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专家点评Nature | 吴蓓丽/赵强/水雯箐合作开展黏附类受体结构和功能研究揭示孤儿GPCR自激活机制

2022-04-26

  G蛋白偶联受体G protein-coupled receptor, GPCR)在细胞信号转导中发挥重要作用,介导并调控人体的各类生命活动。这类受体与众多疾病密切相关,是最大的药物靶标蛋白家族,超过40%的上市药物通过与这些受体作用发挥其疗效,但目前还有大量靶向该家族的药物处于研发阶段,围绕GPCR的药物研发一直是国际医药产业的竞争高地。虽然近年来对GPCR的结构与药理学研究不断有突破性成果产生,但至今仍有100余种GPCR的配体和信号转导通路不明,这些孤儿受体相关的研究极为匮乏,极大地制约了对于GPCR生理功能与信号转导机制的全面认识。值得一提的是,孤儿受体作为药物开发的“处女地”,是潜在的药物靶标“源泉”,为创新药物研发带来机遇。 

  黏附类GPCR包含33种受体,参与调控免疫反应、器官发育和细胞通讯等生理过程,与精神分裂症、多动症和癌症等多种疾病密切相关。然而,该类受体是目前研究最不透彻的GPCR家族,几乎所有成员都是配体未知和功能不明的孤儿受体,其结构和功能研究的匮乏严重制约了相关的药物研发进程。ADGRD1ADGRF1作为两种黏附类受体,被发现是多种癌症的致癌基因,但其在分子水平上如何被激活和调控,相关的作用机制仍不清楚。 

  2022413日,中国科学院上海药物研究所吴蓓丽研究组、赵强研究组联合上海科技大学水雯箐研究组在Nature上发表了文章Structural basis of tethered agonism of the adhesion GPCRs ADGRD1 and ADGRF1。该研究团队成功解析两种黏附类GPCRadhesion GPCRADGRD1ADGRF1分别与G蛋白结合的复合物三维结构,并开展了深入的功能相关性研究,首次阐明这类孤儿受体自发激活的分子机制,为研究该类受体的信号转导机理和未来的药物设计提供了重要依据。 

  

  此次,上海药物所的联合研究团队通过测定ADGRD1ADGRF1分别与G蛋白结合的复合物结构,发现受体自身的一部分可作为内源性激动剂,使受体激活。这个充当激动剂的部分是位于受体胞外结构域和跨膜结构域之间的一段多肽(包含约20个氨基酸),被称为“stalk”。该区段通过与受体跨膜结构域作用,导致跨膜螺旋发生构象变化,从而激活受体,使其与G蛋白结合。这种受体自发激活方式从未在其它类型GPCR中被发现,充分体现了黏附类受体信号转导机制的独特性。 

  不同于其它GPCR,黏附类受体的N端含有一个巨大的胞外结构域,不同类型黏附类受体的胞外结构域组成差异巨大。尽管如此,几乎所有黏附类受体的胞外结构域中都包含一个自剪切结构域(GPCR autoproteolysis-inducing, GAIN),该结构域中含有一个自剪切位点,使受体断裂成N端和C端两个部分,自剪切位点和跨膜结构域之间的区段即为stalk。以往研究发现,虽然受体发生断裂,stalk仍然与GAIN结构域的其它部分紧密结合。而ADGRD1ADGRF1G蛋白的复合物结构显示,stalkGAIN结构域中脱离,发生显著的构象变化,促使其伸入到受体跨膜结构域的结合口袋中,这说明stalk的构象重排对于受体激活至关重要。 

  以往人们普遍认为黏附类受体发生自剪切有利于GAIN结构域释放stalk,从而促进受体自激活。然而,此次研究人员将ADGRD1ADGRF1的自剪切位点突变,使其丧失自剪切能力,受体激活下游信号通路的能力却没有发生显著变化。更加出乎意料的是,研究人员进一步解析了ADGRF1自剪切突变体与G蛋白的复合物结构,发现stalk仍能通过同样的方式与跨膜结构域作用激活受体。这些研究结果表明,自剪切对于stalk释放和受体自激活不是必需的。 

  ADGRD1ADGRF1的氨基酸序列相似性很低,但这两种受体的结构显示stalk与跨膜结构域之间形成的相互作用力非常相似,提示不同类型黏附类受体可能通过类似的方式自发激活下游信号通路。进一步分析发现,不同跨膜螺旋中的氨基酸凭借彼此间的相互作用形成一系列作用力核心,这些作用力核心像传递“接力棒”一样,将stalk在受体细胞外侧区域引发的构象变化向细胞内侧方向传送,最终完全激活受体。对受体的功能研究显示,将构成这些作用力核心的氨基酸突变后,受体自激活的能力显著下降,表明这些作用力对于受体激活至关重要。这些结构和功能信息为药物设计提供了精准的模板,将有助于靶向这两种黏附类受体的癌症治疗药物开发。 

  该研究的另外一项重要发现是一种天然脂分子通过与ADGRF1特异性结合对受体功能进行调控。联合研究团队在ADGRF1G蛋白的复合物结构中发现一个脂分子与受体中G蛋白结合口袋附近的一个位点结合,而在另一个受体ADGRD1的结构中则没有发现脂分子。研究人员进一步利用质谱与组学技术鉴定该脂分子的结构为溶血磷脂胆碱(lysophosphatidylcholineLPC)。进一步的功能研究表明,LPC可能通过稳定受体胞内侧区域的构象促进受体激活。这是首次发现细胞膜的脂质成分LPCGPCR结合并对受体功能发挥调控作用,极大地拓展了对于GPCR功能调控机制的认识。 

