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G蛋白偶聯受體（G protein-coupled receptor, GPCR）在細胞信號轉導中發(fā)揮重要作用，介導并調控人體的各類生命活動。這類受體與眾多疾病密切相關，是最大的藥物靶標蛋白家族，超過40%的上市藥物通過與這些受體作用發(fā)揮其療效，但目前還有大量靶向該家族的藥物處于研發(fā)階段，圍繞GPCR的藥物研發(fā)一直是國際醫(yī)藥產業(yè)的競爭高地。
雖然近年來對GPCR的結構與藥理學研究不斷有突破性成果產生，但至今仍有100余種GPCR的配體和信號轉導通路不明，這些孤兒受體相關的研究極為匱乏，極大地制約了對于GPCR生理功能與信號轉導機制的全面認識。值得一提的是，孤兒受體作為藥物開發(fā)的“處女地”，是潛在的藥物靶標“源泉”，為創(chuàng)新藥物研發(fā)帶來機遇。
近日，中國科學院上海藥物研究所吳蓓麗研究組、趙強研究組聯合上海科技大學水雯箐研究組，在孤兒受體信號轉導機制研究方面取得突破性進展。該研究團隊成功解析兩種黏附類GPCR（adhesion GPCR）ADGRD1和ADGRF1分別與G蛋白結合的復合物三維結構，并開展了深入的功能相關性研究，首次闡明這類孤兒受體自發(fā)激活的分子機制，為研究該類受體的信號轉導機理和未來的藥物設計提供了重要依據。相關研究論文于北京時間2022年4月13日在國際頂級學術期刊Nature上在線發(fā)表。
黏附類GPCR包含33種受體，參與調控免疫反應、器官發(fā)育和細胞通訊等生理過程，與精神分裂癥、多動癥和癌癥等多種疾病密切相關。然而，該類受體是目前研究最不透徹的GPCR家族，幾乎所有成員都是配體未知和功能不明的孤兒受體，其結構和功能研究的匱乏嚴重制約了相關的藥物研發(fā)進程。ADGRD1和ADGRF1作為兩種黏附類受體，被發(fā)現是多種癌癥的致癌基因，但其在分子水平上如何被激活和調控，相關的作用機制仍不清楚。 此次，上海藥物所的聯合研究團隊通過測定ADGRD1和ADGRF1分別與G蛋白結合的復合物結構，發(fā)現受體自身的一部分可作為內源性激動劑，使受體激活。這個充當激動劑的部分是位于受體胞外結構域和跨膜結構域之間的一段多肽（包含約20個氨基酸），被稱為“stalk”。該區(qū)段通過與受體跨膜結構域作用，導致跨膜螺旋發(fā)生構象變化，從而激活受體，使其與G蛋白結合。這種受體自發(fā)激活方式從未在其它類型GPCR中被發(fā)現，充分體現了黏附類受體信號轉導機制的獨特性。 ADGRD1和ADGRF1分別與G蛋白結合的復合物三維結構動圖 不同于其它GPCR，黏附類受體的N端含有一個巨大的胞外結構域，不同類型黏附類受體的胞外結構域組成差異巨大。盡管如此，幾乎所有黏附類受體的胞外結構域中都包含一個自剪切結構域（GPCR autoproteolysis-inducing, GAIN），該結構域中含有一個自剪切位點，使受體斷裂成N端和C端兩個部分，自剪切位點和跨膜結構域之間的區(qū)段即為stalk。以往研究發(fā)現，雖然受體發(fā)生斷裂，stalk仍然與GAIN結構域的其它部分緊密結合。而ADGRD1和ADGRF1與G蛋白的復合物結構顯示，stalk從GAIN結構域中脫離，發(fā)生顯著的構象變化，促使其伸入到受體跨膜結構域的結合口袋中，這說明stalk的構象重排對于受體激活至關重要。 以往人們普遍認為黏附類受體發(fā)生自剪切有利于GAIN結構域釋放stalk，從而促進受體自激活。然而，此次研究人員將ADGRD1和ADGRF1的自剪切位點突變，使其喪失自剪切能力，受體激活下游信號通路的能力卻沒有發(fā)生顯著變化。更加出乎意料的是，研究人員進一步解析了ADGRF1自剪切突變體與G蛋白的復合物結構，發(fā)現stalk仍能通過同樣的方式與跨膜結構域作用激活受體。這些研究結果表明，自剪切對于stalk釋放和受體自激活不是必需的。 黏附類受體結構示意圖。黏附類受體在細胞黏附和信號轉導中發(fā)揮重要作用，是癌癥和神經系統(tǒng)疾病等的潛在藥物作用靶點。圖中處于不同功能狀態(tài)的ADGRF1結構或模型用橙色飄帶圖表示，受體中的stalk區(qū)域用紅色表示，脂分子LPC用綠色表示，GAIN結構域為磚紅色，G蛋白的三個亞基分別為黃色，淺粉色和淺灰色。（圖片由吳蓓麗研究組提供） ADGRD1和ADGRF1的氨基酸序列相似性很低，但這兩種受體的結構顯示stalk與跨膜結構域之間形成的相互作用力非常相似，提示不同類型黏附類受體可能通過類似的方式自發(fā)激活下游信號通路。進一步分析發(fā)現，不同跨膜螺旋中的氨基酸憑借彼此間的相互作用形成一系列作用力核心，這些作用力核心像傳遞“接力棒”一樣，將stalk在受體細胞外側區(qū)域引發(fā)的構象變化向細胞內側方向傳送，最終完全激活受體。對受體的功能研究顯示，將構成這些作用力核心的氨基酸突變后，受體自激活的能力顯著下降，表明這些作用力對于受體激活至關重要。 