科学家揭示G 蛋白选择调控机制

中国科学院上海药物研究所吴蓓丽、赵强研究团队与中国科学院生物物理研究所孙飞、澳大利亚莫纳什大学Denise Wootten 研究团队合作，在G 蛋白偶联受体（GPCR）结构与功能研究领域取得突破性进展：解析了人源胰高血糖素受体（GCGR）分别与激活型G 蛋白（Gs）和抑制型G 蛋白（Gi）结合的复合物三维结构。这是首次测定一种GPCR 与不同类型G 蛋白结合的复合物结构，阐明了受体与不同G 蛋白的精细结合模式，并揭示了GPCR 对G 蛋白的选择性机制，为深入认识GPCR 的细胞信号转导机理提供了重要的依据。

GPCR 在细胞信号转导中发挥重要作用，与人类疾病密切相关，是最大的药物靶标蛋白家族，目前40%以上的上市药物以GPCR 为靶点。GPCR 发挥的生理功能在很大程度上由其所激活的细胞内效应蛋白（G 蛋白等）决定。根据其介导的下游信号通路，G 蛋白可分为Gs、Gi、Go 和Gq 等类型，其中，Gs 和Gi 被GPCR活化后，分别激活和抑制腺苷酸环化酶，产生相反的生物学效应。研究表明，不同GPCR 可选择性激活一种或多种G 蛋白，但一种GPCR 如何识别不同类型的G 蛋白一直未被清晰阐明，制约了对于G 蛋白选择调控机制的深入理解。

吴蓓丽和赵强联合研究团队与国内外合作者一起，通过多学科的紧密合作与艰苦攻关，利用单颗粒冷冻电镜技术，成功测定了胰高血糖素受体GCGR 与其天然配体胰高血糖素以及Gs 或Gi 结合的两个复合物结构。GCGR 属于B 类GPCR 家族，对于维持人体血糖稳态发挥关键作用，是治疗2型糖尿病药物的重要靶点。GCGR 主要通过激活Gs 蛋白行使其功能，但越来越多的研究表明，该受体也可与Gi 和Gq 等其他类型的G 蛋白作用，产生不同的生物学效应，体现了GPCR 信号转导过程的复杂性和多样性。

2017 年以来，上海药物研究所合作研究团队陆续解析了GCGR 全长蛋白分别与小分子抑制剂和多肽激动剂结合的复合物晶体结构，极大地促进了对B类GPCR信号识别和调控机制的认识。此次，该科研团队乘势而为，进一步测定了GCGR 与不同效应蛋白复合物的三维结构，对于全面阐释该受体蛋白的信号转导机制具有重要的意义。

基于以往的GPCR 结构研究，人们普遍认为GPCR 通过调节第六跨膜螺旋（TM6）向外迁移的幅度改变其G 蛋白结合口袋的大小，实现与不同类型G 蛋白的结合。与这一传统认知不同，GCGR-Gs 和GCGR-Gi 复合物结构显示，GCGR 以一个相似的G 蛋白结合口袋与这两种功能相反的G 蛋白结合。与已经解析的A 类GPCR 与G 蛋白的复合物结构相比，GCGR 的G 蛋白结合口袋开口更大，不仅可以满足体积较大的Gs 蛋白的结合，而且能够容纳体积较小的Gi 蛋白，这种利用相似结合口袋识别不同G 蛋白的分子机制可大大提高GPCR 激活多条下游信号通路的效率。这一发现极大地深化了人们对GPCR 信号转导机制的认识。

虽然与Gs 和Gi 结合时，GCGR 形成的G 蛋白结合口袋大小相似，但其与两种G 蛋白的相互作用模式差异巨大。GCGR 与Gs相互作用界面的面积是其与Gi 作用界面的两倍，使得该受体与Gs 的亲合力高于Gi，这为GCGR 主要通过Gs 进行信号转导提供了结构基础。此外，研究发现，在这两个复合物结构中，受体分子胞内侧环区（ICL）存在较大的构象差异，三个胞内环（ICL1-3）在与不同G 蛋白结合时发挥着不同的作用。其中，第二胞内环（ICL2）的构象差异最为显著，该区域与Gs 紧密结合；而受体与Gi 结合时，ICL2 向受体一侧偏移，仅与Gi 形成微弱的相互作用。

该合作攻关团队综合利用氨基酸突变、G 蛋白激活和细胞信号转导等研究手段，针对GCGR 与G 蛋白作用界面上的数十个关键氨基酸进行检测，研究它们对Gs 和Gi 活化的影响。实验结果表明，GCGR 的ICL2 和第七跨膜螺旋与第八螺旋之间的连接区域对于识别Gs 蛋白发挥关键作用，而受体的另外两个胞内环（ICL1和ICL3）和G 蛋白结合口袋内的疏水氨基酸则对于结合Gi 蛋白至关重要。

研究人员表示，这是首次在一种GPCR 分子中明确不同类型G 蛋白的识别关键区域，对于深入研究G 蛋白的选择性调控机制意义重大。此外，这些发现为偏向性配体药物的设计提供了重要依据：通过选择性抑制其中一种效应蛋白的活化，有效降低药物副作用，将推动抗2 型糖尿病药物的研发。