G蛋白偶聯(lián)受體（GPCRs）在細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中起重要作用，也是許多疾病的重要治療靶點。GPCRs與細胞外激動劑結(jié)合后，通過招募不同的G蛋白（Gs、Gi、Gq等）介導(dǎo)多種生理功能，從而刺激多種信號傳導(dǎo)途徑。GPCR與特異性G蛋白的選擇性偶聯(lián)對受體的生物學(xué)作用至關(guān)重要。

到目前為止，決定單個GPCR如何識別不同G蛋白亞型的分子細節(jié)仍不清楚，從而限制了對GPCR信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機制的理解。

3月20日發(fā)表在《Science》雜志上的一篇文章，來自科學(xué)院上海藥物研究所吳蓓麗和趙強領(lǐng)導(dǎo)的小組，科學(xué)院生物物理研究所孫飛領(lǐng)導(dǎo)的小組，莫納什大學(xué)Denise Wootten領(lǐng)導(dǎo)的小組，用低溫電子顯微鏡（cryo-EM）測定了人胰高血糖素受體（GCGR）與其同源激動劑胰高血糖素（glucagon）及其不同類別G蛋白（Gs或Gi）復(fù)合物的兩種結(jié)構(gòu)。

這些結(jié)構(gòu)次提供了GPCR與不同G蛋白亞型相互作用的詳細分子圖，意外地揭示了許多控制G蛋白特異性的分子特征，從而大大加深了對GPCR信號機制的理解。


GCGR是B型GPCR家族的一員，通過觸發(fā)肝臟中葡萄糖的釋放對葡萄糖穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要，使其成為2型糖尿病和肥胖癥的潛在藥物靶點。

盡管GCGR通過Gs信號傳導(dǎo)發(fā)揮其典型的生理作用，但它也可以與其他G蛋白如Gi和Gq結(jié)合。2017年和2018年，科學(xué)院上海藥物研究所的科學(xué)家確定了全長GCGR與負變構(gòu)調(diào)節(jié)劑或部分肽激動劑結(jié)合的晶體結(jié)構(gòu)，為B類GPCRs的信號識別和調(diào)制提供了見解。

這一次，科學(xué)家們通過解決GCGR與兩種具有相反生物活性的轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白結(jié)合的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，取得了進一步的進展。本研究為多效GPCR-G蛋白偶聯(lián)和G蛋白特異性的研究提供了有價值的見解。值得注意的是，它揭示了GCGR的第六跨膜螺旋（helix VI）在兩個G蛋白結(jié)合的GCGR結(jié)構(gòu)中采用類似的向外移動，形成一個共同的結(jié)合腔來容納Gs和Gi。這與基于先前確定的GPCR-G蛋白復(fù)合物結(jié)構(gòu)的假設(shè)相反，該假設(shè)認為helix VI的位置差異是Gs和Gi耦合特異性的主要判別因子。

在GCGR-G蛋白復(fù)合物結(jié)構(gòu)中觀察到的共同G蛋白結(jié)合囊與GCGR的信號多聚性相一致，并允許激活各種途徑的zui大效率。盡管GCGR通過共同的囊袋與兩種G蛋白偶聯(lián)，但其作用模式不同，這就解釋了G蛋白的特異性。GCGR與Gs之間的相互作用界面比Gi大得多，因而Gs與受體的結(jié)合親和力較高。這為GCGR與Gs的優(yōu)先耦合提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

基于GCGR-Gs和GCGR-Gi復(fù)合物的結(jié)構(gòu)，科學(xué)家們利用誘變、G蛋白活化和細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等技術(shù)進行了廣泛的功能研究，探討了受體-G蛋白結(jié)合界面關(guān)鍵殘基在Gs和Gi活化中的作用。

結(jié)果表明，受體胞內(nèi)環(huán)和殘基側(cè)鏈的構(gòu)象差異足以指導(dǎo)G蛋白的選擇性。受體的第二個胞內(nèi)環(huán)（ICL2）和helix VII/VIII連接的相互作用在Gs偶聯(lián)中起著關(guān)鍵作用，而另外兩個胞內(nèi)環(huán)（ICL1和ICL3）和受體疏水性胞內(nèi)結(jié)合腔對Gi識別geng為重要。

這些發(fā)現(xiàn)擴展了對GPCR激活、多效性偶聯(lián)和G蛋白特異性的認識，為藥物的發(fā)現(xiàn)提供了新的機會，通過設(shè)計有偏見的配體來選擇性地阻斷一個特定的信號通路，從而減少副作