這些結構和功能信息為藥物設計提供了精準的模板，將有助于靶向這兩種黏附類受體的癌癥治療藥物開發(fā)。 該研究的另外一項重要發(fā)現是一種天然脂分子通過與ADGRF1特異性結合對受體功能進行調控。聯合研究團隊在ADGRF1與G蛋白的復合物結構中發(fā)現一個脂分子與受體中G蛋白結合口袋附近的一個位點結合，而在另一個受體ADGRD1的結構中則沒有發(fā)現脂分子。研究人員進一步利用質譜與組學技術鑒定該脂分子的結構為溶血磷脂膽堿（lysophosphatidylcholine，LPC）。進一步的功能研究表明，LPC可能通過穩(wěn)定受體胞內側區(qū)域的構象促進受體激活。這是首次發(fā)現細胞膜的脂質成分LPC與GPCR結合并對受體功能發(fā)揮調控作用，極大地拓展了對于GPCR功能調控機制的認識。 圖為本研究部分第一作者。左起邱娜、瞿向利、王沐。 中國科學院上海藥物研究所吳蓓麗研究員、趙強研究員和上海科技大學水雯箐教授是研究論文的共同通訊作者，第一作者是上海藥物所博士生瞿向利、碩士生邱娜和上海科技大學博士生王沐、助理研究員張冰潔。研究工作獲得國家自然科學基金委員會、國家科技部、中國科學院和上海市科學技術委員會等部門的經費支持。 全文鏈接 https://www.nature.com/articles/s41586-022-04580-w ★ 專家點評 ★ 劉志杰 （上海科技大學iHuman研究所執(zhí)行所長、教授） 黏附類GPCR（adhesion GPCR，aGPCR）是一類在正常生理狀態(tài)和疾病發(fā)生發(fā)展中都具有重要功能的受體，與多種人體疾病有關，包括神經管缺陷、脊柱裂、腦畸形和癌癥等等。其復雜的生理功能和巨大的藥物研發(fā)潛力使人們越來越關注這類受體，但是這些受體的研究極具挑戰(zhàn)性，這是因為aGPCR具有非常復雜的分子結構和獨特的信號轉導機制，這些極大地制約了這類受體的功能研究和藥物研發(fā)。目前，人們對于aGPCR在功能調控機制、相互作用網絡和藥理基礎等方面的認識遠遠落后于其它 GPCR 家族，大部分aGPCR仍然是孤兒受體。 此次，上海藥物所和上海科技大學的聯合研究團隊通過測定ADGRD1和ADGRF1與G蛋白的復合物結構，發(fā)現兩種aGPCR分子中跨膜結構域前的一段多肽stalk可作為內源性激動劑激活受體，首次在原子水平上揭示了該類受體的自發(fā)激活機制。Stalk區(qū)段通過與受體跨膜結構域作用，導致跨膜螺旋發(fā)生構象變化，再通過一系列獨特的跨膜螺旋間的作用力核心將構象變化傳遞至細胞內側，從而激活受體。這是一種從未在其它類型GPCR中發(fā)現的自激活模式，其分子機理的揭示為這類受體的功能研究和藥物研發(fā)提供了重要基礎。此外，該研究還發(fā)現并鑒定了細胞膜的天然脂質成分溶血磷脂膽堿（lysophosphatidylcholine，LPC）通過與ADGRF1特異性結合對受體功能進行調控，為靶向該受體的藥物設計指明了新方向。這項研究極大地拓展了我們對aGPCR信號轉導和功能調控機制的認知，對于后續(xù)的功能研究和藥物研發(fā)將產生重要影響。 徐彥輝 （復旦大學教授） 黏附類GPCR參與調控機體的多種生理活動，與癌癥和精神分裂癥等疾病密切相關。該類受體具有巨大的胞外結構域，在細胞黏附與信號轉導過程中發(fā)揮著雙重作用。由于黏附類受體的分子結構和功能調控機制非常復雜，且大部分成員為配體未知的孤兒受體，相關的結構與功能研究具有極大挑戰(zhàn)性。以往研究表明，與其它類型GPCR不同，大多數黏附類受體會發(fā)生自剪切，斷裂成N端和C端兩個片段，位于C端片段頭部的一段多肽stalk可充當激動劑，使受體激活并引發(fā)下游信號，但相關的分子機制一直不清楚，極大地限制了對于這類受體信號轉導機制的深入理解。 在此次研究中，上海藥物所的研究團隊克服了一系列困難，成功解析了兩種黏附類受體ADGRD1和ADGRF1分別與多種G蛋白的復合物電鏡結構，并利用多種細胞信號轉導實驗開展受體功能研究。首次闡明stalk通過與跨膜結構域作用自發(fā)激活受體的分子機制，并對受體自剪切在自激活過程中發(fā)揮的作用進行探索，在此基礎上提出了自剪切型與非自剪切型黏附類GPCR的自激活模型。該研究還發(fā)現黏附類受體的信號轉導模式具有多樣性，不同類型受體通過不同的構象變化和不同的分子內作用力傳遞信號。此外，結構和功能研究證實ADGRF1受體的激活還受到天然脂分子溶血磷脂膽堿（LPC）的特異性調控。這些研究結果充分體現黏附類GPCR信號轉導和調控機制的獨特性、復雜性和多樣性，有效地促進了對于這類孤兒受體發(fā)揮功能的分子機制的理解，為研究大量結構、功能未知的孤兒受體提供了新思路，并為挖掘其藥物研發(fā)潛力提供新的線索。上述突破性成果源于吳蓓麗和趙強聯合團隊在GPCR研究領域十余年來的深厚積累和對領域核心問題持之以恒的探索。
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