PNAS | 鄭三多實驗室揭示甘丙肽受體識別天然配體以及G蛋白的分子機制

G蛋白偶聯受體（GPCR）家族是人類基因中最大的膜蛋白受體家族，參與調控人類各項生理功能，是非常重要的藥物靶點。在識別來自細胞外的信號后，GPCR發生構象變化，結合并且激活異源G蛋白三聚體（α，β和γ亞基） ，從而引發下游的信號傳遞。具體的信號通路取決于α亞基的種類。Gα亞基主要含有四種亞型：Gα_s, Gα_i/o, Gα_q/11和Gα_12/13。早期研究發現大部分的GPCR可以選擇性地激活一種G_α亞型，但是由于GPCR結構和功能的復雜性，很難找到其選擇性識別Gα亞型的特征性氨基酸序列，因此目前人們對很多GPCR識別Gα亞型的分子機制的了解還十分有限。

2022年5月21日，北京生命科學研究所/清華大學生物醫學交叉研究院鄭三多實驗室在Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) 雜志上發表題為“Structural insights into galanin receptor signaling”的研究論文。該研究揭示了甘丙肽受體亞家族成員（galanin receptors, GALRs）識別天然配體以及G蛋白的分子基礎，此外還發現了Zn²⁺是GALR受體的負向別構調控配體,抑制GALR的信號傳遞。

甘丙肽（Galanin）是一種神經肽，廣泛分布于神經系統中，參與調控多項生理活動，如能量代謝、疼痛、癲癇以及睡眠。它可以激活三種不同的GPCR：GALR1、GALR2以及GALR3。雖然這三個GALRs能夠識別相同的配體，但是激活不同的G蛋白亞型。GALR1和GALR3主要激活G_i/o信號通路，導致cAMP水平的下降，而GALR2激活G_q/11， 導致細胞質中IP3和鈣離子的水平升高（圖1Ａ） 。為了了解GALR識別配體和G蛋白的分子機制，研究人員通過冷凍電鏡方法解析了結合甘丙肽的GALR1?G_o和GALR2?G_q的復合物結構 （圖1Ｂ和１Ｃ） 。

圖1. 甘丙肽受體/G蛋白/甘丙肽復合物的結構。

通過對GALR家族結構的分析，研究人員觀察到了不尋常的受體-配體結合模式和信號轉導特點。首先，作為一個天然配體，甘丙肽以近乎平行于細胞膜的結合方式“躺”在GALR的頂部，不同于大多數肽類配體垂直插入受體口袋的模式，也不同于大多數小分子配體深入受體內部的特點（圖２） 。這樣的結合更接近某些受體的正向別構調節分子所采用的方式。

圖2. 甘丙肽獨特的識別機制。

研究人員通過比較GALR1-G_o和GALR2-G_q的復合物結構，觀察到GALR受體與不同G蛋白結合的界面不完全相同（圖3A和3B） 。GALR2主要通過其胞內ICL2 （Second intracellular loop） 區段結合Gα_q蛋白 (圖3C和3D) ，而GALR1通過ICL3區段結合Gα_o蛋白。GALR2的ICL2上負責結合G_q的關鍵位點在GALR1中的對應位置也產生了替換（圖3G），而 GALR1的ICL3上與Gα_o結合的關鍵位點在GALR2中發生了改變（圖3H） 。研究人員進一步證實了將GALR1的ICL2上三個關鍵氨基酸，S140^34.50、R141^34.51和S149^4.49分別突變為GALR2對應的殘基之后，GALR1獲得了偶聯G_q的能力（圖3I） ，而GALR2的ICL3被GALR1相對應的序列替換后與G_o的結合能力明顯增強 （圖3J） 。

圖3.GALR受體識別G_o以及G_q的分子基礎。

以前的研究發現Zn²⁺可以抑制甘丙肽與其受體的結合。Zn²⁺作為一種重要的神經遞質，廣泛存在于神經系統中，但是其具體的生理功能仍然不清楚。隨后研究者進一步證實Zn²⁺ 可以特異性地抑制甘丙肽對GALR1的激活而對GALR2的影響非常?。▓D4A） 。通過細致的結構分析，發現在GALR1配體結合位置的下方含有大量的組氨酸 （圖4B） ，組氨酸常常參與金屬離子的配位結合。進一步的功能實驗確定了H267^6.55位點是Zn²⁺發揮調節作用所必需的 （圖4C和4D） 。這個位點在不同物種的GALR1基因中高度保守，但在同家族的GALR2中被替換為疏水的異亮氨酸，表明Zn²⁺對GALR1特異的調節作用。

圖4. 鋅離子對GALR1激活的抑制作用。

鄭三多實驗室的博士研究生蔣文通為本文的第一作者，鄭三多博士為本文通訊作者。該研究由科技部、北京市政府和清華大學共同資助。

論文鏈接：

https://www.pnas.org/doi/abs/10.1073/pnas.2121465119