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《上海药物所徐华强课题组合作解析糖皮质激素与GPR97和Go蛋白复合物的冷冻电镜结构》

  • 来源专题：生物安全知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者： hujm
  • 发布时间：2021-01-10

  • 中国科学院上海药物研究所徐华强研究员团队与山东大学孙金鹏教授团队、浙江大学张岩教授团队等首次解析了糖皮质激素与其膜受体GPR97和Go蛋白复合物的冷冻电镜结构，这也是国际上首次解析的黏附类GPCR与配体和G蛋白复合物的高分辨率结构。该研究成果 Structures of glucocorticoid-bound adhesion receptor GPR97-Go complex 于2021年1月6日在线发表于Nature杂志。

    　　黏附类G蛋白偶联受体（Adhesion G protein-coupled receptors, aGPCRs）是GPCR超家族成员之一，在生物体许多重要的生理过程中发挥关键分子开关的作用，如脑的发育、水盐调节、炎症以及细胞命运决定等。与GPCR超家族其它成员相比，aGPCRs除了具有经典的7次跨膜核心（7TM）外，还具有较长的胞外区域，组成了拥有不同功能的结构域。目前普遍认为aGPCRs可被结合胞外的基质蛋白或可溶性小分子激活，然而，小分子配体是否可以直接结合7TM并激活受体尚不清楚。

    　　糖皮质激素对机体的发育、生长、代谢以及免疫等功能发挥着重要的调节作用，是机体应激反应最重要的调节激素和临床上使用最为广泛的抗炎和免疫抑制剂之一。经典理论认为，糖皮质激素通过与糖皮质激素核受体结合，并穿过核孔，在细胞核内发挥调控相关基因表达的作用。该作用方式通常需要较长的反应时间，被称为基因组机制。徐华强课题组分别在2002年和2014年解析了糖皮质激素核受体与地塞米松（Cell, 110: 93-105）和内源性糖皮质激素----氢化可的松（Cell Research, 24: 713–726)的晶体结构，揭示了糖皮质激素识别和功能调控其核受体的机制，推动了糖皮质激素受体靶向药物的开发。另一方面，糖皮质激素也被发现能够快速引起细胞和机体的变化，提示生物体内可能存在着糖皮质激素的膜受体，其能够介导糖皮质激素的快速反应。研究发现，糖皮质激素的快速反应与G蛋白有密切关系，Gi的抑制剂PTX能够抑制糖皮质激素的快速作用，并据此推测GPCR是糖皮质激素的潜在膜受体。山东大学孙金鹏教授和易凡教授团队等对GPR97进行了大量受体生理学和内源性配体发现等工作，发现包括糖皮质激素类的氢化可的松、可的松以及11-脱氧皮质醇等在内的内源性类固醇激素都能够激活GPR97，其中地塞米松具有更强的GPR97激活能力，并最终确认Go是GPR97激活后偶联的G蛋白通路。

    　　在前期工作的基础上，联合团队采用单颗粒冷冻电镜技术，分别对外源配体倍氯米松（BCM）以及内源性配体氢化可的松（cortisol）激活GPR97后形成的复合物进行了结构解析，最终分别获得了两个配体激活态的GPR97受体与Go蛋白的复合物结构，分辨率分别为3.1埃和2.9埃（图1a和1b）。

    相对其它GPCR亚家族成员，GPR97的7TM呈现独特的空间分布，其螺旋也展现出与其它受体不同的长度；根据传统理论，aGPCR特有的胞外GAIN结构域和7TM在激活GPCR的过程中作为整体发挥其核心功能，然而，研究人员在结构中首次发现糖皮质激素结合在GPR97 7TM核心中的一个椭圆形正构结合口袋（图1c）；此外，GPR97展现出不同于其他A类GPCR成员的独特激活机制。GPR97序列中不含有保守的PIF、DRY和NPxxY等motif，其首先通过toggle switch W6.53 识别配体并被激活。激活的受体借助首次发现的upper Quaternary core（UQC）将受体TM3-TM5-TM6捆绑在一起，继而通过HLY motif介导与Go蛋白的结合。受体7TM组成较大的胞内侧G蛋白结合口袋，3个胞内环都参与了受体与G蛋白的相互作用，胞内环与受体的组成性激活密切相关；在本项研究中，研究人员还首次阐述了G蛋白的棕榈酰化修饰在其偶联GPCR中的关键作用。研究首次发现Gαo的α5螺旋C351位点被棕榈酰化修饰（图2），并进一步验证了该修饰在Go与GPR97的偶联中的独特作用。

