史上最大力度 | 有了GPCR以后，G蛋白不再孤单，4篇Nature同时阐述其复合物结构，中科院药物所强势贡献一篇

iNature

GPCR是最大的一类细胞跨膜信号转导受体家族和最重要的药物靶标，其通过偶联下游G蛋白和阻遏蛋白等多种效应蛋白转导胞外信号。在多种GPCR效应蛋白中，抑制型G蛋白（Gi）可选择性偶联五羟色胺受体和多巴胺受体等GPCR，发挥调节情绪、食欲、动机、认知和奖励等功能。在最近几天，连续有4篇Nature介绍GPCR与G蛋白的冷冻电镜结构，这也同时说明这个领域的持续火爆程度。这4篇文章分别是：中国科学院上海药物研究所徐华强等团队发表的题为“Cryo-EM structure of human rhodopsin bound to an inhibitory G protein”的研究论文，该论文获得了视紫红质和Gi蛋白复合物的近原子分辨率冷冻电镜结构。该结构首次展示了GPCR与Gi蛋白相互作用界面的结构细节，完善了人们对GPCR-Gi下游转导选择性分子机制的理解，也为设计高效低毒的GPCR靶向药物提供了结构生物学基础；斯坦福大学 Kobilka 研究组及Skiniotis研究组联合加州大学旧金山分校 Manglik研究组合作发表的题为“Structure of the µ-opioid receptor–Gi protein complex”，该论文得到了μOR与热激肽DAMGO和无核苷酸Gi结合的3.5Å分辨率冷冻电子显微镜结构，揭示了跨膜受体螺旋6的位置以及G蛋白α亚基与受体核心之间的相互作用的差异，这些结果有助于μOR的Gi蛋白偶联特异性的结构特征；澳大利亚莫纳什大学众多研究组合作发表题为“Structure of the adenosine-bound human adenosine A1 receptor–Gi complex”的研究论文，报道了GPCR与异源三聚Gi蛋白偶联的GPCR的结构，特别是结合其内源性激动剂ADO的A1R-Gi2复合物。与激动剂结合的β2肾上腺素能受体-Gs-蛋白质复合物的比较显示，在与其受体结合时，每种G-蛋白质亚型具有不同的取向。这种活跃的A1R结构为受体和G蛋白选择性提供了分子见解；剑桥大学MRC分子生物学实验室Tate研究组发表的题为“Cryo-EM structure of the serotonin 5-HT1B receptor coupled to heterotrimeric Go”的研究论文，该文章解释了Go和Gs与GPCR复合的界面之间的分子差异可能对耦合的特异性和信号传导的动力学的机制，GPCR信号通路中步骤的动力学被认为对特定细胞类型中激动剂与受体结合的特定信号事件结果具有深远影响。 结构数据和动力学分析的组合对于揭示该系统的复杂性是至关重要的。

1.人视紫红质与抑制性G蛋白结合的冷冻电镜结构

GPCR是最大的一类细胞跨膜信号转导受体家族和最重要的药物靶标，其通过偶联下游G蛋白和阻遏蛋白等多种效应蛋白转导胞外信号。在多种GPCR效应蛋白中，抑制型G蛋白（Gi）可选择性偶联五羟色胺受体和多巴胺受体等GPCR，发挥调节情绪、食欲、动机、认知和奖励等功能。徐华强研究员团队在GPCR与Gi蛋白复合物结构研究领域取得重大突破，获得了视紫红质和Gi蛋白复合物的近原子分辨率冷冻电镜结构。该结构首次展示了GPCR与Gi蛋白相互作用界面的结构细节，完善了人们对GPCR-Gi下游转导选择性分子机制的理解，也为设计高效低毒的GPCR靶向药物提供了结构生物学基础。

视紫红质（Rhodopsin）与抑制型G蛋白（Gi）复合物的三维结构示意图

该工作是徐华强与合作者在GPCR研究领域的又一重要突破。2015年其利用X射线自由电子激光技术，在《自然》杂志发表了rhodopsin与阻遏蛋白复合物的晶体结构，攻克了细胞信号转导领域的重大科学难题。这一突破性成果入选两院院士评选2015中国十大科技进展新闻，同时徐华强研究员也荣获了2016年国际蛋白质学会（The Protein Society）授予的Hans Neurath奖。2017年其再次利用最强X射线激光，破解了GPCR招募阻遏蛋白的磷酸化密码，研究成果以封面文章发表在《细胞》杂志上。这些研究成果深入系统地对GPCR与下游多种效应蛋白相互作用进行研究，阐述了GPCR信号通路转导的分子机制，具有重大的理论意义和实际应用价值。

