Nature | 中山药创院合作破解GPCRs的激酶招募及偏向性信号转导机制
发布时间：2023-08-03
G蛋白偶联受体（G Protein-Coupled Receptors, GPCRs）是一类广泛存在于人体细胞膜上的膜受体，参与调控人体几乎所有的生命活动过程。FDA批准上市的临床药物中，约三分之一的药物作用于GPCRs发挥治疗作用，GPCRs被认为是新药研发领域中最重要，也是最有应用前景的药物靶点之一。
GPCRs在被配体激活后，主要通过下游的G蛋白或arrestin通路行使特定的生理功能。然而，GPCRs在招募arrestin蛋白之前，必须被GPCR激酶（GPCR Kinases，GRKs）识别和调控。GRKs能够磷酸化GPCRs，促进其招募arrestin蛋白，抑制其招募G蛋白，GRKs被认为是调控GPCR两条信号通路转换的关键分子。因此，在整个GPCR信号转导领域存在三个最为关键的科学问题，分别是GPCRs如何识别和招募下游G蛋白；GPCRs如何识别和招募下游arrestin蛋白；GPCRs如何被GRKs识别和调控。几十年来，有关GPCR的G蛋白和arrestin信号通路的基本问题已得到解决。然而，由于GPCRs与GRKs的结合短暂且高度动态，想要获得稳定的GPCR-GRK复合物非常困难，这使得有关GPCRs与GRKs的结构与功能研究进展缓慢。
同时，越来越多的研究发现，GPCR的两条信号通路，G蛋白和arrestin通路，与靶向GPCRs的药物分子的疗效和副作用密切相关，选择性激活（即偏向性激动剂）GPCR其中一条通路的药物分子往往具有更好的疗效和更低的副作用。因此，开发偏向性药物分子是靶向GPCR药物研发的重要趋势。GRKs是调控GPCR两条信号通路转换的关键分子，研究GRKs识别和调控GPCRs的分子机制，揭示偏向性激动剂介导GPCRs的偏向性信号转导机制，对于靶向GPCRs的偏向性药物发现具有十分重要的科学意义。
2023年8月2日，中科中山药物创新研究院段佳研究员及中国科学院上海药物研究所徐华强研究员、杨德华研究员共同在Nature杂志上发表了最新研究成果“GPCRactivation and GRK2 assembly by a biased intracellular agonist”。该项研究通过进一步发展NanoBiT交联技术及化学交联等方法，成功获得了稳定的GPCR与GRK2的复合物蛋白并进行结构解析，在国际上报道了第一个高分辨率GPCR——神经降压素受体（neurotensin receptor 1，NTSR1）与GRK2的复合物结构。
结合细胞水平的突变实验，该研究首次阐明了GRK2识别和调控NTSR1的详细分子机制，考虑到GPCRs结构的相似性和保守性，该机制同样可拓展于其他GPCRs。此外，通过结构解析，该研究也首次揭示了偏向性激动剂SBI-553作用于NTSR1的受体口袋，并发现了SBI-553通过直接占据G蛋白的结合位置从而实现了arrestin偏向性激动的分子基础。以上发现，深化了人们对GPCRs偏向性信号转导的理解与认识，为今后开发靶向GPCRs的偏向性药物分子提供了夯实的结构基础。
中山药创院段佳研究员，上海药物所刘恒博士、赵丰辉博士为本论文共同第一作者。上海药物所徐华强研究员、中山药创院段佳研究员及上海药物所杨德华研究员为本论文共同通讯作者。上海市高峰电镜中心执行主任袁青宁对数据的收集及处理提供了大量的帮助。该工作得到国家重点研发计划、上海市市级科技重大专项、中科院战略性先导科技专项、国家自然科学基金委等项目的资助。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06395-9
供稿部门：段佳课题组
图1 GPCRs信号转导领域最关键的三个科学问题
图2 NTSR1-GRK2结构特征。
a，NTSR1-GRK2复合物电子密度图和模型图，GRK2-αN是受体与GRK相互作用的主要界面，从图中可以看出GRK2-αN的密度非常清晰，SBI-553的密度也非常清晰；
b，NTSR1与GRK2相互作用界面的详细分子基础；
c-d，细胞水平的点突变实验验证NTSR1与GRK2相互作用的关键氨基酸残基；
e，SBI-553在受体中的结合口袋；
f，NTSR1-Gq复合物、NTSR1-arrestin复合物及NTSR1-GRK2复合物结构比较，结果显示，SBI-553与arrestn和GRK2的结合位置不存在冲突，但与Gαq结合的位置存在明显的空间位阻，从而拮抗受体招募Gq蛋白，实现arrestin的偏向性激活。