    综上，合作团队首次发现了糖皮质激素的高亲和力膜受体，并通过单颗粒冷冻电镜技术，解析了黏附类GPCR家族中GPR97在糖皮质激素的激活作用下与Go蛋白复合物的结构，从而在近原子分辨率上揭示了糖皮质激素识别并激活膜GPR97，以及受体偶联Go蛋白的分子机制。该成果将对糖皮质激素膜受体功能研究和黏附类GPCR的激活机制理解发挥了重要的示范和推动作用。

    　　上海药物所为本研究的第一完成单位，上海药物所与山东大学基础医学院联合培养博士生平玉奇，浙江大学基础医学院博士后毛春友，山东大学基础医学院副教授肖鹏、硕士研究生赵儒嘉，上海药物研究所蒋轶研究员为本文共同第一作者；山东大学孙金鹏教授、浙江大学基础医学院张岩教授以及上海药物所徐华强研究员为共同通讯作者，山东大学易凡教授和于晓教授为本文的共同作者。本研究得到国家基金委、科技部、上海市科委等单位的基金资助。

  • 原文来源：https://doi.org/10.1038/s41586-020-03083-w;http://www.simm.ac.cn/web/xwzx/kydt/202101/t20210106_5853197.html
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    • 编译者：hujm
    • 发布时间：2021-03-04
    • 2021年2月11日，上海药物所徐华强课题组联合国内外多家单位于国际顶级期刊Cell以长文形式在线发表了题为Structural insights into the human D1 and D2 dopamine receptor signaling complexes的研究论文1，文章解析了在包括抗帕金森氏病药物溴隐亭（bromocriptine）以及阿扑吗啡（apomorphine）在内的多种激动剂激活下，多巴胺受体D1R和D2R分别与下游G蛋白信号复合物的结构，并结合大量功能实验数据，揭示了D1R和D2R配体结合口袋的拓扑结构特性、潜在的受体激活机制、配体激动剂选择性识别并激活D1R和D2R的分子机制、D1R的G蛋白偏好性激活决定因素以及D1R和D2R在G蛋白选择性差异上的结构基础等。在同期Cell上，来自四川大学的邵振华团队等以“背靠背”形式发表了Ligand recognition and allosteric regulation of DRD1-Gs signaling complexes 的研究论文2，报道了D1R与不同激动剂配体以及D1R与变构调节剂的结构，揭示了D1R的激动剂配体以及变构调节剂的结合特性以及潜在的变构调节机制等。以上两项研究成果在国际上首次分别报道了D1R的近原子分辨率结构，系统性地阐述了D1R的配体激动剂结合特征，为以D1R和D2R为药物靶点的选择性激动剂药物的设计和开发用于治疗神经系统性疾病提供了重要的结构基础和理论依据。这两项研究成果于2月19日在Cell以封面故事形式报道。 上海药物所徐华强课题组长期致力于GPCR及其信号通路的结构和功能研究，在领域内耕耘二十余载，取得了系列突破性成果。近年来，课题组与国内外科研团队合作，解决了GPCR领域的诸多重大科学问题，创造了多个“首个”，包括解析国际首个GPCR与阻遏蛋白信号复合物Rhodopsin-visual arrestin的晶体结构（Yanyong. Kang, et al. 2015. Nature）3，首个Gi偶联的GPCR-G蛋白信号复合物Rhodopsin-Gi（Yanyong. Kang, et al. 2018. Nature）4，首个非视觉阻遏蛋白（Arrestin2）与神经降压素受体（NTSR1）复合物（Wangchao. Yin, et al. 2019. Cell Research）5等。 　　与此同时，课题组相继合作完成了重大疾病相关系列GPCR与G蛋白复合体的高分辨率冷冻电镜结构及其药理活性研究工作，包括1型人源甲状旁腺激素受体（PTH1R）6、促肾上腺皮质激素释放激素受体（CRFRs）7、大麻素受体2（CB2）8、甲酰肽受体2（FPR2）9 以及黏附因子受体（GPR97）10 等。这些研究成果促进了人们更为深入地理解和认识GPCR信号通路，并为针对GPCR的相关药物合理设计和开发奠定了坚实基础，推进了基于GPCR的靶向新药发现。 　　针对单胺类神经递质受体的研究工作，徐华强课题组也开展了持续研究。早在2013年，课题组便联合多家单位在Science上以长文形式发表了两篇“背靠背”论文，介绍了关于五羟色胺受体家族5HT1B和5HT2B的研究成果11,12。针对于多巴胺受体家族的研究，课题组还于近期在Molecular Cell上发表了D3R的研究成果13。 　　此次对于D1R和D2R的研究，是徐华强课题组合作在多巴胺能系统方向进行结构和功能系列研究的又一突出研究工作，进一步完善了学界对于多巴胺受体家族的认识。同时，这项工作也是在单胺类神经递质受体结构药理研究领域的又一重要进展。 参考文献 1.Zhuang, Y. et al. Structural insights into the human D1 and D2 dopamine receptor signaling complexes. Cell, doi:10.1016/j.cell.2021.01.027 (2021). 