该工作由中国科学院上海药物研究所、美国温安洛研究所、美国弗雷德里克国家癌症研究实验室、美国芝加哥大学、加拿大多伦多大学和美国国家癌症研究所等机构合作完成。该研究除取得国际项目支持外，还获得国家自然基金委等项目的资助。

注：解析转自药物所。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-018-0215-y

解析链接：

http://www.simm.ac.cn/xwzx/kydt/201806/t20180614_5026735.html

2.μ阿片受体-Gi蛋白复合物的结构

μ-阿片受体（μOR）是一种G蛋白偶联受体（GPCR），也是大多数临床和娱乐性使用的阿片类药物的靶标。通过抑制腺苷酸环化酶异源三聚G蛋白Gi的μOR信号传导介导镇痛和欣快的诱导作用。

阿片类药物与μOR的结合导致临床上期望的止痛和镇咳作用，但也有重要的负面副作用，包括成瘾和潜在致命的呼吸抑制。像其他GPCR一样，μOR通过刺激通过异源三聚G蛋白的信号传导来实现其许多生理学作用。虽然其他GPCR已经显示通过多于一种G蛋白亚型发出信号，但μOR几乎完全通过G蛋白（Gi / o）的腺苷酸环化酶抑制家族发出信号。

阿片类药物的镇痛活性受G蛋白活化驱动，但活化的μOR也可与β-arrestins相互作用，其中的募集与许多阿片类药物引起的呼吸抑制有关。最近开发的有利于Gi信号传导而不是arrestins募集的分子显示出镇痛效力，副作用减少，这表明不同的信号传导途径可以选择性靶向，进而产生独特的生理学结果。尽管最近通过X射线晶体学和冷冻电子显微镜（cryo-EM）研究GPCR与刺激性G蛋白Gs相互作用得到了一些细节，但通过其他G蛋白亚型的GPCR信号传导的结构基础仍然不是很清楚。 

μOR-Gi复合物的冷冻电镜结构

在这里，斯坦福大学 Kobilka 研究组及Skiniotis研究组联合加州大学旧金山分校 Manglik研究组得到了μOR与热激肽DAMGO和无核苷酸Gi结合的3.5Å分辨率冷冻电子显微镜结构。 DAMGO占据吗啡喃配体口袋，其N末端与保守受体残基及其C末端接合区域相互作用，所述区域对于阿片样物质 - 配体选择性是重要的。 将μOR-Gi复合物与先前确定的刺激性G蛋白Gs结合的其他GPCR的结构进行比较，揭示了跨膜受体螺旋6的位置以及G蛋白α亚基与受体核心之间的相互作用的差异。 总之，这些结果有助于μOR的Gi蛋白偶联特异性的结构特征。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-018-0219-7

3.腺苷结合的人腺苷A1受体-Gi复合物的结构

腺苷（ADO）受体（A1R）包括介导嘌呤核苷ADO的作用的A类G蛋白偶联受体（GPCR）超家族中的四种亚型。 A1R的激活在局部缺血 - 再灌注损伤，心房纤颤，神经性疼痛等中是治疗上需要的。

事实上，A1R的无活性状态，拮抗剂结合的结构是用X射线晶体学来解决的。然而，这些研究需要通过热稳定突变和/或融合蛋白对A1R进行修饰，并且不能告知激动剂结合，A1R激活和G-蛋白相互作用的机制。这些特征对于选择性A1R激活剂，偏向激动剂或正向变构调节剂的合理设计是必需的。克服当前缺乏活性状态，G蛋白结合GPCRs的另一种方法是使用单粒子冷冻电子显微镜（cryo-EM）。

