再登Nature!上科大徐菲研究團隊與合作者揭示首個孤兒受體三維結構成果

ON2020-02-20文章來源 iHuman研究所CATEGORY新聞

近日,上海科技大學iHuman研究所徐菲課題組與上海交通大學醫學院附屬第九人民醫院精準醫學研究院雷鳴課題組合作在人體細胞信號轉導研究領域獲重大突破,成功解析了首個人源孤兒受體(GPR52)三維精細結構(如下圖所示),揭示了孤兒受體在無配體、有配體以及與下游信號轉導分子G蛋白復合物結合的各功能狀態的結構特征,首次解密了有趣的GPCR自激活現象及其結構基礎。北京時間2月20日凌晨,該成果以“Structural basis of ligand recognition and self-activation of orphan GPR52”為題,在國際頂尖學術期刊Nature上在線發表,同期的news and views對本文做了專門報道。值得一提的是,該研究是上海科技大學iHuman研究所今年初在國際頂尖雜志Cell上發表文章后又一項高水平、系統性的研究成果。這也是青年副教授、研究員徐菲課題組繼2018年8月在Nature上發表首個卷曲受體三維精細結構之后的又一重大突破。

人體細胞表面分布著許多G蛋白偶聯受體(GPCR),其功能相當于細胞的“信號兵”。這些“信號兵”負責細胞內和細胞間的信息交流,進而廣泛參與人體生理或病理狀態的調節。舉個例子,當你困了的時候也許需要來一杯咖啡,咖啡中的咖啡因分子正是作用在一個叫“咖啡因受體”(一種腺苷受體,主要分布在大腦和其他組織中)的經典GPCR而發揮生理作用的。這里,咖啡因分子就是這個信號分子,也叫配體。再比如,臨床上用到最多的用于鎮痛的嗎啡,就是主要作用于人體內細胞表面的阿片受體——GPCR中最古老的藥物靶點之一。肩負如此重要的細胞信號傳導作用又是廣泛分布在細胞的表面,GPCR的功能一旦受損就可能引起各種人類疾病,如炎癥、糖尿病、神經退行性疾病、癌癥等。因此,GPCR長期以來一直是藥物研發領域的“寵兒”,目前市場上超過30%的在售藥物都以GPCR為靶點。

GPCR是具有7個跨膜螺旋結構域的膜蛋白,在人類基因組中有800多個成員,目前已有超過60個GPCR的精細結構被相繼報道,有力推動了基于分子結構的合理藥物設計與開發。“近年來GPCR的結構報道層出不窮,然而對孤兒受體結構的了解仍然是空白,”徐菲課題組的碩博連讀研究生、論文的第一作者林浠說:“因此我選擇了一個孤兒受體作為我的研究課題,希望能在這個難點領域有所突破”。孤兒受體(orphan receptor)因其內源性配體(即體內天然信號分子)尚未被發現而得名,目前已發現的有100多個,卻沒有一個已知的分子結構被報道。GPR52是一個典型的孤兒GPCR,主要在大腦中表達并發揮重要的生理作用,被認為是治療各種精神疾病,包括亨廷頓病、精神分裂癥、認知障礙、腦畸形和和多動癥的潛在靶點。“在了解了GPR52這個孤兒受體的重要性之后,我堅信我的研究課題會對整個孤兒受體領域的認知有所推動。這更加堅定了我要攻克第一個孤兒受體結構的決心。”林浠說。

GPR52與非孤兒GPCR的序列相似性極低(小于20%),這阻礙了使用傳統GPCR實驗方法對其結構的深入理解和工具配體的發現。“為此,我們花了近四年時間反復篩選蛋白的基因構造和結晶條件。”徐菲副教授說,“最終我們在不破壞蛋白功能的前提下使蛋白自身處于一個穩定的適宜結晶的狀態,從而通過晶體學的方法解析了無配體狀態的受體結構。”在這個結構中,研究人員驚訝地發現了GPR52獨特的第二個胞外環(ECL2)構象,幾乎充滿了整個GPCR配體結合口袋,似乎扮演了一個內置型配體的角色。上海交通大學醫學院雷鳴課題組利用精準醫學研究院的電鏡平臺,以冷凍電鏡技術揭開了一個“自激活”狀態的GPCR與其下游G蛋白復合物結構的神秘面紗。之所以稱其“自激活”,是因為受體的活性狀態不是由配體分子刺激實現的,而是完全依靠自身的特殊機制——即上述ECL2結構域形成的內置型激活態構象。“這在之前是無法想象的,”徐菲說,“因為此前報道的所有GPCR-G蛋白復合物都要求有一個關鍵性的激動劑配體起到穩定整個結構的作用”。至此,整個故事已經接近完整了,但是研究人員沒有放棄追問:既然這個通常的配體口袋被受體自身的結構域占據了,那么真正的配體分子結合在哪里呢?這個問題顯然也對尋找“脫孤”線索,即確定內源性配體的結合機制很重要。因此,研究人員緊接著嘗試了GPR52與一個激活性工具配體分子c17的共結晶,并迅速解析了GPR52結合c17的復合物結構,該結構首次發現了一個“側位口袋”(sidepocket)。c17配體所占據的這個側位口袋,既不同于傳統的GPCR正構位點,也未在之前報道的各類別構位點中出現過。這一特性可被發掘用來進行合理性藥物設計,提高藥物作用的選擇性和特異性。

iHuman研究所執行所長劉志杰教授對該成果的獲得感到十分欣喜:“研究所在過去4年中連續發表高影響力的研究成果,這充分得益于上科大和研究所高水平公共服務平臺的鼎力支持。”

上海科技大學的副教授、研究員徐菲,上海交通大學的雷鳴和武健研究員為該論文共同通訊作者,徐菲課題組2015級碩博連讀生林浠、2017級碩博連讀生王年冬、雷鳴課題組2017級碩士研究生李明月及iHuman研究所趙素文課題組助理研究員吳屹然為論文共同第一作者,上科大為第一完成單位。該項研究同時獲得了科技部、國家自然科學基金委、上海市科委及上海市政府的經費支持。

論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41586-020-2019-0