2.Xiao, P. et al. Ligand recognition and allosteric regulation of DRD1-Gs signaling complexes. Cell, doi:10.1016/j.cell.2021.01.028 (2021). 3.Kang, Y. et al. Crystal structure of rhodopsin bound to arrestin by femtosecond X-ray laser. Nature 523, 561-567, doi:10.1038/nature14656 (2015). 4.Kang, Y. et al. Cryo-EM structure of human rhodopsin bound to an inhibitory G protein. Nature 558, 553-558, doi:10.1038/s41586-018-0215-y (2018). 5.Yin, W. et al. A complex structure of arrestin-2 bound to a G protein-coupled receptor. Cell research 29, 971-983, doi:10.1038/s41422-019-0256-2 (2019). 6.Zhao, L. H. et al. Structure and dynamics of the active human parathyroid hormone receptor-1. Science 364, 148-153, doi:10.1126/science.aav7942 (2019). 7.Ma, S. et al. Molecular Basis for Hormone Recognition and Activation of Corticotropin-Releasing Factor Receptors. Molecular cell 77, 669-680, doi:10.1016/j.molcel.2020.01.013 (2020). 8.Xing, C. et al. Cryo-EM Structure of the Human Cannabinoid Receptor CB2-Gi Signaling Complex. Cell, 180, 645-654, doi:10.1016/j.cell.2020.01.007 (2020). 9.Zhuang, Y. et al. Structure of formylpeptide receptor 2-Gi complex reveals insights into ligand recognition and signaling. Nature communications 11, 885, doi:10.1038/s41467-020-14728-9 (2020). 10.Ping, Y. Q. et al. Structures of the glucocorticoid-bound adhesion receptor GPR97-Go complex. Nature 589, 620-626, doi:10.1038/s41586-020-03083-w (2021). 11.Wacker, D. et al. Structural Features for Functional Selectivity at Serotonin Receptors. Science 340, 615-619, doi:Doi 10.1126/Science.1232808 (2013). 12.Wang, C. et al. Structural Basis for Molecular Recognition at Serotonin Receptors. Science 340, 610-614, doi:Doi 10.1126/Science.1232807 (2013). 13.Xu, P. et al. Structures of the human dopamine D3 receptor-Gi complexes. Molecular cell, doi:10.1016/j.molcel.2021.01.003 (2021).
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  • 《上海药物所徐华强课题组合作揭示多巴胺受体D3配体选择性和激活Gi的结构基础》
    • 来源专题：生物安全知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：hujm
    • 发布时间：2021-03-04
