《自然通讯》| 我国科学家对生长激素释放激素受体的结构、功能和相关疾病的研究取得重要进展

原文始发于微信公众号(药时代):《自然通讯》| 我国科学家对生长激素释放激素受体的结构、功能和相关疾病的研究取得重要进展

《自然通讯》| 我国科学家对生长激素释放激素受体的结构、功能和相关疾病的研究取得重要进展

生长激素释放激素受体(Growth hormone-releasing hormone receptor,GHRHR)属于B类G蛋白偶联受体,在细胞增殖、生长激素合成与分泌等方面发挥重要作用1。结合内源性配体生长激素释放激素(GHRH)后,GHRHR主要通过激活cAMP信号通路而产生生理效应。前人早在1960年就发现下丘脑损伤会使垂体减少分泌生长激素(GH)进而减缓生长,表明下丘脑存在刺激GH释放的激素即GHRH2。由于后者在下丘脑存留时间短暂且有生长抑制素的干扰,分离提纯极为困难,直到1982年才在人胰腺肿瘤中成功获得3。1993年,人源GHRHR的cDNA在肢端肥大症患者的垂体肿瘤中首次被克隆4。由于在生长发育中所起的关键作用,GHRHR的基因突变会导致生长发育障碍,是特发性生长激素缺乏症(Isolated growth hormone deficiency,IGHD)的病因之一5。除了调节生长外,GHRHR的激活还能改善艾滋病患者的脂肪代谢障碍,减少腹部脂肪堆积。近期的多个研究显示GHRHR及其剪接变异体(Splice variant)与多种肿瘤的发生和发展相关6,7,目前已有数个GHRH多肽类似物如舍莫瑞林(Sermorelin)和替莫瑞林(Tesamorelin)上市
2020年10月15日,中国科学院上海药物研究所王明伟/杨德华团队徐华强团队联合浙江大学基础医学院张岩团队Nature Communications发表了题为“Structural basis for activation of the growth hormone-releasing hormone receptor”的研究论文,首次报道了人源GHRHR与GHRH和Gs蛋白复合物的高分辨率冷冻电镜结构,揭示了GHRHR的配体识别、信号激活及疾病发生的分子机制,为相关新药的研发奠定了坚实的基础。
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为了增强GHRHR与Gs蛋白的组装效率,研究人员创新地采用NanoBiT系连技术8分别在GHRHR和Gs蛋白上引入LgBiT和HiBiT以增加蛋白之间的相互作用,提高复合物的稳定性,最终获得分辨率高达2.6Å的三维结构(图1)。该项研究揭示了除第4跨膜螺旋(Transmembrane helix 4,TM4)外,其他跨膜螺旋和所有胞外侧环(Extracellular loop,ECL)与GHRH和GHRHR形成广泛和复杂的相互作用,并被受体点突变实验所证实。值得注意的是,尽管GHRH与胰高血糖素样肽-1GLP-1)和长效甲状旁腺激素(LA-PTH)都采用螺旋构型插入受体跨膜域的结合口袋,但GHRH氨基端首个残基的侧链取向尤为特别,提示受体-配体选择性结合的精细调控模式。
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图1. 人源生长激素释放激素受体与内源性配体和Gs蛋白复合物的冷冻电镜结构。左,GHRH-GHRHR-Gs复合物的冷冻电镜密度图;中,GHRHR识别GHRH的细节图;右,多肽配体氨基端插入受体跨膜域结合口袋的构象比较。
在此基础上,研究人员应用信号转导通路实验(cAMP水平和β-arrestin 2招募)分析了25个与IGHD相关的致病错义突变,并对其中4个代表性突变(D60G、R94Q、S140P和R357C)进行了分子动力学模拟,发现它们至少通过三种机制影响GHRHR的功能而致病:1)破坏胞外域以削弱其同GHRH的结合能力,如D60G(即“小老鼠”―Little mouse表型的致病突变9)和R94Q;2)破坏受体跨膜域与配体或Gs蛋白的结合,如R357C;3)破坏跨膜信号转导,如S140P。上述成果增进了我们对B类G蛋白偶联受体相关性疾病发生机制的认识。
中国科学院上海药物研究所博士后周富来浙江大学基础医学院博士研究生张会冰复旦大学药学院博士研究生丛朝彤中国科学院上海药物研究所副研究员赵丽华上海科技大学研究助理教授周庆同该论文的共同第一作者。中国科学院上海药物研究所/复旦大学王明伟讲座教授浙江大学张岩研究员中国科学院上海药物研究所徐华强研究员杨德华研究员为该论文的共同通讯作者。该研究工作的第一完成单位是中国科学院上海药物研究所,先后获得了国家自然科学基金委员会、国家科学技术部、上海市科学技术委员会和中国科学院先导专项等的经费资助。
原文链接:
https://www.nature.com/articles/s41467-020-18945-0

