黑素皮質素受體1鈣離子介導激素識別的分子機制

8月27日，中國科學院上海藥物研究所研究員徐華強課題組聯合研究員王明偉課題組，在Cell Research上發表了題為Structural mechanism of calcium-mediated hormone recognition and Gβ interaction by the human melanocortin-1 receptor的研究論文。研究人員利用冷凍電鏡技術，首次解析了黑素皮質素受體1（MC1R）分別結合內源性配體α-黑色素細胞刺激素（α-MSH）和合成多肽配體阿法諾肽（Afamelanotide）及SHU9119與下游Gs蛋白復合物的三維結構，揭示出由鈣離子介導的配體識別的分子機制以及受體激活和G蛋白偶聯的通用機制。 　

　　黑素皮質素是由促腎上腺皮質激素（ACTH）和三種黑色素細胞刺激素（α-MSH、β-MSH和γ-MSH）組成的一類內源性多肽激素，通過作用于黑素皮質素受體（MC1R-MC5R）參與機體應激反應、能量平衡、免疫調節和色素沉著等生理活動。黑素皮質素的分泌受到胃饑餓素、瘦素和胰島素等激素的調控。鑒于黑素皮質素系統在體內的重要作用，目前已有多種黑素皮質素多肽類似物被開發作為治療皮膚病、肥胖癥、厭食和2型糖尿病等疾病的潛在藥物。然而，由于缺乏對黑素皮質素與其受體復合物結構的認識，黑素皮質素與五種黑素皮質素受體之間相互作用的具體機制尚不清楚。

　　該研究中，研究人員解析了MC1R在不同配體刺激下（α-MSH、Afamelanotide和SHU9119）分別偶聯Gs蛋白復合物的冷凍電鏡結構，分辨率分別達到3.0埃、2.7埃和3.1埃。結合結構分析與功能實驗發現，MC1R在跨膜區胞外側形成一個較大開口，以容納“U”形的多肽配體和鈣離子，黑素皮質素高度保守的HFRW基序插入到跨膜區的中央并提供了與受體的主要相互作用（圖a-d）。對HFRW基序的修飾改變了配體與受體之間相互作用的強弱，是配體差異活性的決定性因素，MC1R中的甲硫氨酸M128是將SHU9119從拮抗劑轉變為部分激動劑的關鍵氨基酸。此外，位于配體正性結合口袋中的鈣離子在該受體家族中高度保守，并介導配體與受體的結合。

　　此外，在Afamelanotide-MC1R-Gs復合物的三維重構中，研究人員分出一類沒有Nb35抗體密度的復合物構象，將該結構與結合Nb35的結構比較發現，Gs在沒有Nb35的情況下具有相對寬松的構象，αN螺旋上移，Gβ距MC1R更近并與受體的Helix 8形成相互作用（圖e）；將后者截短或者突變其與Gβ相互作用的氨基酸后大大減弱了受體偶聯G蛋白的能力，表明Helix 8與Gβ之間的相互作用在受體招募G蛋白中發揮重要作用。

　  該研究為理解黑素皮質素系統配體識別的分子機制提供了結構模型，并為靶向黑素皮質素受體的藥物設計提供了新思路。該工作的冷凍電鏡數據在上海藥物所冷凍電鏡平臺收集。研究工作得到國家自然科學基金委員會、科技部重大科技專項和上海市重大科技專項等的資助。

　　MC1R識別α-MSH、Afamelanotide和SHU9119的分子機制。（a-d）MC1R的配體正性結合口袋；（e）Afamelanotide-MC1R-Gs-Nb35-scFv16與Afamelanotide-MC1R-Gs-scFv16復合物中受體與Gs蛋白作用界面的比較。