《自然》4文齐发！多团队合作破译粘附类GPCR激活机制

作为人类最庞大的膜蛋白家族，与G蛋白（一类信号转导蛋白）结合的G蛋白偶联受体（GPCR）不仅与感觉系统和荷尔蒙作用密切相关，还是超过1/3临床药物的直接作用位点，成为长盛不衰的药物开发重要靶点。

其中，粘附性G蛋白偶联受体是这个大家族中颇为特殊的一类，也是在演化过程中最古老的GPCR亚家族。几乎所有的粘附类受体延伸出了一个胞外端区域。对细胞来说，这个结构就如同传感器，能帮助细胞感知复杂多变的微环境，尤其是力和细胞之间连接的变化，触发细胞的多种信号转导和功能输出。

同时，粘附类GPCR与人体健康也有着密不可分的关系。粘附类GPCR家族的33个成员对于器官发生、神经发育、生殖等生理过程的调控至关重要，而这类受体的许多突变已被证实与神经系统疾病、耳聋、生育障碍等等病症相关。理解粘附类GPCR的结构与作用机制，对于多种药物与全新疗法的开发意义重大。

但在科学界，这恰好是一道横亘多年的难题。在此前的研究中，多个亚家族GPCR在激活态的结构与机制已经得到了确认，但粘附类GPCR自激活的机制却并不清晰，这也阻碍了对相关信号转导过程的理解。

现在，情况终于发生了改变。就在今天，《自然》杂志同期发布4篇论文，这些研究借助高分辨率的冷冻电镜结构解析，共同揭示了粘附类GPCR的精细结构，并且阐明这类分子通过自激活开启感知功能的作用机制。

粘附类GPCR有着独特的结构特征。这类受体含有一个能自水解的结构域，绝大多数粘附类GPCR都能在这个位点发生自水解。这时，受体就分为了两个功能不同的亚基，恰好负责执行粘附类GPCR的两大生理功能：细胞外区域（α亚基）起到粘附作用，参与不同细胞之间、细胞与胞外基质间的交互，帮助不同细胞粘附在一起；而β亚基则是跨膜的部分，被称为7次跨膜（7TM）区域——这个系统包含了7个α-螺旋结构的跨膜蛋白，负责与G蛋白结合，从而实现细胞间的信息传递。

而连接这两个亚基的，是一个由十几个氨基酸组成的Stachel（德文意为“针刺”）序列。正常情况下，这个序列会嵌入细胞外区域中。但当自水解发生，两个亚基分离，这时“针刺”序列暴露在外，它会与7次跨膜区域结合，引起粘附类GPCR的自激活。不过，“针刺”序列如何激活受体长期以来是个未知数。

在本期《自然》的一项研究中，山东大学基础医学院孙金鹏教授团队联合中国科学院上海药物所徐华强研究员团队以及德国Rudolf Schönheimer研究所Ines Liebscher教授团队，揭示了“针刺”序列导致粘附类GPCR自激活的机制。

研究团队分别解析了两种感知机械力的粘附类GPCR（GPR133和GPR114）与G蛋白的复合物结构。他们发现，机械力通过调控“针刺”序列与受体结合，从而激活受体。随后的高分辨率研究进一步揭示了与该过程相关的具体蛋白结构：β亚基的跨膜螺旋形成多个与G蛋白结合的“口袋”，而在7个跨膜螺旋中，TM6和TM7具有明显的弯折结构，这样的结构使得“口袋”开口扩大，也就是说，与G蛋白的结合变得更容易。

▲GPR133、GPR114结构模型（图片来源：参考资料[1]）

这两个跨膜螺旋的弯折结构是如何形成的？孙金鹏教授参与的另一项研究给出了答案。山东大学第二医院/基础医学院/高等医学研究院于晓教授团队联合孙金鹏团队，与国家蛋白质中心孔亮亮课题组，以及西安交通大学张磊教授团队合作，揭示了“针刺”序列与粘附类GPCR作用的机制。

这项研究解析的是两种粘附类GPCR（ADGRG2和ADGRG4）分别与G蛋白的复合物结构。研究团队发现，在自水解的情况下，这两种粘附类GPCR的“针刺”序列都以U型与前面提到的“口袋”结合，并且改变“口袋”的形态：序列的5个疏水氨基酸呈现出类似手指的排布方式，分别与5个疏水口袋结合，并导致了TM6与TM7的弯折。

▲“针刺”序列与ADGRG2的相互作用模式（图片来源：参考资料[2]）

基于这个“手指”模型，研究团队通过对疏水氨基酸进行负电改造，可以在保持其与粘附类GPCR亲和力的同时，避免与下游G蛋白结合，从而打造出粘附类GPCR的拮抗剂。进一步的实验确认，该策略对于多种不同的粘附类GPCR均有效。

此外，在同期的另外两篇同主题论文中，一篇论文揭示：即使在不发生自水解的情况下，“针刺”序列依然能与“口袋”结合，因此自水解并非粘附类GPCR自激活的先决条件；另一项研究也基于高分辨率冷冻电镜结构，提出激活非粘附类GPCR的一般模型。

注：原文有删减

参考资料：

[1] Ping, YQ., Xiao, P., Yang, F. et al. Structural basis for the tethered peptide activation of adhesion GPCRs. Nature (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-04619-y

[2] Xiao, P., Guo, S., Wen, X. et al. Tethered peptide activation mechanism of the adhesion GPCRs ADGRG2 and ADGRG4. Nature (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-04590-8

[3] Qu, X., Qiu, N., Wang, M. et al. Structural basis of tethered agonism of the adhesion GPCRs ADGRD1 and ADGRF1. Nature (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-04580-w

[4] Barros-Álvarez, X., Nwokonko, R.M., Vizurraga, A. et al. The tethered peptide activation mechanism of adhesion GPCRs. Nature (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-04575-7