Science：吴蓓丽/赵强/孙飞等揭示人胰高血糖素受体识别Gs和Gi的结构基础

来源：iNature

2020年3月20日，中科院上海药物所吴蓓丽，赵强，中科院生物物理所孙飞及复旦大学Denise Wootten共同通讯在Science 在线发表题为“Structural basis of Gs and Gi recognition by the human glucagon receptor”的研究论文，该研究使用冷冻电子显微镜，确定了与胰高血糖素结合的人胰高血糖素受体（GCGR）的结构以及不同类别的异源三聚体G蛋白，Gs或Gi1。

这两个结构采用类似的开放式结合腔来容纳Gs和Gi1。GCGR的Gs结合选择性由较大的相互作用界面解释，但与Gs结合相比，特定的相互作用对Gi的影响更大，发现受体细胞内环的构象差异是关键的选择性决定因素。 这些结构与药理学数据相结合，为GCGR激活，多效性偶联和G蛋白特异性提供了重要见识。

与细胞外激动剂结合后，G蛋白偶联受体（GPCR）通过募集不同的异源三聚体G蛋白（Gαβγ）来介导多种生理功能，从而刺激各种信号通路。GPCR和特定G蛋白之间的选择性偶联对于受体响应其内源性配体和治疗剂的生理作用至关重要。但是，定义单个GPCR如何识别不同G蛋白亚型的分子细节仍然难以捉摸。 

B类GPCR通过Gs信号传导产生环状单磷酸腺苷（cAMP），从而正常发挥其生理作用；但是，它们也与其他G蛋白（例如Gi / o和Gq / 11）偶联，导致多种细胞应答。最近，通过单粒子冷冻电子显微镜（cryo-EM）确定了与Gs结合的四个B类GPCR的结构，但是缺乏其他G蛋白的结构限制了我们对驱动多效性偶联的分子机制的理解。

人体胰高血糖素受体（GCGR）是B类GPCR家族的一员，它通过触发肝脏中葡萄糖的释放而对葡萄糖体内稳态至关重要。以前在自然组织和重组细胞系中使用不同测定方法进行的研究表明，胰高血糖素除了促进cAMP的形成外，还激活了其他依赖百日咳毒素敏感或磷脂酶C的下游效应子，揭示了GCGR的Gi / o和Gq / 11信号。

体内小鼠肝细胞中Gi的选择性活化也据报道引起葡萄糖产量的显著增加和严重的葡萄糖稳态失调，这表明肝G蛋白的其他亚型也有助于葡萄糖调节。GCGR作为2型糖尿病和肥胖症的治疗靶标引起了人们的兴趣。但是，胰高血糖素的生物学很复杂。它可以增加能量消耗，但高水平会引起糖尿病，目前尚无可选择性靶向GCGR的药物治疗糖尿病和肥胖症。为了更好地阐明GCGR的G蛋白选择性的分子机制，该研究确定了GCGR的冷冻EM结构及其同源配体胰高血糖素和异三聚体Gs或Gi1蛋白。这些结构与药理学数据相结合，为GCGR激活，多效性偶联和G蛋白特异性提供了重要见识。

具体而言，该研究使用冷冻电子显微镜，确定了与胰高血糖素结合的人胰高血糖素受体（GCGR）的结构以及不同类别的异源三聚体G蛋白，Gs或Gi1。这两个结构采用类似的开放式结合腔来容纳Gs和Gi1。GCGR的Gs结合选择性由较大的相互作用界面解释，但与Gs结合相比，特定的相互作用对Gi的影响更大，发现受体细胞内环的构象差异是关键的选择性决定因素。 

总的来说，这项工作为使用B类GPCR观察到的多种G蛋白信号传导提供了模型。与G蛋白结合的GCGR结构表明，体积较小的Gi蛋白被容纳在大的细胞内腔中，但形成的相互作用较弱，主要是疏水性，这说明了G蛋白偶联的特异性。此外，受体中存在特定的构象差异，这也支配了GCGR–G蛋白相互作用的性质，并可能介导有差异的激动作用，包括在细胞内环和单个残基侧链中。GPCR的Gs和Gi的结构仍使我们有机会研究G蛋白特异性的基础，并为支配多效GPCR-G蛋白偶联的分子细节提供了新见解。

参考消息：

DOI: 10.1126/science.aaz5346