Nat. Chem. Biol. | 郑三多实验室阐述GPCR配体偏向性激活G蛋白的分子机制

2022年9月22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Nature Chemical Biology杂志上发表题为“Molecular basis for the selective G protein signaling of somatostatin receptors”的研究论文。该研究发现生长抑素受体SSTR2和SSTR5除了已知的Gi/o结合方式以外还可以激活Gq/11通路，此外还发现配体越小，越倾向于激活Gi/o通路，随后通过解析SSTR2-Gq和SSTR2-Go复合物的冷冻电镜结构，并结合细胞功能实验阐明配体偏向性的分子机制。

生长抑素受体共含有5种亚型（SSTR1-SSTR5），主要通过Gi/o通路抑制生长激素以及其它激素的分泌，是治疗肢端肥大症和神经内分泌肿瘤的重要靶点。内源配体SST-14可以激活这5种SSTR亚型，但其半衰期较短难以成药，由此衍生的多肽类和小分子类的药物半衰期长，应用更为广泛，包括奥曲环肽(octreotide)；司格列肽(seglitide)和L-054,264 (分子量540 d) (图1a)。研究人员对其进行系统性的细胞通路激活实验发现，对于SSTR2和SSTR5两种亚型而言，不同的激动剂不仅能引起cAMP水平的降低，同时能激活Gq/11通路，引起IP1/IP3和钙离子的水平升高(图1b-e)。

系统性比较不同配体对Gi/o和Gq/11通路的偏好性

随后，研究人员通过深入比较和多种实验手段验证，发现四种配体对于两种G蛋白通路的偏好性有所区别，配体越小如L-054,264，越偏向于结合Gi/o通路 （图1b和1d）。为了进一步理解配体偏好性的分子机制，研究人员利用冷冻电镜技术解析了SSTR2在不同配体结合状态下，与Gq和Go结合的复合物结构 (图2)。

SSTR2-Go和SSTR2-Gq复合物结合不同配体的结构解析

不同G蛋白亚型（Go和Gq）的结合导致SSTR2受体胞内口袋以及胞外配体结合口袋的构象差异。与结合Go的受体对比，结合Gq的受体的第二个胞内loop（ICL2）向下移动以及TM6和TM7往外移动（图3a）。这些构象差异使得ICL2和ICL3在激活Gq和Go过程种扮演不同的角色（图3b-3e），如ICL2中I14834.51的突变几乎不影响Go的激活（图3f），但是显著减弱Gq的激活能力（图3g）。将SSTR3中相应残基T14934.51突变为I后，它激活Gq的能力显著增强（图3h）。

SSTR2-Go和SSTR2-Gq结合octreotide的结构比较

此外与Go对比，结合Gq/11的受体胞外区域TM1,TM5,TM6和ECLs在往外移动(图4 a-c)，使得结合Gq的受体的配体口袋更大，所以体积小的配体如L-054,264不能稳定受体激活Gq所需的构象（图4f）。因此我们提出一个理论模型：非偏好性配体可以稳定受体的多种构象，获得与不同G蛋白结合的能力，而偏好性配体倾向于稳定受体特定的构象，使其偏向性激活一种G蛋白亚型。

G蛋白偏好性结合的分子基础

综上，研究人员不仅揭示了生长抑素受体和不同配体结合的激活原理，也对同一配体结合不同G蛋白通路的机制进行了剖析。此外还发现除了GPCR与G蛋白的直接相互作用界面，配体结合方式也能影响G蛋白的选择性。

郑三多实验室的博士研究生陈思嘉为本文的第一作者，其他作者还包含郑三多实验室的博士研究生滕霄，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。

https://www.nature.com/articles/s41589-022-01130-3