参考文献

1. Pandol, S.J., Seifert, H., Thomas, M.W., Rivier, J. & Vale, W. Growth hormone-releasing factor stimulates pancreatic enzyme secretion. Science 225, 326-8 (1984).

2. Schally, A.V., Steelman, S.L. & Bowers, C.Y. Effect of hypothalamic extracts on release of growth hormone in vitro. Proc Soc Exp Biol Med 119, 208-12 (1965).

3. Guillemin, R. et al. Growth hormone-releasing factor from a human pancreatic tumor that caused acromegaly. Science 218, 585-7 (1982).

4. Gaylinn, B.D. et al. Molecular cloning and expression of a human anterior pituitary receptor for growth hormone-releasing hormone. Mol Endocrinol 7, 77-84 (1993).

5. Cohen, E. et al. Contribution of functionally assessed GHRHR mutations to idiopathic isolated growth hormone deficiency in patients without GH1 mutations. Hum Mutat 40, 2033-2043 (2019).

6. Xiong, X. et al. Splice variant of growth hormone-releasing hormone receptor drives esophageal squamous cell carcinoma conferring a therapeutic target. Proc Natl Acad Sci USA 117, 6726-6732 (2020).

7. Gan, J. et al. Growth hormone-releasing hormone receptor antagonists inhibit human gastric cancer through downregulation of PAK1-STAT3/NF-kappaB signaling. Proc Natl Acad Sci USA 113, 14745-14750 (2016).

8. Duan, J. et al. Cryo-EM structure of an activated VIP1 receptor-G protein complex revealed by a NanoBiT tethering strategy. Nat Commun 11, 4121 (2020).

9. Lin, S.C. et al. Molecular basis of the little mouse phenotype and implications for cell type-specific growth. Nature 364, 208-13 (1993).

