Nature:刘剑峰/张岩合作揭示GPCR二聚体偶联G蛋白的新模式

2021
04/30

+
分享
评论
生物世界
A-
A+

该工作也进一步验证了刘剑峰课题组之前发现的C型GPCR二聚体,如代谢型谷氨酸受体(Nat Chem Biol.,2015; PNAS., 2011),GABAB受体(Cell Research,2020; Nat Commun.,2019;EMBO J.,2008)和钙敏感受体(PNAS.,2020)中不同亚基的各个功能域变构调节的激活模式。

G蛋白偶联受体 (GPCR) 是人体内最大的膜受体蛋白家族,其在细胞信号传导中发挥重要功能,同时也与人体疾病密切相关,是40%以上的上市药物的作用靶点。根据结构和序列的差异性,人体中GPCR可分为A、B、C和F四种类型。近年来的结构功能研究分别揭示了A、B1、B2和F类以单体形式发挥功能的GPCP的激活机制。

研究显示单体GPCR偶联G蛋白采用相似的模式,即受体的激活使跨膜结构域TM6的外移,进而形成较大的口袋用于结合Gα亚基的C末端,从而激活G蛋白下游信号通路。然而长期以来,以二聚化形式发挥功能的C型GPCR偶联G蛋白的分子机制一直未能揭示,严重阻碍了人们对C型受体信号转导机制的理解

2021年4月28日,华中科技大学生命科学与技术学院 刘剑峰 教授团队与浙江大学基础医学院、良渚实验室 张岩 研究员团队在 Nature 杂志在线发表了题为: Structural basis of GABAB receptor-Gi protein coupling 的研究论文。

本研究 突破性地鉴定了C型异源二聚体GABAB受体与G蛋白复合物的高分辨率冷冻电镜结构,在世界上首次揭示二聚体GPCR偶联G蛋白的新模式。


C型GPCR主要包括代谢型γ-氨基丁酸受体 (GABAB 、代谢型谷氨酸受体 (mGlu) 、钙敏感受体 (CaSR) 和味觉受体1 (Taste 1) 等。C型受体与众多神经和精神疾病相关,包括癫痫、疼痛、焦虑、抑郁、精神分裂症、药物成瘾、Rett综合征和癫痫性脑病等。GABA B 受体是第一个被发现和证明的GPCR异源二聚体,是C型二聚体GPCR的典型代表。

GABA B 受体广泛表达在中枢神经系统中,参与学习、记忆和突触信号传递等重要的生理进程。GABA B 受体由GB1和GB2两个亚基组成,每个亚基分别由胞外结构域 (VFT) ,七次跨膜域 (TMD) 和胞内域构成。GABA B 受体激活采取典型的非对称性调节机制,即GB1的VFT负责配体识别,而GB2的TM偶联Gi/o蛋白调控下游信号。

刘剑峰 /张岩合作团队在2020年国际首次鉴定全长GABAB受体非激活态与激活态的精细三维空间结构阐明了GABAB受体激活时的构象转变过程,鉴定了正向变构调节剂的结合口袋,极大地促进了GABAB受体的激活机制研究和靶向药物开发。

同时,该工作还首次解析了低分辨的GABA B -Gi复合物结构,发现由于潜在的空间位阻,二聚化的GABA B 受体仅能偶联一个G蛋白。然而其非对称激活和偶联G蛋白的信号转导的分子机制还未被揭示。

本研究团队在前期工作的基础上再次进行课题攻关,先后突破复合物组装、均一冷冻样品制备、动态构象数据处理等挑战,最终完成 高分辨GABAB受体-Gi蛋白复合物的电镜结构鉴定 (图1a) 。结构分析发现与单体GPCR不同,GABA B 受体偶联G蛋白时,两个亚基跨膜域的TM6均没有发生外移,但是GB2亚基的TM3和TM5却发现较小幅度的外扩,使三个胞内环形成一个较浅的口袋结合G蛋白。与单体GPCR相比,G蛋白α5螺旋插入GABA B 受体的深度低了~10Å,并且主要与胞内环互作。

这些结果结合以前的其他C型GPCR功能研究,推测C型GPCR二聚体都采用了这种不同于A、B1、B2和F类GPCP的激活的独特的G蛋白偶联模式 (图1b-d)

