G蛋白偶联受体（G protein-coupled receptor，GPCR）在细胞信号转导过程中发挥关键作用，是最大的药物靶标蛋白质家族。GPCR被细胞外的信号分子激活后，与细胞内的效应蛋白（G蛋白、阻遏蛋白等）结合，激活多种下游信号通路，从而介导并调控人体各种生命活动。G蛋白（G protein）和阻遏蛋白（arrestin）在GPCR的信号转导和功能调控中发挥不同作用，其中，arrestin介导受体的脱敏和内化。近年来，随着结构和功能研究的不断深入，GPCR与G蛋白的作用机制逐渐明朗，但由于研究难度大，arrestin相关研究进展缓慢，仅有数个A类GPCR与arrestin的复合物结构被解析，严重制约了对于arrestin作用模式及相关生理、病理机制的深入理解。
以往的研究发现，GPCR可能通过两种方式与arrestin结合：一种为受体的跨膜结构域的核心区域以及受体的C端共同与arrestin结合，被称为“core”构象；另外一种则由受体的C端区域单独与arrestin作用，被称为“tail”构象。这两种构象被认为参与介导受体信号转导和分子运输的不同过程，对受体的功能发挥不同调控作用。然而，之前发表的所有GPCR与arrestin的复合物结构均为“core”构象，“tail”构象的具体作用机制不明。
近日，中国科学院上海药物研究所吴蓓丽课题组与赵强课题组在GPCR的信号转导机制研究中取得突破性进展，在国际上首次揭示arrestin的全新“tail”结合模式，并第一次阐明B类GPCR与arrestin的精细作用机制，在原子水平揭示受体内化及囊泡内信号转导的分子基础，极大地促进了对于B类受体信号转导机制的深入理解。相关研究论文 “Tail engagement of arrestin at the glucagon receptor”于北京时间2023年8月9日在Nature在线发表。
B类GPCR参与调控多种重要的生理过程，其功能紊乱与糖尿病、肥胖、骨质疏松、偏头痛等多种疾病的发生发展密切相关。该类受体可激活多种G蛋白和arrestin，从而介导不同生理过程。近年来，针对B类受体的偏向性药物开发受到广泛关注，这类药物靶向特定信号通路，例如，只激活G蛋白信号通路或只促进受体招募arrestin，因此具有较好的疗效、较低的副作用。然而，目前B类GPCR与arrestin的结合模式以及配体的偏向性调控机制不清楚，对偏向性药物设计及其药理机制的探明造成巨大困难。
吴蓓丽课题组与赵强课题组长期致力于B类GPCR信号转导机制研究，成功解析胰高血糖素受体（glucagon receptor，GCGR）处于多种功能状态的三维结构，并开展深入的功能研究，为全面认识B类受体的配体识别、功能调控和信号转导机制提供重要信息，在国际顶级学术期刊Nature和Science发表多篇研究论文（Nature 2017、Nature 2018、Science 2020）。在此基础上，该联合研究团队进一步成功解析GCGR与阻遏蛋白β-arrestin 1（βarr1）及内源性激动剂胰高血糖素（glucagon）的复合物冷冻电镜结构。
该结构显示，βarr1主要与位于受体C端区域的第八个螺旋（helix Ⅷ）形成紧密的相互作用，而与受体跨膜结构域的核心区完全没有接触，这是首次解析具有“tail”构象的GPCR-arrestin复合物结构。除了主要结合位点以外，GCGR-βarr1结构还体现出多个显著区别于以往GPCR-arrestin结构的特点，βarr1中C端结构域的C-edge环区（loop）与受体跨膜螺旋近距离接触，并插入细胞膜的脂分子双层中，对于稳定复合物的“tail”构象起重要作用。此外，一个磷酸肌醇类似物分子通过与受体的helix VIII和βarr1共同作用，充当“支架”进一步加强GCGR与βarr1的结合，提示磷酸肌醇可能在arrestin介导的GPCR信号转导中发挥作用。
该研究的另外一项重要发现是，与βarr1结合的GCGR处于非激活状态，而在以往发表的所有GPCR-arrestin结构中受体均处于激活状态。虽然，在GCGR-βarr1结构中，内源性激动剂glucagon与受体结合，但与研究人员之前解析的处于完全激活状态的GCGR-G蛋白复合物结构相比，其结合位点较浅，结合稳定性较差。这些差异是由arrestin的不同结合模式导致的，在以往的结构中arrestin伸入受体跨膜结构域的核心区域，将受体稳定在激活状态；而βarr1仅与GCGR的C端区域作用，因此不需要受体维持其激活状态。
研究人员还解析了无配体结合的GCGR-βarr1复合物结构，与结合glucagon的结构相比，受体与βarr1的结合模式完全一致，且受体同样处于非激活态。这进一步说明βarr1以“tail”构象与GCGR结合时，不需要受体处于激活状态。而功能实验结果显示，GCGR招募arrestin需要激动剂激活受体，这可能是受体磷酸化所必需的，同时也提示βarr1可能还通过其它构象与GCGR结合。这些发现充分体现了arrestin介导GPCR信号转导机制的复杂性。
为了进一步探索“tail”构象在arrestin介导GCGR功能调控中发挥的作用，研究团队利用生物发光共振能量转移等研究手段，针对GCGR胞内侧区域的数十个氨基酸突变，研究它们对受体上膜、内化和囊泡内信号转导等过程的影响。实验结果表明，位于GCGR的helix Ⅷ的氨基酸突变对于这些生理过程均产生较大的影响，而受体跨膜结构域核心区的氨基酸突变则影响不大。这些数据明确了arrestin的“tail”构象在受体信号转导和分子运输中的重要作用，对于深入研究GPCR的信号转导和功能调控机制意义重大。未来，可通过设计特异性识别不同构象状态的偏向性药物，实现对不同效应蛋白及信号通路的选择性调控，从而有效降低药物副作用，推动药物研发。
研究论文的第一作者为上海药物所博士生陈坤和张宸珲、副研究员林淑玲。上海药物所吴蓓丽研究员和赵强研究员为研究论文的共同通讯作者。研究获得国家自然科学基金委员会、国家科学技术部、中国科学院和上海市科学技术委员会等资助。
全文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06420-x