ADO-A1R-Gi2冷冻电镜结构

然而，A1R优先结合G蛋白的Gi / o家族。事实上，在800多种人类GPCR中，最优先与Gi / o蛋白偶联。 Gi / o家族有四个成员，它们是整个身体中表达最丰富的G蛋白。 Gi / o蛋白激活通常与腺苷酸环化酶的抑制有关，导致cAMP积聚减少，但它们也调节包括酶，离子通道和小GTP酶的许多效应子。主要基于脑中两种Gi2蛋白和A1R的高表达，并且尽管程度较轻，但在心脏组织（两种主要器官用于A1R治疗）中，研究人员选择专注于Gi2作为A1R的换能器。在这里，澳大利亚莫纳什大学首先报道了GPCR与异源三聚Gi蛋白偶联的GPCR的结构，特别是结合其内源性激动剂ADO的A1R-Gi2复合物。与非活性A1R相比，通过跨膜结构域1和2的移动介导的正构结合位点的细胞外表面处有收缩。

在细胞内表面，G蛋白主要通过Gαiα5的C末端的氨基酸与A1R结合，伴随着A1R跨膜结构域10.5的向外运动。与激动剂结合的β2肾上腺素能受体-Gs-蛋白质复合物的比较显示，在与其受体结合时，每种G-蛋白质亚型具有不同的取向。这种活跃的A1R结构为受体和G蛋白选择性提供了分子见解。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-018-0236-6

4.五羟色胺5-HT1B受体与异源三聚体偶联的冷冻电镜结构

异三聚体G蛋白可分为4个亚家族，分别是Gs，Gi / o，Gq和G12 / 13。每个亚族包含α，β和γ亚基。当激动剂与GPCR结合时，受体主要通过α亚基（Gα）偶联G蛋白;与β-亚基接触的相对较少，而γ-亚基则没有接触。在无活性的GDP结合状态下，α-亚基的总体结构高度保守，并且它们在与GPCR偶联时发生类似的构象变化。其特征在于α5-螺旋的C-末端一半的无序转变。

通过诱变研究证实了α5-螺旋在G蛋白与GPCR偶联中的关键作用，这与α5-螺旋占Gα和β2AR3之间相互作用的70％一致。 α5-螺旋的C末端的氨基酸序列在G蛋白亚家族中高度保守，但在不同亚族之间是不同的。许多受体与多于一种G蛋白偶联，并且这种偶联可能会出现不同，这取决于偶联是动态测量还是终点测定。已报道的β2AR与异源三聚体Gs偶联的结构改变了G蛋白偶联并被GPCRs激活的模型，但它不能解决G蛋白特异性的问题。

5-HT1BR-Go异源三聚体复合体的冷冻 电镜重建

在这里，剑桥大学MRC分子生物学实验室Tate研究组介绍五羟色胺5-HT1B受体（5-HT1BR）结合到激动剂donitriptan的冷冻电子显微镜结构，并耦合到Go异源三聚体。在这个复合体中，5-HT1BR处于激活状态;受体的胞内结构域与β2-肾上腺素受体（β2AR）或与Gs复合的腺苷A2A受体（A2AR）观察到的结构相似。与具有Gs的复合物相反，Go-5-HT1BR复合物中受体和Gβ-亚基之间的间隙排除了分子接触，并且Go的Gα-亚基与受体之间的界面明显更小。这些差异可能是由于与Goα亚基的C末端相互作用的差异引起的。 Go和Gs与GPCR复合的界面之间的分子差异可能对耦合的特异性和信号传导的动力学有重大贡献。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-018-0241-9

内容为【iNature】公众号原创，欢迎转载

白名单回复后台「转载」

微信加群

iNature组建了PI/教授群，成员主要来源于中国科学院，浙江大学，北京大学，哈佛大学，MIT等学校的数百位PI, 汇聚了众多的青年千人，长江学者，杰出青年等600多位。iNature为你打造一个高质量的学术交流群,iNature与你一起扬帆起航。另外iNature也建立了多个全球高水平博士群，欢迎您的加盟。温馨提示：进群请备注一下（格式如学校+专业+姓名，如果是PI/教授，请注明是PI/教授，谢谢）。可以先加小编微信号（13701829856），或者是长按二维码，添加小编，之后再进群。

温馨提示：日前，iNature正式推出姊妹微信公众号“iPlants”。“iNature”协助“iPlants”的成长及运行,iPlants 致力于报道和评论全球植物科学领域最新研究进展。同时，“iPlants”进行专家学者专访，同时会推出各个领域的综述性文章。 “iPlants”还设有招聘专栏，为PI免费发布招聘广告。扫描或长按下方二维码可关注“iPlants”，了解植物科学领域最新研究进展。