科研进展
PNAS | 郑三多实验室揭示甘丙肽受体识别天然配体以及G蛋白的分子机制
G蛋白偶联受体（GPCR）家族是人类基因中最大的膜蛋白受体家族，参与调控人类各项生理功能，是非常重要的药物靶点。在识别来自细胞外的信号后，GPCR发生构象变化，结合并且激活异源G蛋白三聚体（α，β和γ亚基） ，从而引发下游的信号传递。具体的信号通路取决于α亚基的种类。Gα亚基主要含有四种亚型：Gαs, Gαi/o, Gαq/11和Gα12/13。早期研究发现大部分的GPCR可以选择性地激活一种Gα亚型，但是由于GPCR结构和功能的复杂性，很难找到其选择性识别Gα亚型的特征性氨基酸序列，因此目前人们对很多GPCR识别Gα亚型的分子机制的了解还十分有限。
2022年5月21日，北京生命科学研究所/清华大学生物医学交叉研究院郑三多实验室在Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) 杂志上发表题为“Structural insights into galanin receptor signaling”的研究论文。该研究揭示了甘丙肽受体亚家族成员（galanin receptors, GALRs）识别天然配体以及G蛋白的分子基础，此外还发现了Zn2+是GALR受体的负向别构调控配体,抑制GALR的信号传递。
甘丙肽（Galanin）是一种神经肽，广泛分布于神经系统中，参与调控多项生理活动，如能量代谢、疼痛、癫痫以及睡眠。它可以激活三种不同的GPCR：GALR1、GALR2以及GALR3。虽然这三个GALRs能够识别相同的配体，但是激活不同的G蛋白亚型。GALR1和GALR3主要激活Gi/o信号通路，导致cAMP水平的下降，而GALR2激活Gq/11， 导致细胞质中IP3和钙离子的水平升高（图1Ａ） 。为了了解GALR识别配体和G蛋白的分子机制，研究人员通过冷冻电镜方法解析了结合甘丙肽的GALR1‒Go和GALR2‒Gq的复合物结构 （图1Ｂ和１Ｃ） 。
图1. 甘丙肽受体/G蛋白/甘丙肽复合物的结构。
通过对GALR家族结构的分析，研究人员观察到了不寻常的受体-配体结合模式和信号转导特点。首先，作为一个天然配体，甘丙肽以近乎平行于细胞膜的结合方式“躺”在GALR的顶部，不同于大多数肽类配体垂直插入受体口袋的模式，也不同于大多数小分子配体深入受体内部的特点（图２） 。这样的结合更接近某些受体的正向别构调节分子所采用的方式。
图2. 甘丙肽独特的识别机制。
研究人员通过比较GALR1-Go和GALR2-Gq的复合物结构，观察到GALR受体与不同G蛋白结合的界面不完全相同（图3A和3B） 。GALR2主要通过其胞内ICL2 （Second intracellular loop） 区段结合Gαq蛋白 (图3C和3D) ，而GALR1通过ICL3区段结合Gαo蛋白。GALR2的ICL2上负责结合Gq的关键位点在GALR1中的对应位置也产生了替换（图3G），而 GALR1的ICL3上与Gαo结合的关键位点在GALR2中发生了改变（图3H） 。研究人员进一步证实了将GALR1的ICL2上三个关键氨基酸，S14034.50、R14134.51和S1494.49分别突变为GALR2对应的残基之后，GALR1获得了偶联Gq的能力（图3I） ，而GALR2的ICL3被GALR1相对应的序列替换后与Go的结合能力明显增强 （图3J） 。
图3.GALR受体识别Go以及Gq的分子基础。
以前的研究发现Zn2+可以抑制甘丙肽与其受体的结合。Zn2+作为一种重要的神经递质，广泛存在于神经系统中，但是其具体的生理功能仍然不清楚。随后研究者进一步证实Zn2+ 可以特异性地抑制甘丙肽对GALR1的激活而对GALR2的影响非常小（图4A） 。通过细致的结构分析，发现在GALR1配体结合位置的下方含有大量的组氨酸 （图4B） ，组氨酸常常参与金属离子的配位结合。进一步的功能实验确定了H2676.55位点是Zn2+发挥调节作用所必需的 （图4C和4D） 。这个位点在不同物种的GALR1基因中高度保守，但在同家族的GALR2中被替换为疏水的异亮氨酸，表明Zn2+对GALR1特异的调节作用。
图4. 锌离子对GALR1激活的抑制作用。
郑三多实验室的博士研究生蒋文通为本文的第一作者，郑三多博士为本文通讯作者。该研究由科技部、北京市政府和清华大学共同资助。
论文链接：
https://www.pnas.org/doi/abs/10.1073/pnas.2121465119