– END –
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生长激素释放激素受体(Growth hormone-releasing hormone receptor,GHRHR)属于B类G蛋白偶联受体,在细胞增殖、生长激素合成与分泌等方面发挥重要作用1。结合内源性配体生长激素释放激素(GHRH)后,GHRHR主要通过激活cAMP信号通路而产生生理效应。前人早在1960年就发现下丘脑损伤会使垂体减少分泌生长激素(GH)进而减缓生长,表明下丘脑存在刺激GH释放的激素即GHRH2。由于后者在下丘脑存留时间短暂且有生长抑制素的干扰,分离提纯极为困难,直到1982年才在人胰腺肿瘤中成功获得3。1993年,人源GHRHR的cDNA在肢端肥大症患者的垂体肿瘤中首次被克隆4。由于在生长发育中所起的关键作用,GHRHR的基因突变会导致生长发育障碍,是特发性生长激素缺乏症(Isolated growth hormone deficiency,IGHD)的病因之一5。除了调节生长外,GHRHR的激活还能改善艾滋病患者的脂肪代谢障碍,减少腹部脂肪堆积。近期的多个研究显示GHRHR及其剪接变异体(Splice variant)与多种肿瘤的发生和发展相关6,7,目前已有数个GHRH多肽类似物如舍莫瑞林(Sermorelin)和替莫瑞林(Tesamorelin)上市
2020年10月15日,中国科学院上海药物研究所王明伟/杨德华团队徐华强团队联合浙江大学基础医学院张岩团队Nature Communications发表了题为“Structural basis for activation of the growth hormone-releasing hormone receptor”的研究论文,首次报道了人源GHRHR与GHRH和Gs蛋白复合物的高分辨率冷冻电镜结构,揭示了GHRHR的配体识别、信号激活及疾病发生的分子机制,为相关新药的研发奠定了坚实的基础。
《自然通讯》| 我国科学家对生长激素释放激素受体的结构、功能和相关疾病的研究取得重要进展
为了增强GHRHR与Gs蛋白的组装效率,研究人员创新地采用NanoBiT系连技术8分别在GHRHR和Gs蛋白上引入LgBiT和HiBiT以增加蛋白之间的相互作用,提高复合物的稳定性,最终获得分辨率高达2.6Å的三维结构(图1)。该项研究揭示了除第4跨膜螺旋(Transmembrane helix 4,TM4)外,其他跨膜螺旋和所有胞外侧环(Extracellular loop,ECL)与GHRH和GHRHR形成广泛和复杂的相互作用,并被受体点突变实验所证实。值得注意的是,尽管GHRH与胰高血糖素样肽-1GLP-1)和长效甲状旁腺激素(LA-PTH)都采用螺旋构型插入受体跨膜域的结合口袋,但GHRH氨基端首个残基的侧链取向尤为特别,提示受体-配体选择性结合的精细调控模式。
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图1. 人源生长激素释放激素受体与内源性配体和Gs蛋白复合物的冷冻电镜结构。左,GHRH-GHRHR-Gs复合物的冷冻电镜密度图;中,GHRHR识别GHRH的细节图;右,多肽配体氨基端插入受体跨膜域结合口袋的构象比较。
在此基础上,研究人员应用信号转导通路实验(cAMP水平和β-arrestin 2招募)分析了25个与IGHD相关的致病错义突变,并对其中4个代表性突变(D60G、R94Q、S140P和R357C)进行了分子动力学模拟,发现它们至少通过三种机制影响GHRHR的功能而致病:1)破坏胞外域以削弱其同GHRH的结合能力,如D60G(即“小老鼠”―Little mouse表型的致病突变9)和R94Q;2)破坏受体跨膜域与配体或Gs蛋白的结合,如R357C;3)破坏跨膜信号转导,如S140P。上述成果增进了我们对B类G蛋白偶联受体相关性疾病发生机制的认识。
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原文链接:
https://www.nature.com/articles/s41467-020-18945-0

参考文献

1. Pandol, S.J., Seifert, H., Thomas, M.W., Rivier, J. & Vale, W. Growth hormone-releasing factor stimulates pancreatic enzyme secretion. Science 225, 326-8 (1984).

2. Schally, A.V., Steelman, S.L. & Bowers, C.Y. Effect of hypothalamic extracts on release of growth hormone in vitro. Proc Soc Exp Biol Med 119, 208-12 (1965).

3. Guillemin, R. et al. Growth hormone-releasing factor from a human pancreatic tumor that caused acromegaly. Science 218, 585-7 (1982).

4. Gaylinn, B.D. et al. Molecular cloning and expression of a human anterior pituitary receptor for growth hormone-releasing hormone. Mol Endocrinol 7, 77-84 (1993).

5. Cohen, E. et al. Contribution of functionally assessed GHRHR mutations to idiopathic isolated growth hormone deficiency in patients without GH1 mutations. Hum Mutat 40, 2033-2043 (2019).

6. Xiong, X. et al. Splice variant of growth hormone-releasing hormone receptor drives esophageal squamous cell carcinoma conferring a therapeutic target. Proc Natl Acad Sci USA 117, 6726-6732 (2020).

7. Gan, J. et al. Growth hormone-releasing hormone receptor antagonists inhibit human gastric cancer through downregulation of PAK1-STAT3/NF-kappaB signaling. Proc Natl Acad Sci USA 113, 14745-14750 (2016).

8. Duan, J. et al. Cryo-EM structure of an activated VIP1 receptor-G protein complex revealed by a NanoBiT tethering strategy. Nat Commun 11, 4121 (2020).

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