图1:GABAB偶联G蛋白复合物的新颖结构

此外,研究发现了GABA B 偶联G蛋白后的精细构象变化,包括GB1和GB2之间的旋转,以及GB2亚基TM的细节变化。通过结构分析,研究人员发现结合激动剂的GABA B 受体偶联G蛋白后,其GB2-TM相较于GB1-TM产生进一步的逆时针旋转,使得GB1和GB2的跨膜域界面进一步靠近,稳定激活状态。研究人员专注于GB2-TM的内部精细的构象变化,分析发现GB2 TM3/TM5胞内端的构象变化是起始于TM3上F586侧链苯环的大角度旋转。

信号转导实验分析发现,将F586突变成小侧链丙氨酸后,受体偶联G蛋白的能力显著下降。此外,在GB2-TM的底部,多个带电荷的氨基酸形成的盐桥进一步稳定了受体的激活态,从而揭示了GB2亚基结合G蛋白的结构基础 (图2) 。GB2亚基这些独特的构象的变化,最终决定了GABA B 偶联G蛋白的非对称性激活模式。

图2:GABAB受体采取非对称性变化的激活机制

GABA B 主要通过3个胞内环偶联Gi蛋白:其中较长的ICL2主要与G蛋白上α5,αN,β2-β3的结合,占据了约80%的互作界面;而较短的ICL1、ICL3主要与G蛋白的α5末端几个氨基酸相互作用,稳定了G蛋白的结合 (图3a,b) 。此外研究发现GABA B 受体选择性识别Gi/o亚型G蛋白是由于Gi/o的H5.23位点是小侧链的半胱氨酸,而Gs、Gq等类型G蛋白的相应位置大侧链的酪氨酸与GABA B 受体具有潜在的空间位阻 (图3c)

功能实验分析发现,当把H5.23位点的半胱氨酸突变成大侧链的色氨酸后,其偶联G蛋白的能力显著降低,而当突变成小侧链的丙氨酸后,其结合G蛋白的能力没有变化(图3d,e)。

图3:GABAB受体选择性偶联Gi蛋白的分子机制

该项工作完整地阐述了C型异源二聚体GABA B 受体的非对称激活机制:在非激活状态下,GABA B 受体两个亚基的VFT区都处于开放状态,TM区采用TM3-TM5/TM3-TM5互作界面;激动剂结合GB1-VFT正位口袋后,诱导GB1-VFT闭合,从而使得GB2-VFT旋转,进一步由颈区传导至TM结构域的重排,形成新的TM6/TM6作用界面;PAM以及G蛋白的结合,进一步诱导了GB2的TM区的旋转,形成更稳定的TM6/TM6互作界面;此外GB2亚基F568等残基精细的构象变化,导致其TM3/TM5的胞内端外移,三个胞内环形成较浅的口袋选择性偶联Gi/o蛋白,最终激活下游信号通路 (图4)

图4:GABAB受体激活的信号转导模型

本研究是浙江大学—华中科技大学细胞信号转导联合实验室在C型GPCR信号转导机制研究中的又一重大突破。该工作也进一步验证了刘剑峰课题组之前发现的C型GPCR二聚体,如代谢型谷氨酸受体 (Nat Chem Biol.,2015; PNAS., 2011) GABAB受体 (Cell Research,2020; Nat Commun.,2019;EMBO J.,2008) 钙敏感受体 (PNAS.,2020) 中不同亚基的各个功能域变构调节的激活模式。

华中科技大学与浙江大学医学院联合培养博士生申仓松、浙江大学医学院附属邵逸夫医院毛春友研究员、华中科技大学教师许婵娟和博士生晋楠为本研究第一作者。华中科技大学生命科学与技术学院刘剑峰教授,浙江大学医学院张岩研究员和法国功能基因研究所Jean-Philippe Pin教授为共同通讯作者。

浙江大学医学院蛋白质平台、冷冻电镜中心为本次研究的样品制备和数据收集提供了支持。该工作也得到了浙江中医药大学陈忠教授,浙江大学药学院侯廷军教授和法国功能基因研究所Rondard P教授的协助。本工作得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的大力支持。

论文链接:
https://www.nature.com/articles/s41586-021-03507-1
本文由作者自行上传,并且作者对本文图文涉及知识产权负全部责任。如有侵权请及时联系(邮箱:nanxingjun@hmkx.cn
关键词:
Nature,二聚体偶联,G蛋白,受体,偶联

人点赞

收藏

人收藏

打赏

打赏

我有话说

0条评论

0/500

评论字数超出限制

表情
评论

为你推荐

推荐课程


社群

精彩视频

您的申请提交成功

确定 取消
剩余5
×

打赏金额

认可我就打赏我~

1元 5元 10元 20元 50元 其它

打赏

打赏作者

认可我就打赏我~

×

扫描二维码

立即打赏给Ta吧!

温馨提示:仅支持微信支付!