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张岩课题组Nature协作发文揭露GPCR二聚体偶联G卵白的新情势

编辑:林海燕 来历:根本医学系 时候:2021年05月17日 拜候次数:10  源地点

G卵白偶联受体(GPCR)是人体内最大的膜受体卵白家属,其在细胞旌旗灯号传导中阐扬首要功效,同时也与人体疾病紧密亲密相干,是40%以上的上市药物的感化靶点【1】。按照布局和序列的差同性,人体中GPCR可分为A、B、C和F四品种型。最近几年来的布局功效研讨别离揭露了A、B1、B2和F类以单体情势阐扬功效的GPCP的激活机制【2-5】。研讨显现单体GPCR偶联G卵白接纳类似的情势,即受体的激活使跨膜布局域TM6的外移,进而组成较大的口袋用于连系Gα亚基的C结尾,从而激活G卵白下流旌旗灯号通路。可是持久以来,以二聚化情势阐扬功效的C型GPCR偶联G卵白的份子机制一向未能揭露,严峻障碍了人们对C型受体旌旗灯号转导机制的懂得。

2021年4月28日,华中科技大学性命迷信与手艺学院刘剑峰传授团队与浙江大学根本医学院、良渚尝试室张岩研讨员团队在Nature杂志在线颁发了题为“Structural basis of GABAB receptor-Gi protein coupling”的研讨论文。本研讨冲破性地判定了C型异源二聚体GABAB受体与G卵白复合物的高分辩率冷冻电镜布局,在天下上初次揭露二聚体GPCR偶联G卵白的新情势。

C型GPCR首要包含代谢型γ-氨基丁酸受体(GABAB)、代谢型谷氨酸受体(mGlu)、钙敏感触感染体(CaSR)和味觉受体1(Taste 1)等【6】。C型受体与浩繁神经和精力疾病相干,包含癫痫、痛苦悲伤、焦炙、烦闷、精力割裂症、药物成瘾、Rett综合征和癫痫性脑病等。GABAB受体是第一个被发明和证实的GPCR异源二聚体,是C型二聚体GPCR的典范代表【7,8】。GABAB受体普遍抒发在中枢神经体系中,到场进修、影象和突触旌旗灯号通报等首要的心理历程【9】。GABAB受体由GB1和GB2两个亚基组成,每一个亚基别离由胞外布局域(VFT),七次跨膜域(TMD)和胞内域组成【10】。GABAB受体激活接纳典范的非对称性调理机制,即GB1的VFT担任配体辨认,而GB2的TM偶联Gi/o卵白调控下流旌旗灯号。刘剑峰/张岩协作团队在2020年国际初次判定全长GABAB受体非激活态与激活态的邃密三维空间布局(详见BioArt报道:张岩/刘剑峰协作剖析代谢型γ-氨基丁酸受体激活机制的布局根本),说明了GABAB受体激活时的构象改变进程,判定了正向变构调理剂的连系口袋,极大地增进了GABAB受体的激活机制研讨和靶向药物开辟。同时,该任务还初次剖析了低分辩的GABAB-Gi复合物布局,发明因为潜伏的空间位阻,二聚化的GABAB受体仅能偶联一个G卵白【11】。可是其非对称激活和偶联G卵白的旌旗灯号转导的份子机制还未被揭露。

本研讨团队在后期任务的根本上再次停止课题攻关,前后冲破复合物组装、均一冷冻样品制备、静态构象数据处置等挑衅,终究实现高分辩GABAB受体-Gi卵白复合物的电镜布局判定(图1a)。布局阐发发明与单体GPCR差别,GABAB受体偶联G卵白时,两个亚基跨膜域的TM6均不发生外移,可是GB2亚基的TM3和TM5却发明较小幅度的外扩,使三个胞内环组成一个较浅的口袋连系G卵白。与单体GPCR比拟,G卵白α5螺旋拔出GABAB受体的深度低了~10Å,并且首要与胞内环互作。这些成果连系之前的其余C型GPCR功效研讨,猜测C型GPCR二聚体都接纳了这类差别于A、B1、B2和F类GPCP的激活的怪异的G卵白偶联情势(图1b-d)。

图1:GABAB偶联G卵白复合物的新奇布局

另外,研讨发明了GABAB偶联G卵白后的邃密构象变更,包含GB1和GB2之间的扭转,和GB2亚基TM的细节变更。经由过程布局阐发,研讨职员发明连系冲动剂的GABAB受体偶联G卵白后,其GB2-TM相较于GB1-TM发生进一步的逆时针扭转,使得GB1和GB2的跨膜域界面进一步接近,不变激活状况。研讨职员专一于GB2-TM的外部邃密的构象变更,阐发发明GB2 TM3/TM5胞内真个构象变更是肇端于TM3上F586侧链苯环的大角度扭转。旌旗灯号转导尝试阐发发明,将F586渐变成小侧链丙氨酸后,受体偶联G卵白的才能明显降落。另外,在GB2-TM的底部,多个带电荷的氨基酸组成的盐桥进一步不变了受体的激活态,从而揭露了GB2亚基连系G卵白的布局根本(图2)。GB2亚基这些怪异的构象的变更,终究决议了GABAB偶联G卵白的非对称性激活情势。

