上海药物所徐华强课题组合作解析糖皮质激素与GPR97和Go蛋白复合物的冷冻电镜结构

  中国科学院上海药物研究所徐华强研究员团队与山东大学孙金鹏教授团队、浙江大学张岩教授团队等首次解析了糖皮质激素与其膜受体GPR97和Go蛋白复合物的冷冻电镜结构,这也是国际上首次解析的黏附类GPCR与配体和G蛋白复合物的高分辨率结构。该研究成果 Structures of glucocorticoid-bound adhesion receptor GPR97-Go complex 于2021年1月6日在线发表于Nature杂志。
  黏附类G蛋白偶联受体(Adhesion G protein-coupled receptors, aGPCRs)是GPCR超家族成员之一,在生物体许多重要的生理过程中发挥关键分子开关的作用,如脑的发育、水盐调节、炎症以及细胞命运决定等。与GPCR超家族其它成员相比,aGPCRs除了具有经典的7次跨膜核心(7TM)外,还具有较长的胞外东京热APP下载安装域,组成了拥有不同功能的结构域。目前普遍认为aGPCRs可被结合胞外的基质蛋白或可溶性小分子激活,然而,小分子配体是否可以直接结合7TM并激活受体尚不清楚。
  糖皮质激素对机体的发育、生长、代谢以及免疫等功能发挥着重要的调节作用,是机体应激反应最重要的调节激素和临床上使用最为广泛的抗炎和免疫抑制剂之一。经典理论认为,糖皮质激素通过与糖皮质激素核受体结合,并穿过核孔,在细胞核内发挥调控相关基因表达的作用。该作用方式通常需要较长的反应时间,被称为基因组机制。徐华强课题组分别在2002年和2014年解析了糖皮质激素核受体与地塞米松(Cell, 110: 93-105)和内源性糖皮质激素----氢化可的松(Cell Research, 24: 713–726)的晶体结构,揭示了糖皮质激素识别和功能调控其核受体的机制,推动了糖皮质激素受体靶向药物的开发。另一方面,糖皮质激素也被发现能够快速引起细胞和机体的变化,提示生物体内可能存在着糖皮质激素的膜受体,其能够介导糖皮质激素的快速反应。研究发现,糖皮质激素的快速反应与G蛋白有密切关系,Gi的抑制剂PTX能够抑制糖皮质激素的快速作用,并据此推测GPCR是糖皮质激素的潜在膜受体。山东大学孙金鹏教授和易凡教授团队等对GPR97进行了大量受体生理学和内源性配体发现等工作,发现包括糖皮质激素类的氢化可的松、可的松以及11-脱氧皮质醇等在内的内源性类固醇激素都能够激活GPR97,其中地塞米松具有更强的GPR97激活能力,并最终确认Go是GPR97激活后偶联的G蛋白通路。
  在前期工作的基础上,联合团队采用单颗粒冷冻电镜技术,分别对外源配体倍氯米松(BCM)以及内源性配体氢化可的松(cortisol)激活GPR97后形成的复合物进行了结构解析,最终分别获得了两个配体激活态的GPR97受体与Go蛋白的复合物结构,分辨率分别为3.1埃和2.9埃(图1a和1b)。
  

 

  图1. GPR97的冷冻电镜结构
  相对其它GPCR亚家族成员,GPR97的7TM呈现独特的空间分布,其螺旋也展现出与其它受体不同的长度;根据传统理论,aGPCR特有的胞外GAIN结构域和7TM在激活GPCR的过程中作为整体发挥其核心功能,然而,研究人员在结构中首次发现糖皮质激素结合在GPR97 7TM核心中的一个椭圆形正构结合口袋(图1c);此外,GPR97展现出不同于其他A类GPCR成员的独特激活机制。GPR97序列中不含有保守的PIF、DRY和NPxxY等motif,其首先通过toggle switch W6.53 识别配体并被激活。激活的受体借助首次发现的upper Quaternary core(UQC)将受体TM3-TM5-TM6捆绑在一起,继而通过HLY motif介导与Go蛋白的结合。受体7TM组成较大的胞内侧G蛋白结合口袋,3个胞内环都参与了受体与G蛋白的相互作用,胞内环与受体的组成性激活密切相关;在本项研究中,研究人员还首次阐述了G蛋白的棕榈酰化修饰在其偶联GPCR中的关键作用。研究首次发现Gαo的α5螺旋C351位点被棕榈酰化修饰(图2),并进一步验证了该修饰在Go与GPR97的偶联中的独特作用。
  

图2 Go棕榈酰化修饰

  综上,合作团队首次发现了糖皮质激素的高亲和力膜受体,并通过单颗粒冷冻电镜技术,解析了黏附类GPCR家族中GPR97在糖皮质激素的激活作用下与Go蛋白复合物的结构,从而在近原子分辨率上揭示了糖皮质激素识别并激活膜GPR97,以及受体偶联Go蛋白的分子机制。该成果将对糖皮质激素膜受体功能研究和黏附类GPCR的激活机制理解发挥了重要的示范和推动作用。

  上海药物所为本研究的第一完成单位,上海药物所与山东大学基础医学院联合培养博士生平玉奇,浙江大学基础医学院博士后毛春友,山东大学基础医学院副教授肖鹏、硕士研究生赵儒嘉,上海药物研究所蒋轶研究员为本文共同第一作者;山东大学孙金鹏教授、浙江大学基础医学院张岩教授以及上海药物所徐华强研究员为共同通讯作者,山东大学易凡教授和于晓教授为本文的共同作者。本研究得到国家基金委、科技部、上海东京热APP下载安装科委等单位的基金资助。

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(供稿部门:徐华强课题组)