G蛋白偶聯(lián)受體（GPCRs）在細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中起重要作用，也是許多疾病的重要治療靶點(diǎn)。GPCRs與細(xì)胞外激動(dòng)劑結(jié)合后，通過招募不同的G蛋白（Gs、Gi、Gq等）介導(dǎo)多種生理功能，從而刺激多種信號(hào)傳導(dǎo)途徑。GPCR與特異性G蛋白的選擇性偶聯(lián)對(duì)受體的生物學(xué)作用至關(guān)重要。
到目前為止，決定單個(gè)GPCR如何識(shí)別不同G蛋白亞型的分子細(xì)節(jié)仍不清楚，從而限制了對(duì)GPCR信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制的理解。
3月20日發(fā)表在《Science》雜志上的一篇文章，來自中國科學(xué)院上海藥物研究所吳蓓麗和趙強(qiáng)領(lǐng)導(dǎo)的小組，中國科學(xué)院生物物理研究所孫飛領(lǐng)導(dǎo)的小組，莫納什大學(xué)Denise Wootten領(lǐng)導(dǎo)的小組，用低溫電子顯微鏡（cryo-EM）測(cè)定了人胰高血糖素受體（GCGR）與其同源激動(dòng)劑胰高血糖素（glucagon）及其不同類別G蛋白（Gs或Gi）復(fù)合物的兩種結(jié)構(gòu)。
這些結(jié)構(gòu)*提供了GPCR與不同G蛋白亞型相互作用的詳細(xì)分子圖，意外地揭示了許多控制G蛋白特異性的分子特征，從而大大加深了對(duì)GPCR信號(hào)機(jī)制的理解。
GCGR是B型GPCR家族的一員，通過觸發(fā)肝臟中葡萄糖的釋放對(duì)葡萄糖穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要，使其成為2型糖尿病和肥胖癥的潛在藥物靶點(diǎn)。
盡管GCGR通過Gs信號(hào)傳導(dǎo)發(fā)揮其典型的生理作用，但它也可以與其他G蛋白如Gi和Gq結(jié)合。2017年和2018年，中國科學(xué)院上海藥物研究所的科學(xué)家確定了全長GCGR與負(fù)變構(gòu)調(diào)節(jié)劑或部分肽激動(dòng)劑結(jié)合的晶體結(jié)構(gòu)，為B類GPCRs的信號(hào)識(shí)別和調(diào)制提供了見解。
這一次，科學(xué)家們通過解決GCGR與兩種具有相反生物活性的轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白結(jié)合的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，取得了進(jìn)一步的進(jìn)展。本研究為多效GPCR-G蛋白偶聯(lián)和G蛋白特異性的研究提供了有價(jià)值的見解。值得注意的是，它揭示了GCGR的第六跨膜螺旋（helix VI）在兩個(gè)G蛋白結(jié)合的GCGR結(jié)構(gòu)中采用類似的向外移動(dòng)，形成一個(gè)共同的結(jié)合腔來容納Gs和Gi。這與基于先前確定的GPCR-G蛋白復(fù)合物結(jié)構(gòu)的假設(shè)相反，該假設(shè)認(rèn)為helix VI的位置差異是Gs和Gi耦合特異性的主要判別因子。
在GCGR-G蛋白復(fù)合物結(jié)構(gòu)中觀察到的共同G蛋白結(jié)合囊與GCGR的信號(hào)多聚性相一致，并允許激活各種途徑的zui大效率。盡管GCGR通過共同的囊袋與兩種G蛋白偶聯(lián)，但其作用模式不同，這就解釋了G蛋白的特異性。GCGR與Gs之間的相互作用界面比Gi大得多，因而Gs與受體的結(jié)合親和力較高。這為GCGR與Gs的優(yōu)先耦合提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。
基于GCGR-Gs和GCGR-Gi復(fù)合物的結(jié)構(gòu)，科學(xué)家們利用誘變、G蛋白活化和細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等技術(shù)進(jìn)行了廣泛的功能研究，探討了受體-G蛋白結(jié)合界面關(guān)鍵殘基在Gs和Gi活化中的作用。
結(jié)果表明，受體胞內(nèi)環(huán)和殘基側(cè)鏈的構(gòu)象差異足以指導(dǎo)G蛋白的選擇性。受體的第二個(gè)胞內(nèi)環(huán)（ICL2）和helix VII/VIII連接的相互作用在Gs偶聯(lián)中起著關(guān)鍵作用，而另外兩個(gè)胞內(nèi)環(huán)（ICL1和ICL3）和受體疏水性胞內(nèi)結(jié)合腔對(duì)Gi識(shí)別geng為重要。
這些發(fā)現(xiàn)擴(kuò)展了對(duì)GPCR激活、多效性偶聯(lián)和G蛋白特異性的認(rèn)識(shí)，為藥物的發(fā)現(xiàn)提供了新的機(jī)會(huì)，通過設(shè)計(jì)有偏見的配體來選擇性地阻斷一個(gè)特定的信號(hào)通路，從而減少副作用。
