上海藥物所發現B類GPCR與Arrestin全新作用模式

　　G蛋白偶聯受體（G protein-coupled receptor，GPCR）在細胞信號轉導過程中發揮關鍵作用，是最大的藥物靶標蛋白質家族。GPCR被細胞外的信號分子激活后，與細胞內的效應蛋白（G蛋白、阻遏蛋白等）結合，激活多種下游信號通路，從而介導并調控人體各種生命活動。G蛋白（G protein）和阻遏蛋白（arrestin）在GPCR的信號轉導和功能調控中發揮不同的作用。其中，arrestin介導受體的脫敏和內化。近年來，隨著結構和功能研究的深入，GPCR與G蛋白的作用機制逐漸明朗，但由于研究難度大，arrestin的相關研究進展緩慢，僅有數個A類GPCR與arrestin的復合物結構被解析，制約了對于arrestin作用模式及相關生理、病理機制的深入理解。

　　以往研究發現，GPCR可能通過兩種方式與arrestin結合：一種為受體的跨膜結構域的核心區域以及受體的C端共同與arrestin結合，被稱為“core”構象；另外一種則由受體的C端區域單獨與arrestin作用，被稱為“tail”構象。這兩種構象被認為參與介導受體信號轉導和分子運輸的不同過程，對受體的功能發揮不同調控作用。然而，之前發表的所有GPCR與arrestin的復合物結構均為“core”構象，“tail”構象的具體作用機制不明。

　　近日，中國科學院上海藥物研究所吳蓓麗課題組與趙強課題組，在GPCR的信號轉導機制研究中取得突破性進展，在國際上首次揭示了arrestin的全新“tail”結合模式，并首次闡明了B類GPCR與arrestin的精細作用機制，在原子水平揭示了受體內化及囊泡內信號轉導的分子基礎，促進了對于B類受體信號轉導機制的深入理解。8月9日，相關研究成果以Tail engagement of arrestin at the glucagon receptor為題，在線發表在

　　《自然》（Nature）上。

　　B類GPCR參與調控多種重要的生理過程，其功能紊亂與糖尿病、肥胖、骨質疏松、偏頭痛等多種疾病的發生發展密切相關。該類受體可激活多種G蛋白和arrestin，從而介導不同生理過程。近年來，針對B類受體的偏向性藥物開發備受關注。這類藥物靶向特定信號通路，例如只激活G蛋白信號通路或只促進受體招募arrestin，因而具有較好的療效、較低的副作用。然而，目前B類GPCR與arrestin的結合模式以及配體的偏向性調控機制尚不清楚，對偏向性藥物設計及其藥理機制的探明造成了困難。

　　吳蓓麗課題組與趙強課題組長期致力于B類GPCR信號轉導機制研究，解析了胰高血糖素受體（glucagon receptor，GCGR）處于多種功能狀態的三維結構，并開展了深入的功能研究，為全面認識B類受體的配體識別、功能調控和信號轉導機制提供了重要信息，并在《自然》和《科學》上發表了多篇研究論文。在此基礎上，該聯合研究團隊進一步解析了GCGR與阻遏蛋白β-arrestin 1（βarr1）及內源性激動劑胰高血糖素（glucagon）的復合物冷凍電鏡結構。

　　該結構顯示，βarr1主要與位于受體C端區域的第八個螺旋（helix Ⅷ）形成緊密的相互作用，而與受體跨膜結構域的核心區完全沒有接觸，這是首次解析具有“tail”構象的GPCR-arrestin復合物結構。除了主要結合位點以外，GCGR-βarr1結構還體現出多個顯著區別于以往GPCR-arrestin結構的特點，βarr1中C端結構域的C-edge環區（loop）與受體跨膜螺旋近距離接觸，并插入細胞膜的脂分子雙層中，對于穩定復合物的“tail”構象具有重要作用。此外，一個磷酸肌醇類似物分子通過與受體的helix VIII和βarr1共同作用，充當“支架”從而進一步加強GCGR與βarr1的結合，這提示磷酸肌醇可能在arrestin介導的GPCR信號轉導中發揮作用。

　　該研究的另一重要成果是，與βarr1結合的GCGR處于非激活狀態，而在以往發表的所有GPCR-arrestin結構中受體均處于激活狀態。在GCGR-βarr1結構中，內源性激動劑glucagon與受體結合，但與科研人員之前解析的處于完全激活狀態的GCGR-G蛋白復合物結構相比，它的結合位點較淺、結合穩定性較差。這些差異是arrestin的不同結合模式所致，在以往的結構中arrestin伸入受體跨膜結構域的核心區域，將受體穩定在激活狀態；而βarr1僅與GCGR的C端區域作用，因此不需要受體維持其激活狀態。

　　研究還解析了無配體結合的GCGR-βarr1復合物結構，與結合glucagon的結構相比，受體與βarr1的結合模式完全一致，且受體同樣處于非激活態。這進一步說明βarr1以“tail”構象與GCGR結合時，不需要受體處于激活狀態。而功能實驗結果顯示，GCGR招募arrestin需要激動劑激活受體，可能是受體磷酸化所必需的，這提示βarr1可能通過其他構象與GCGR結合。上述研究體現了arrestin介導GPCR信號轉導機制的復雜性。

　　為了進一步探索“tail”構象在arrestin介導GCGR功能調控中的作用，研究利用生物發光共振能量轉移等研究手段，針對GCGR胞內側區域的數十個氨基酸突變，探討它們對受體上膜、內化和囊泡內信號轉導等過程的影響。實驗結果表明，位于GCGR的helix Ⅷ的氨基酸突變對于這些生理過程均產生較大影響，而受體跨膜結構域核心區的氨基酸突變則影響不大。這些數據明確了arrestin的“tail”構象在受體信號轉導和分子運輸中的重要作用，對于探索GPCR的信號轉導和功能調控機制意義重大。未來，可通過設計特異性識別不同構象狀態的偏向性藥物，實現對不同效應蛋白及信號通路的選擇性調控，從而有效降低藥物副作用、推動藥物研發。

　　研究工作得到國家自然科學基金委員會、科學技術部、中國科學院和上海市科學技術委員會等的支持。