現(xiàn)內(nèi)源性溶血磷脂酰絲氨酸（lysoPS）完全占據(jù)了GPR174的正構(gòu)配體結(jié)合位點(diǎn)，并使受體處于Gs通路的最大激活狀態(tài)。這種高度組成型活性導(dǎo)致外源性lysoPS無(wú)法進(jìn)一步提高cAMP水平，從而揭示了其高活性狀態(tài)的分子機(jī)制。這一研究策略已成功擴(kuò)展至GPR3的相關(guān)研究中。研究人員在GPR3-Gs復(fù)合物結(jié)構(gòu)中同樣觀(guān)察到一個(gè)共純化的脂質(zhì)分子，提示其可能為GPR3的內(nèi)源性配體。目前GPR3內(nèi)源配體的具體鑒定工作仍在進(jìn)行中。值得注意的是，該結(jié)構(gòu)還揭示了GPR3以“單體—二聚體”共存形式存在的獨(dú)特構(gòu)象特征，為后續(xù)研究提供了新的結(jié)構(gòu)生物學(xué)線(xiàn)索。
研究團(tuán)隊(duì)首先通過(guò)冷凍電鏡技術(shù)，解析了GPR3與Gs蛋白復(fù)合物的活化態(tài)結(jié)構(gòu)。在突變優(yōu)化Gs偶聯(lián)位點(diǎn)后，意外發(fā)現(xiàn)GPR3在同一樣品中既以單體存在（86%），也形成清晰的二聚體結(jié)構(gòu)（14%），后者分辨率達(dá)到2.7 ?。更為重要的是，研究者還獲得了GPR3在非活化狀態(tài)下的二聚體結(jié)構(gòu)（3.32 ?）。結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，二聚化界面主要由TM5和TM6兩條跨膜螺旋構(gòu)成，并被兩個(gè)膽固醇分子穩(wěn)固包裹，形成一個(gè)典型的疏水界面（圖1）。研究者進(jìn)一步構(gòu)建了一個(gè)無(wú)法形成二聚體的GPR3突變體，發(fā)現(xiàn)破壞二聚體界面可以顯著增強(qiáng)Gs的偶聯(lián)能力，這說(shuō)明GPR3的二聚體形態(tài)實(shí)際上是一種功能抑制狀態(tài)。這可能是一種天然的調(diào)控機(jī)制，用于在受體表達(dá)量過(guò)高時(shí)減弱其信號(hào)輸出，防止過(guò)度激活。
圖1. GPR3 在活性狀態(tài)下形成二聚體
除了結(jié)構(gòu)和功能機(jī)制的揭示，本研究另一亮點(diǎn)是發(fā)現(xiàn)了小分子藥物AF64394對(duì)GPR3具有選擇性的變構(gòu)抑制作用。通過(guò)解析AF64394與GPR3的復(fù)合結(jié)構(gòu)，研究者發(fā)現(xiàn)該分子并不直接占據(jù)正構(gòu)口袋，而是插入GPR3二聚體界面處。AF64394結(jié)合后，導(dǎo)致胞內(nèi)環(huán)ICL2由α螺旋向無(wú)序卷曲轉(zhuǎn)變，破壞了其與Gαs蛋白之間的關(guān)鍵疏水相互作用，從而顯著降低了Gs偶聯(lián)效率（圖2）。AF64394還能促進(jìn)GPR3的二聚化，完全阻斷其單體形態(tài)的出現(xiàn)，提示其可能具有“分子膠”樣作用。
圖2. AF64394與GPR3結(jié)合的結(jié)構(gòu)分析
GPR3與 GPR6 和 GPR12 同屬一個(gè)亞家族，與內(nèi)源性大麻素受體具有結(jié)構(gòu)相似性，廣泛參與神經(jīng)元分化、情緒調(diào)節(jié)、疼痛感知及脂肪代謝等多種生理過(guò)程，且與阿爾茨海默癥和帕金森病等重大疾病密切相關(guān)。針對(duì)該家族受體的研究為開(kāi)發(fā)針對(duì)神經(jīng)退行性疾病如阿爾茨海默癥和帕金森病的新療法提供了理論基礎(chǔ)。
北京生命科學(xué)研究所/清華大學(xué)生物醫(yī)學(xué)交叉研究院鄭三多實(shí)驗(yàn)室的2020級(jí)博士生邱澤銘、2021級(jí)博士生王巍和2022級(jí)博士生聶瑩瑩為本文的共同第一作者；鄭三多助理教授為本文通訊作者。
論文鏈接：
https://doi.org/10.7554/eLife.107185.1
供稿：生物醫(yī)學(xué)交叉研究院
編輯：李華山
審核：周襄楠
