eLife | 人源葡萄糖依赖性促胰岛素释放多肽受体三维结构成功解析

葡萄糖依赖性促胰岛素释放多肽受体（Glucose-dependent insulinotropic polypeptide receptor, GIPR）属于B1类G蛋白偶联受体，在脂肪生成、胰岛β细胞增殖和胰岛素释放等方面发挥重要作用，与2型糖尿病、肥胖症和神经退行性疾病相关^1-3。该受体的内源性配体为葡萄糖依赖性促胰岛素释放多肽（GIP_1-42），由John Brown在上世纪70年代分离而得。GIP_1-42激活GIPR后，可调节餐后血糖浓度^4,5。在高血糖条件下，GIP_1-42作用于胰岛细胞促进胰岛素的分泌；在低血糖条件下，它则刺激胰岛细胞释放胰高血糖素，从而作为一种双功能激素发挥维持血糖稳态的功能⁶。近年来，GIPR和胰高血糖素样肽-1受体双重激动剂在2型糖尿病的临床研究中表现良好，有望开辟新的治疗方向⁷。

2021年7月13日，中国科学院上海药物研究所王明伟/杨德华团队携手徐华强团队在eLife上发表了题为“Structural insights into hormone recognition by the human glucose-dependent insulinotropic polypeptide receptor”的研究论文, 首次报道了人源GIPR与GIP_1-42和G_s蛋白复合物的高分辨率冷冻电镜结构，揭示了GIPR的配体识别和信号转导的分子机制，从而完成了与血糖调节密切相关的三个受体即胰高血糖素受体（2013）⁸、胰高血糖素样肽-1受体（2017）⁹和 GIPR三维结构的全解析，极大地深化了我们对它们在配体识别、受体激活和交叉反应等方面异同性的认识，为基于多重药理学的药物发现提供了宝贵的结构信息。

为了增强GIPR与G_s蛋白形成的复合物之稳定性，研究人员采用NanoBiT系连技术¹⁰分别在GIPR和G_s蛋白上引入LgBiT和HiBiT（Peptide 86）以增加蛋白之间的相互作用，同时对受体进行单点突变以提高复合物的稳定性，反复优化实验条件后获得了颗粒均一且性状稳定的高质量蛋白复合物，通过在上海药物研究所冷冻电镜平台进行多轮300 kV数据的收集和处理后，最终获得分辨率为2.9 Å的三维结构（图1）。该结构显示，GIP_1-42的N端插入到GIPR的跨膜域（Transmembrane domain, TMD）中，而配体的C端则与胞外环1（Extracellular loop 1, ECL1）紧密相连。GIPR的ECL1与TM2和3一致向上，然后向内接近其TMD的中心（5-7 Å），使得GIP_1-42较之胰高血糖素样肽-1和胰高血糖素对应其各自受体向TM1分别位移了2.7 Å和3.3 Å。定点突变等实验验证了GIPR独特的配体识别和受体激活机制，拓展了我们对B1类G蛋白偶联受体结构与功能的理解。

图1. GIP_1-42结合的GIPR与G_s蛋白复合物的冷冻电镜结构。左，GIP_1-42–GIPR–G_s复合物结构；右，GIPR结合其内源性多肽配体的细节图。