图2:GABAB受体接纳非对称性变更的激活机制

GABAB首要经由过程3个胞内环偶联Gi卵白:此中较长的ICL2首要与G卵白上α5,αN,β2-β3的连系,占有了约80%的互作界面;而较短的ICL1、ICL3首要与G卵白的α5结尾几个氨基酸彼此感化,不变了G卵白的连系(图3a,b)。另外研讨发明GABAB受体挑选性辨认Gi/o亚型G卵白是因为Gi/o的H5.23位点是小侧链的半胱氨酸,而Gs、Gq等范例G卵白的响应地位大侧链的酪氨酸与GABAB受体具备潜伏的空间位阻(图3c)。功效尝试阐发发明,当把H5.23位点的半胱氨酸渐变成大侧链的色氨酸后,其偶联G卵白的才能明显下降,而当渐变成小侧链的丙氨酸后,其连系G卵白的才能不变更(图3d,e)。

图3:GABAB受体挑选性偶联Gi卵白的份子机制

该项任务完全地论述了C型异源二聚体GABAB受体的非对称激活机制:在非激活状况下,GABAB受体两个亚基的VFT区都处于开放状况,TM区接纳TM3-TM5/TM3-TM5互作界面;冲动剂连系GB1-VFT正位口袋后,引诱GB1-VFT闭合,从而使得GB2-VFT扭转,进一步由颈区传导至TM布局域的重排,组成新的TM6/TM6感化界面;PAM和G卵白的连系,进一步引诱了GB2的TM区的扭转,组成更不变的TM6/TM6互作界面;另外GB2亚基F568等残基邃密的构象变更,致使其TM3/TM5的胞内端外移,三个胞内环组成较浅的口袋挑选性偶联Gi/o卵白,终究激活下流旌旗灯号通路(图4)。

图4:GABAB受体激活的旌旗灯号转导模子

本研讨是浙江大学—华中科技大学细胞旌旗灯号转导连系尝试室在C型GPCR旌旗灯号转导机制研讨中的又一严重冲破。该任务也进一步考证了刘剑峰课题组之前发明的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)和钙敏感触感染体(PNAS.,2020)中差别亚基的各个功效域变构调理的激活情势。华中科技大学与浙江大学根本医学院连系培育博士生申仓松、浙江大学根本医学院博士后毛春友、华中科技大学教员许婵娟和博士生晋楠为本研讨第一作者。华中科技大学性命迷信与手艺学院刘剑峰传授,浙江大学根本医学院张岩研讨员和法国功效基因研讨所PIN JP传授为配合通信作者。浙江大学医学院卵白质平台、冷冻电镜中间为本次研讨的样品制备和数据搜集供给了撑持。该任务也获得了浙江西医药大学陈忠传授,浙江大学药学院侯廷军传授和法国功效基因研讨所Rondard P传授的辅佐。本任务获得了科技部国度重点研发打算、国度天然迷信基金等名目的鼎力撑持。

参考文献

1 Hauser, A. S., Attwood, M. M., Rask-Andersen, M., Schiöth, H. B. & Gloriam, D. E. Trends in GPCR drug discovery: new agents, targets and indications. Nature reviews. Drug discovery 16, 829-842, doi:10.1038/nrd.2017.178 (2017).
2 Rasmussen, S. G. et al. Crystal structure of the β2 adrenergic receptor-Gs protein complex. Nature 477, 549-555, doi:10.1038/nature10361 (2011).

3 Zhang, Y. et al. Cryo-EM structure of the activated GLP-1 receptor in complex with a G protein. Nature 546, 248-253, doi:10.1038/nature22394 (2017).

4 Ping, Y. Q. et al. Structures of the glucocorticoid-bound adhesion receptor GPR97-G(o) complex. Nature 589, 620-626, doi:10.1038/s41586-020-03083-w (2021).

5 Qi, X. et al. Cryo-EM structure of oxysterol-bound human Smoothened coupled to a heterotrimeric G(i). Nature 571, 279-283, doi:10.1038/s41586-019-1286-0 (2019).

6 Pin, J. P. & Bettler, B. Organization and functions of mGlu and GABA(B) receptor complexes. Nature 540, 60-68, doi:10.1038/nature20566 (2016).

7 Kaupmann, K. et al. GABA(B)-receptor subtypes assemble into functional heteromeric complexes. Nature 396, 683-687, doi:10.1038/25360 (1998).

8 White, J. H. et al. Heterodimerization is required for the formation of a functional GABA(B) receptor. Nature 396, 679-682, doi:10.1038/25354 (1998).

9 Vlachou, S. & Markou, A. GABAB receptors in reward processes. Advances in pharmacology (San Diego, Calif.) 58, 315-371, doi:10.1016/s1054-3589(10)58013-x (2010).

10 Bettler, B., Kaupmann, K., Mosbacher, J. & Gassmann, M. Molecular structure and physiological functions of GABA(B) receptors. Physiological reviews 84, 835-867, doi:10.1152/physrev.00036.2003 (2004).

11 Mao, C. et al. Cryo-EM structures of inactive and active GABA(B) receptor. Cell research 30, 564-573, doi:10.1038/s41422-020-0350-5 (2020).


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