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Nat Commun丨张健/陆绍永等揭示C类GPCR二聚体变构活化的全景构象空间及机制

BioArt · 公众号 · 生物 · 2024-09-05 00:00

正文

G蛋白偶联受体（G protein-coupled receptor，GPCR）在细胞信号转导中发挥着至关重要的作用，是药物靶标中最大的蛋白质家族。绝大多数作用于GPCR的药物通过调控其活化过程来发挥功效，这涉及受体从非激活、无信号的构象转变为诱导G蛋白结合传导信号的激活构象。尽管近年来单体形式的GPCR的活化机制已得到深入研究，但由于多聚体组装的复杂性和活化过程的高度动态性，多聚形式GPCR的活化机制仍未完全阐明。

C类GPCR必须以二聚体形式存在方能发挥功能，因而成为研究二聚体GPCR活化机制的理想模型。自2019年以来，针对全长C类GPCR，特别是代谢型谷氨酸受体（Metabotropic glutamate receptor，mGlu）的结构与功能研究取得了一系列重要进展，已解析了mGlu二聚体的非激活与激活状态。然而，以往研究表明mGlu二聚体还存在多种实验手段难以捕捉的中间状态，使其功能调控更加精细化，相关的分子机制尚未揭示。此外，目前对mGlu从正构激动剂（谷氨酸）结合位点到下游G蛋白结合位点超过120 Å的长程变构信号传递机制仍不清晰。这些问题在一定程度上限制了对这类重要受体的生理病理机制研究以及药物研发的进展。

近日，来自上海交通大学医学院张健和陆绍永课题组合作在 Nature Communications杂志上发表题为Delineating the stepwise millisecond allosteric activation mechanism of the class C GPCR dimer mGlu5的研究论文。该工作发展了探究长程变构机制的新策略，首次在原子尺度上解析了mGlu5的变构活化构象全景，系统阐明了mGlu5的逐步非对称变构活化的机制，并在此基础上进行了信号功能验证与探究，极大地促进了对mGlu二聚化信号转导和变构调控机制的深入理解，为靶向mGlu的药物设计提供了新思路。

图1 探索mGlu5的活化机制流程示意图

研究团队首先利用基于变构路径拓展的逐级、大规模采样（图1），全面探明了mGlu5活化过程中的精细构象变化，其变化从非激活态到完全激活态的9个构象空间全景（图2）。首先，他们发现聚合状态下，mGlu5两个亚基的胞外捕蝇夹结构域（VFT）逐步结合谷氨酸，转变为激活、双闭合状态，产生变构信号传递至下一个结构域——半胱氨酸富集区（CRD），并继而通过CRD的两种精细运动模式得到放大，引起胞内七次跨膜结构域（7TM）的构象重排，促进TM6-TM6的靠近，从而在同一亚基CRD的构象重排下形成非对称的二聚体激活界面（S4'和S4）。

图2 mGlu5逐步非对称变构活化模型示意图

在此基础上，研究团队联用AlphaFold和变构采样模拟，初步揭示了在全景构象空间的隐式变构位点，提示mGlu5可能采用另一种策略进行干预，即通过TM3、ICL2、ICL3和受体末端之间的协同作用，稳定较浅的口袋来协调G蛋白的结合。通过阐明C类GPCR这种完整的构象空间和变构信号流向，充分体现了GPCR信号转导机制的特异性和多样性。

本项研究由上海交通大学医学院的张健教授和陆绍永教授担任共同通讯作者。上海交通大学的李明玉和宁夏医科大学兰小兵为本文的共同第一作者，本研究还得到了上海交通大学医学院附属仁济医院心内科主任卜军教授的大力支持。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-024-51999-y

制版人：十一

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