对比胰高血糖素受体、胰高血糖素样肽-1受体和GIPR的配体识别模式，我们发现这三个受体均具有与配体共性区域结合的保守氨基酸残基，其与各自内源性配体特异性识别主要依赖配体与受体上非保守残基的选择性结合。具体来说，基于序列相似性将多肽可分为四个片段：两个保守的片段域（GIP_1-42中第4-11和21-30位氨基酸），以及两个独特的片段域（GIP_1-42中第1-3和12-20位氨基酸）（图2）。配体的N端（第1-3位氨基酸）与B1类受体的极性中心产生大量相互作用，比如与Q^3.37b具有氢键相互作用；Y^1.47b与多肽的第三位氨基酸形成氢键（图2）；多肽上第4-11位氨基酸与R^7.35b形成盐桥，与Y^1.43b Π-Π重叠，与L^2.71b，W^5.36b和L^7.39b形成疏水相互作用，以及和ECL2形成氢键等（图2）；多肽上第12-20位氨基酸序列则差别较大，主要与ECL1、ECL2和TM1以及TM2相互作用（图 2）。受体为了能够合理地结合不同长度的氨基酸侧链，其TM1和ECL1会调整它们的构象以避免引起混乱，影响配体结合。胰高血糖素样肽-1受体的ECL1与胰高血糖素样肽-1之距离相比GIPR的ECL1与GIP_1-42的距离更远。然而，对于胰高血糖素受体而言，胰高血糖素上的R^18P（P代表多肽上的氨基酸）则排斥其受体。因此，受体特异性结合配体的区域可能就位于此，使得胰高血糖素样肽-1和胰高血糖素都难以结合GIPR。至于配体的C端，三种多肽均与胞外域产生广泛的疏水相互作用（图2）。

图2. GIPR、胰高血糖素样肽-1受体（GLP-1R）和胰高血糖素受体（GCGR）的配体选择特异性。

复旦大学药学院博士研究生赵丰辉、上海科技大学生命科学与技术学院硕士研究生张超、复旦大学基础医学院青年研究员周庆同、上海科技大学iHuman研究所博士研究生杭恺旎是该论文的共同第一作者。中国科学院上海药物研究所/复旦大学王明伟讲座教授、中国科学院上海药物研究所赵丽华副研究员、中国科学院上海药物研究所杨德华研究员和中国科学院上海药物研究所徐华强研究员为该论文的共同通讯作者。该研究工作先后获得了国家自然科学基金委员会、国家卫生健康委员会、国家科学技术部和上海市科学技术委员会等机构的经费资助。

原文链接：

https://elifesciences.org/articles/68719

参考文献：

1. Yuliantie, E. et al. Pharmacological characterization of mono-, dual- and tri-peptidic agonists at GIP and GLP-1 receptors. Biochem Pharmacol 177, 114001 (2020).

2. Cho, Y.M., Merchant, C.E. & Kieffer, T.J. Targeting the glucagon receptor family for diabetes and obesity therapy. Pharmacol Ther 135, 247-78 (2012).

3. Gault, V.A., Flatt, P.R. & O'Harte, F.P.M. Glucose-dependent insulinotropic polypeptide analogues and their therapeutic potential for the treatment of obesity-diabetes. Biochem Biophys Res Commun 308, 207-213 (2003).

4. Brown, J.C. A gastric inhibitory polypeptide. I. The amino acid composition and the tryptic peptides. Can J Biochem 49, 255-61 (1971).

5. Baggio, L.L. & Drucker, D.J. Biology of incretins: GLP-1 and GIP. Gastroenterology 132, 2131-57 (2007).

6. Christensen, M., Vedtofte, L., Holst, J.J., Vilsboll, T. & Knop, F.K. Glucose-dependent insulinotropic polypeptide: a bifunctional glucose-dependent regulator of glucagon and insulin secretion in humans. Diabetes 60, 3103-9 (2011).

7. Coskun, T. et al. LY3298176, a novel dual GIP and GLP-1 receptor agonist for the treatment of type 2 diabetes mellitus: From discovery to clinical proof of concept. Mol Metab 18, 3-14 (2018).

8. Siu, F.Y. et al. Structure of the human glucagon class B G-protein-coupled receptor. Nature 499, 444-9 (2013).

9. Song, G. et al. Human GLP-1 receptor transmembrane domain structure in complex with allosteric modulators. Nature 546, 312-315 (2017).

10. Sun, W. et al. A unique hormonal recognition feature of the human glucagon-like peptide-2 receptor. Cell Res 30, 1098-1108 (2020).

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