  

  图片:黏附类受体结构示意图。黏附类受体在细胞黏附和信号转导中发挥重要作用,是癌症和神经系统疾病等的潜在药物作用靶点。图中处于不同功能状态的ADGRF1结构或模型用橙色飘带图表示,受体中的stalk区域用红色表示,脂分子LPC用绿色表示,GAIN结构域为砖红色,G蛋白的三个亚基分别为黄色,浅粉色和浅灰色。(图片由中国科学院上海药物研究所吴蓓丽研究组提供) 

  中国科学院上海药物研究所吴蓓丽研究员、赵强研究员和上海科技大学水雯箐教授是研究论文的共同通讯编辑,第一编辑是上海药物所博士生瞿向利、硕士生邱娜和上海科技大学博士生王沐、助理研究员张冰洁 

  专家点评 

  刘志杰(上海科技大学iHuman研究所实行所长、教授) 

  黏附类GPCRadhesion GPCRaGPCR)是一类在正常生理状态和疾病发生发展中都具有重要功能的受体,与多种人体疾病有关,包括神经管缺陷、脊柱裂、脑畸形和癌症等等。其复杂的生理功能和巨大的药物研发潜力使人们越来越关注这类受体,但是这些受体的研究极具挑战性,这是因为aGPCR具有非常复杂的分子结构和独特的信号转导机制,这些极大地制约了这类受体的功能研究和药物研发。目前,人们对于aGPCR在功能调控机制、相互作用网络和药理基础等方面的认识远远落后于其它 GPCR 家族,大部分aGPCR仍然是孤儿受体。 

  此次,中国科学院上海药物研究所和上海科技大学的联合研究团队通过测定ADGRD1ADGRF1G蛋白的复合物结构,发现两种aGPCR分子中跨膜结构域前的一段多肽stalk可作为内源性激动剂激活受体,首次在原子水平上揭示了该类受体的自发激活机制。Stalk区段通过与受体跨膜结构域作用,导致跨膜螺旋发生构象变化,再通过一系列独特的跨膜螺旋间的作用力核心将构象变化传递至细胞内侧,从而激活受体。这是一种从未在其它类型GPCR中发现的自激活模式,其分子机理的揭示为这类受体的功能研究和药物研发提供了重要基础。此外,该研究还发现并鉴定了细胞膜的天然脂质成分溶血磷脂胆碱(lysophosphatidylcholineLPC)通过与ADGRF1特异性结合对受体功能进行调控,为靶向该受体的药物设计指明了新方向。这项研究极大地拓展了大家对aGPCR信号转导和功能调控机制的认知,对于后续的功能研究和药物研发将产生重要影响。 

  专家点评 

  徐彦辉(复旦大学教授) 

  黏附类GPCR参与调控机体的多种生理活动,与癌症和精神分裂症等疾病密切相关。该类受体具有巨大的胞外结构域,在细胞黏附与信号转导过程中发挥着双重作用。由于黏附类受体的分子结构和功能调控机制非常复杂,且大部分成员为配体未知的孤儿受体,相关的结构与功能研究具有极大挑战性。以往研究表明,与其它类型GPCR不同,大多数黏附类受体会发生自剪切,断裂成N端和C端两个片段,位于C端片段头部的一段多肽stalk可充当激动剂,使受体激活并引发下游信号,但相关的分子机制一直不清楚,极大地限制了对于这类受体信号转导机制的深入理解。 

  在此次研究中,中科院上海药物研究所的研究团队克服了一系列困难,成功解析了两种黏附类受体ADGRD1ADGRF1分别与多种G蛋白的复合物电镜结构,并利用多种细胞信号转导实验开展受体功能研究。首次阐明stalk通过与跨膜结构域作用自发激活受体的分子机制,并对受体自剪切在自激活过程中发挥的作用进行探索,在此基础上提出了自剪切型与非自剪切型黏附类GPCR的自激活模型。该研究还发现黏附类受体的信号转导模式具有多样性,不同类型受体通过不同的构象变化和不同的分子内作用力传递信号。此外,结构和功能研究证实ADGRF1受体的激活还受到天然脂分子溶血磷脂胆碱(LPC)的特异性调控。这些研究结果充分体现黏附类GPCR信号转导和调控机制的独特性、复杂性和多样性,有效地促进了对于这类孤儿受体发挥功能的分子机制的理解,为研究大量结构、功能未知的孤儿受体提供了新思路,并为挖掘其药物研发潜力提供新的线索。上述突破性成果源于吴蓓丽和赵强联合团队在GPCR研究领域十余年来的深厚积累和对领域核心问题持之以恒的探索。 

  

   (来源:BioArt 

  原文出处:Qu, X., Qiu, N., Wang, M. et al. Structural basis of tethered agonism of the adhesion GPCRs ADGRD1 and ADGRF1. Nature (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-04580-w 

  链接:https://www.nature.com/articles/s41586-022-04580-w 

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