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胰高血糖素受体构造提醒G蛋白选择调控机制

2020-03-20 上海药物研究所
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  近日,中国迷信院上海药物研究所吴蓓丽研究组、赵强研究组与中国迷信院生物物理研究所孙飞研究组和澳大年夜利亚莫纳什大年夜学Denise Wootten研究组协作,在G蛋白偶联受体(G protein-coupled receptor,GPCR)构造与功能研究范畴取得又一冲破性停顿:解析了人源胰高血糖素受体(Glucagon receptor,GCGR)分别与激活型G蛋白(Gs)和克制型G蛋白(Gi)结合的复合物三维构造,这是初次测定一种GPCR与不合类型G蛋白结合的复合物构造,说清楚明了受体与不合G蛋白的精细结合形式,并提醒了GPCR对G蛋白的选择性机制,为深刻熟悉GPCR的细胞旌旗灯号转导机理供给了重要根据。相干研究论文于北京时间3月20日以长文(Research Article)情势发表在国际学术期刊《迷信》(Science)上。

  GPCR在细胞旌旗灯号转导中发挥重要感化,与人类疾病密切相干,是最大年夜的药物靶标蛋白家族,今朝40%以上的上市药物以GPCR为靶点。GPCR发挥的心思功能在很大年夜程度上由其所激活的细胞内效应蛋白(G蛋白等)决定。根据其介导的下游旌旗灯号通路,G蛋白可分为Gs、Gi、Go和Gq等类型,个中,Gs和Gi被GPCR活化后,分别激活和克制腺苷酸环化酶,产生相反的生物学效应。研究注解,不合GPCR可选择性激活一种或多种G蛋白,但一种GPCR若何辨认不合类型的G蛋白一向未被清楚解释,制约了关于G蛋白选择调控机制的深刻懂得。

  比来,上海药物所研究员吴蓓丽和赵强结合研究团队及国表里协作者,经过过程多学科慎密协作,应用单颗粒冷冻电镜技巧,成功测定了胰高血糖素受体GCGR与其天然配体胰高血糖素和Gs或Gi结合的两个复合物构造。GCGR属于B类GPCR家族,关于保持人体血糖稳态发挥关键感化,是治疗2型糖尿病药物的重要靶点。GCGR重要经过过程激活Gs蛋白行使其功能,但愈来愈多的研究注解,该受体也可与Gi和Gq等其他类型的G蛋白感化,产生不合的生物学效应,表现了GPCR旌旗灯号转导过程的复杂性和多样性。

  2017年以来,上海药物所研究团队协作陆续解析了GCGR全长蛋白分别与小分子克制剂和多肽冲动剂结合的复合物晶体构造,极大年夜地促进了对B类GPCR旌旗灯号辨认和调控机制的熟悉。此次,该科研团队乘势而为,进一步测定了GCGR与不合效应蛋白复合物的三维构造,关于周全阐释该受体蛋白的旌旗灯号转导机制具有重要意义。

  基于以往的GPCR构造研究,人们广泛认为GPCR经过过程调理第六跨膜螺旋(TM6)向外迁徙的幅度改变其G蛋白结合口袋的大年夜小,完成与不合类型G蛋白的结合。与这一传统认知不合,GCGR-Gs和GCGR-Gi复合物构造显示,GCGR以一个类似的G蛋白结合口袋与这两种功能相反的G蛋白结合。与曾经解析的A类GPCR与G蛋白的复合物构造比拟,GCGR的G蛋白结合口袋开口更大年夜,不只可以满足体积较大年夜的Gs蛋白的结合,并且可以或许包容体积较小的Gi蛋白,这类应用类似结合口袋辨认不合G蛋白的分子机制可大年夜大年夜进步GPCR激活多条下游旌旗灯号通路的效力。这一发明极大年夜地深化了人们对GPCR旌旗灯号转导机制的熟悉。

  固然与Gs和Gi结应时,GCGR构成的G蛋白结合口袋大年夜小类似,但其与两种G蛋白的相互感化形式差别巨大年夜。GCGR与Gs相互感化界面的面积是其与Gi感化界面的两倍,使得该受体与Gs的亲协力高于Gi,这为GCGR重要经过过程Gs停止旌旗灯号转导供给了构造基本。另外,研究发明,在这两个复合物构造中,受体分子胞内侧环区(Intracellular loop,ICL)存在较大年夜的构象差别,三个胞内环(ICL1-3)在与不合G蛋白结应时发挥着不合的感化。个中,第二胞内环(ICL2)的构象差别最为明显,该区域与Gs慎密结合;而受体与Gi结应时,ICL2向受体一侧偏移,仅与Gi构成微弱的相互感化。

  该协作攻关团队综合应用氨基酸突变、G蛋白激活和细胞旌旗灯号转导等研究手段,针对GCGR与G蛋白感化界面上的数十个关键氨基酸停止检测,研究它们对Gs和Gi活化的影响。实验成果注解,GCGR的ICL2和第七跨膜螺旋与第八螺旋之间的连接区域关于辨认Gs蛋鹤发挥关键感化,而受体的别的两个胞内环(ICL1和ICL3)和G蛋白结合口袋内的疏水氨基酸则关于结合Gi蛋白相当重要。这是初次在一种GPCR分子中明白不合类型G蛋白的辨认关键区域,关于深刻研究G蛋白的选择性调控机制意义严重年夜。另外,这些发明为偏向性配体药物的设计供给了重要根据:经过过程选择性克制个中一种效应蛋白的活化,有效降低药物副感化,将推动抗2型糖尿病药物的研发。

  该研究论文的第一作者是上海药物所博士乔安娜和韩硕、生物物理所研究生李新美、复旦大年夜学药学院研究生李志鑫和澳大年夜利亚莫纳什大年夜学博士赵佩珅;该项目标重要协作者还包含莫纳什大年夜学传授Patrick M. Sexton、上海药物所研究员王明伟、杨德华和丹麦诺和诺德公司博士Steffen Reedtz-Runge等。该研究取得科技部、国度天然迷信基金委员会、中科院、上海市迷信与技巧生长基金和澳大年夜利亚国度安康与医学研究委员会等的赞助。

  论文链接

  胰高血糖素受体GCGR的三维构造表示图。GCGR参与调理人体内血糖稳态,是治疗2型糖尿病药物的重要靶点。图中左上角GCGR的三维构造以蓝色飘带图显示,GCGR的天然配体胰高血糖素以白色飘带显示;图下方为与GCGR结合的两种G蛋白,以外面图显示,个中,Gs蛋白的三个亚基分别用橙色、灰色和蓝色显示,Gi蛋白的三个亚基分别用白色、灰色和蓝色显示。(图片由中科院上海药物所吴蓓丽研究组供给)

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