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天津大学团队顶刊发文!揭示GPR119非典型Class A结构骨架

天津大学 2022-12-08

    糖尿病(diabetes)和肥胖症(obesity)在当下已成为一种流行病,对人类的健康造成了严重的威胁。大麻素受体样G蛋白偶联受体(GPCR)GPR119属于A类GPCR, 在胰岛β细胞和肠道L细胞中高表达,在维持葡萄糖稳态和影响摄食行为中发挥关键作用。GPR119作为治疗靶点,为寻找具有更好药理特性的新型抗肥胖和抗糖尿病的药物提供可能。


      2022年11月17日,天津大学生命科学学院乔安娜、叶升团队联合湖北大学吴姗团队,在Nature Communications杂志发表题为“Activation and Signaling Mechanism Revealed by GPR119-GsComplex Structures”的研究文章。



     首次解析了两种代表性激动剂AR231453(第一个人工合成的GPR119激动剂)和MBX-2982(处于II期临床研究)结合的人源GPR119 -Gs复合物的单颗粒冷冻电镜结构(图1),分辨率分别为2.87 Å 和 2.33 Å。研究者发现GPR119与其他classA家族GPCR不同结构骨架和结合口袋,结合细胞水平功能实验和分子动力学实验等方法,阐明了GPR119的配体识别和与下游Gs蛋白结合的分子机制,为药物的研发提供结构基础。


图1  AR231453-GPR119-Gs(左)和MBX-2982-GPR119-Gs(右)冷冻电镜结构


     以往的研究认为,激活态和非激活态的classAGPCR结构都有一个共同的结构骨架,由不同跨膜区(transmembrane domain,)中的36个氨基酸组成的24对相互作用组成。在我们解析的结构中发现,5对相互作用(3.44:5.54, 3.47:5.57, 3.51:5.57, 3.51:5.60 和 5.54:6.41,Ballesteros–Weinstein numbering used in superscript)不保守(图2)。与经典的classA受体β2AR结构比对发现,TM5的螺旋上升了一个氨基酸,使得其形成新的5个TM间相互作用(3.44:5.55, 3.47:5.58, 3.51:5.58, 3.51:5.61 和 5.55:6.41)。所以,基于以往同源建模得到的GPR119模型进行的药物开发和筛选存在误差,研究团队解析的GPR119结构提高了药物开发的精准性。


图2  与传统classA家族成员相比,GPR119显示非典型的结构骨架


    AR231453/MBX-2982-GPR119-Gs的复合物结构揭示GPR119的结合口袋特征显著:第一,非常深,接近到达膜中间;第二,包含7个跨膜螺旋氨基酸;第三,高度疏水。作者将两个小分子配体的结合口袋分成三个部分(图3):胞外腔(extracellular cavity);共轭相叠阀(stacking gate);激活腔(activation cavity)。胞外腔由胞外氨基酸组成,AR231453的2氟苯环和MBX的苯环与受体的F157ECL2和W2657.39堆积在一起构成了共轭相叠阀,激活腔包含toggleswitch开关的氨基酸W2386.48。作者对不同的AR231453和MBX-2982变构体进行对接实验,结合功能实验完美地揭示了以往药理活性与结构(structure-activity relationship)的分子机制。


      为了进一步研究其内源性配体的识别和激活机制,作者对内源性脂类配体油酰乙胺醇(N-oleoylethanolamine,OEA)进行了分子对接和信号转导实验。OEA结构中包含长的疏水尾部和亲水头部,它与小分子配体AR231453及MBX-2982的结合方式类似。作者发现OEA的顺式双键与W2386.48堆积在一起,在受体激活中发挥关键作用。


图3  GPR119的延展性结合口袋


      此外,结构显示GPR119的ICL1和Gβ之间存在盐桥,盐桥破坏后使下游的cAMP积累量减少,表明Gβ在GPR119中信号传导中具有重要意义,这在其他A类GPCR中从未观察到。结构以及细胞信号转导研究阐明了不同GPR119激动剂的保守结合模式,并深入了解了GPCR的激活和G蛋白偶联的分子机制。


      该文章的第一作者为天津大学生命科学学院硕士研究生钱玉霞湖北大学博士研究生王洁宁郑州大学杨琳琳教授天津大学生命科学学院乔安娜副教授叶升教授湖北大学吴姗教授为本文的共同通讯作者。天津大学生命科学学院为本文第一单位。该研究得到科技部、国家自然科学基金委员会、中国博士后科学基金等的资助。


论文链接:(点击“阅读原文”即可查看)

https://doi.org/10.1038/s41467-022-34696-6


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内容来源 / 天津大学生命科学学院

封面摄影 / 杨鸿钦

审核 / 王鑫 李晋馥 梁绍楠


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