    • 多巴胺（dopamine, DA）是人体中枢神经系统和周围神经系统的主要神经递质之一，通过结合多巴胺受体发挥众多重要的生理功能，包括学习、记忆、认知、奖励、情感、调节情绪和控制运动等1。多巴胺受体属于G蛋白偶联受体（G protein-coupled receptor, GPCR）超家族，包含D1R到D5R共五个受体成员，其中D1R和D5R两个亚型偶联激活型G蛋白（Gs），而D2R、D3R和D4R通过激活抑制型G蛋白（Gi）发挥其生物学功能。多巴胺信号转导的失衡和改变是导致多种精神类疾病的原因之一，这些疾病包括帕金森症（parkinson's disease）、精神分裂症、阿尔兹海默症和亨廷顿氏病等。作为多巴胺受体中重要的成员，D3R是当前帕金森病、药物成瘾和精神分裂等疾病的热门靶点之一。临床用于帕金森病治疗的药物多为D2R和D3R的激动剂，如临床获批用于帕金森病和不安腿综合征（Willis-Ekbom病）治疗的普拉克索（pramipexole）等2,3。普拉克索和小分子激动剂PD128907均能激活D2R和D3R，尤其对D3R亚型表现出优于D2R和D4R的选择性。多年以来，以抗帕金森疾病药物为代表的大部分多巴胺受体激动剂都是以分布更为广泛的D1R和D2R为药物靶点。但是，越来越多的研究表明：D3R更集中地分布在大脑中某些对精神疾病极为关键的部位，例如腹侧纹状体，包括伏隔核，丘脑，海马体和皮质。实际上，内源性配体多巴胺和大部分用于临床治疗的多巴胺受体激动剂药物，都表现出对D3R亚型更高的亲和力。这些都表明D3R受体在精神疾病的发生发展和药物开发中的重要地位和价值。通过对D3R受体进行结构药理学研究揭示配体选择性的分子机制对理解D3R激活和设计高效低毒的多巴胺受体靶向药物具有重要的理论意义和应用价值。目前尽管已有若干多巴胺受体亚型的高分辨率结构获得解析，包括D2R，D3R和D4R与拮抗剂结合复合物的晶体结构和D2R与激动剂复合物的冷冻电镜结构等。然而，D3R与激动剂结合复合物的结构仍未获得解析，极大地限制了人们对D3R配体识别和受体激活机制的理解，成为了制约基于结构的靶向D3R受体药物研发的瓶颈。 　　2021年2月5日，中国科学院上海药物研究所徐华强研究员和程曦副研究员、浙江大学医学院与浙江省良渚实验室张岩研究员、以及北卡罗来纳大学教堂山分校Bryan L. Roth教授等共同在Molecular Cell杂志上在线发表了他们最新的研究成果“Structures of the human dopamine D3 receptor-Gi complexes”，首次解析了D3R分别与帕金森病治疗药物普拉克索和小分子激动剂PD128907，以及抑制型Gi蛋白复合物的高分辨率冷冻电镜结构，揭示了配体选择性识别和激活D3R的分子机制。 研究团队采用单颗粒冷冻电镜分别对帕金森病治疗药物普拉克索和小分子激动剂PD128907激活D3R后形成的复合物分别进行了结构重塑，最终解析了D3R在两种配体激活情况下与Gi蛋白的复合物结构。其中，普拉克索与D3R-Gi复合物结构的分辨率为3.0埃；PD128907与D3R-Gi复合物结构的分辨率达到了2.7埃，代表了当前A型GPCR冷冻电镜结构研究的最高解析度（图1）。 通过比对D3R受体分别与普拉克索和PD128907两种激动剂结合的结构细节，研究团队发现了两种小分子激动剂与受体结合具有明显的特征区别；通过与D2R和D4R激活结构的比对分析发现，结合口袋中TM6上的6.55位组氨酸的空间位置是决定配体对多巴胺受体亚型D2R、D3R和D4R选择性的决定性因素；研究同时对多巴胺受体各亚型偶联下游Gs和Gi选择性的机制进行了探讨，发现受体TM6上的三个特定位置的差异残基（6.31, 6.36和6.38位）是导致不同多巴胺受体亚型选择性偶联Gs或Gi的决定因素，这与徐华强研究员团队在2018年报道的Rhodopsin-Gi结构所揭示的Gs/Gi选择性机制相符合4；研究进一步发现，D3R与其他Gi偶联GPCR类似，均通过高度相似的静电相互作用类型偶联下游Gi蛋白；此外，研究揭示了多巴胺受体偶联Gi和Go这两类高度保守的G蛋白类型选择偏向性的分子基础。D3R具有Go蛋白的选择偏向性，而D2R对Gi蛋白具有更高的选择性。通过对D2R和D3R的结构观察发现，D3R的TM6相对D2R更具刚性，摆动幅度更小，导致产生了更小尺寸的跨膜螺旋胞内口袋，而Go蛋白相对Gi具有相对更小的氨基酸侧链，因此D3R较D2R表现出更为显著的Go蛋白偶联偏向性（图2）。 综上所述，团队利用单颗粒冷冻电镜技术首次解析了选择性D3R激动剂、D3R受体与效应G蛋白的复合物结构，从而在原子分辨率上详细阐释了D3R受体选择性识别配体，被激活后与G蛋白偶联的分子机制。该成果阐述了多巴胺受体D3R配体识别选择性和激活机制等重要的生物学问题，也为开发以多巴胺受体为靶标的选择性药物提供了重要的结构模型。 　　冷冻电镜数据在浙江大学冷冻电镜中心收集。研究工作同时得到了中国科学院上海药物研究所蒋华良院士和余学奎研究员，以及美国温安洛研究所的Karsten Melcher教授的帮助。上海药物研究所与浙江大学基础医学院联合培养博士生徐沛雨、上海药物研究所与上海科技大学联合培养博士生黄思婕、浙江大学基础医学院博士后毛春友和北卡罗来纳大学教堂山分校的Brian E. Krumm为本文共同第一作者。浙江大学为第一完成单位。该工作获得了上海市市级科技重大专项、科技部重点研发计划、中国科学院先导项目、国家自然基金委、浙江省自然基金委等的资助。
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