Nat Chem Biol | 中国科学技术大学陶余勇等合作开发不同状态下GPCRs结构测定的方法

G 蛋白偶联受体(GPCRs)是一类能够检测环境信号并触发细胞反应的整合膜蛋白。破译不同配体诱导的GPCRs的功能状态一直是该领域的主要目标之一。

2023年8月14日，中国科学技术大学陶余勇及香港中文大学胡红丽共同通讯在Nature Chemical Biology 在线发表题为“A method for structure determination of GPCRs in various states”的研究论文，该研究开发了一种有效的通用方法，无需制备GPCR信号蛋白复合物，即可进行GPCR冷冻电镜结构测定。

利用这种方法，该研究成功地解决了β2-肾上腺素能受体(β2AR)与拮抗和激动配体结合的结构，以及载脂蛋白状态下的粘附GPCR ADGRL3的结构。对于β2AR，捕获了由部分激动剂稳定的中间态。对于ADGRL3，结构显示失活的ADGRL3采用紧密折叠，并且在细胞外和细胞内的大异常构象变化是激活粘附GPCRs所需的。这种方法为理解GPCR结构-功能关系和药物开发开辟了一条新的途径。

G蛋白偶联受体(GPCRs)是人类最大的整体膜受体家族，目前已确定的家族成员超过800个。GPCRs感知各种外部信号，包括光、离子、激素和蛋白质，并将这些信息转化为细胞内反应。GPCRs在体内广泛分布，并参与许多生理过程的调节。因此，GPCRs是一类重要的药物靶标。GPCRs具有7个跨膜α-螺旋(TM1-TM7)的共同结构。当被配体激活时，GPCR重组其结构并通过异源三聚体G蛋白、GPCR激酶和阻滞蛋白发出信号。配体如何特异性和选择性地结合GPCR以及GPCR如何与下游效应物结合一直是GPCR领域的主要问题。获得不同功能状态下的高分辨率GPCRs结构是回答这些问题的重要途径。

X射线晶体学结合T4溶菌酶(T4L)融合是解决GPCRs结构的第一个有效策略。用T4L取代位于TM5和TM6之间的第三个胞内环，增加了极性表面积，有利于晶体包装。尽管后来引入了不同的融合标签，但GPCRs的结晶仍然非常具有挑战性和耗时。此外，在结晶过程中通常需要配体来稳定TM结构域。因此，用这种方法很难获得GPCRs的载子态结构。近年来，单粒子冷冻电子显微镜(cryo-EM)发展迅速，甚至彻底改变了结构生物学。冷冻电镜技术的许多优点使其成为确定各种目标结构的首选。然而，冷冻电镜仍然不能直接应用于GPCRs，因为大多数GPCRs的分子量小于40 kDa；此外，纯化的GPCRs总是嵌入在洗涤剂胶束或脂质纳米盘中，缺乏冷冻电镜图像比对的结构特征。

ADGRL3激活的构象变化（图源自Nature Chemical Biology ）

为了适应冷冻电镜系统，GPCRs通常用强效激动剂激活，然后用G蛋白或抑制蛋白组装，用于后续的结构研究。尽管这种方法产生的结构为GPCR激活和GPCR-G/抑制蛋白组装的机制提供了有价值的见解，但其他基本问题，如GPCR如何维持载脂蛋白和拮抗剂结合状态，以及GPCR如何从无活性结构重新排列到活性结构，仍然难以解决。

该研究开发了一个结构测定平台，利用该平台可以很容易地通过冷冻电镜测定GPCRs的各种状态结构。利用该平台，作者确定了ADGRL3的非活性状态结构，揭示了粘附GPCR (aGPCR)激活过程中不寻常的构象变化。总之，研究人员预计该方法将成为一种通用的方法，能够确定与各种配体结合的GPCRs的结构，这将加速基于结构的GPCRs药物设计。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41589-023-01389-0

转自：“iNature”微信公众号

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