Cell Research | 人源胰高血糖素样肽-2受体复合物三维结构成功解析

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2020年11月26日,由中国科学院上海药物研究所王明伟/杨德华团队和徐华强团队携手浙江大学基础医学院张岩团队于Cell Research在线发表了题为“A unique hormonal recognition feature of the human glucagon-like peptide-2 receptor”的研究成果。该论文首次报道了人源胰高血糖素样肽-2受体Glucagon-like peptide-2 receptor, GLP-2R)与其内源性配体和Gs蛋白复合物的冷冻电镜结构,揭示了该受体独特的配体识别和亚型选择性机制,阐明了不同B类G蛋白偶联受体家族成员第一胞外环(Extracellular loop 1, ECL1)迥异的构象及其功能,为拓展受体药理学内涵和相关药物发现提供了重要的结构基础。

 

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胰高血糖素样肽-1GLP-1)和胰高血糖素样肽-2都源自胰高血糖素原基因,但生理功能各不相同。GLP-1通过激活GLP-1R增加餐后胰岛素的分泌,起到维持血糖稳态的作用,其类似物广泛用于2型糖尿病肥胖症的治疗。GLP-2选择性地结合位于肠道和大脑的GLP-2R,具有促进肠道细胞生长、保持肠粘膜完整性、提升肠道血流量和加快营养物质吸收等功能1,2。GLP-2的类似物如替度鲁肽(Teduglutide)目前用来治疗小肠短小综合症(Short bowel syndrome, SBS)和克罗恩氏病(Crohn’s disease)3。参加这项研究的科研人员经过前期载体筛选和应用NanoBiT系连技术4获得了颗粒均一且性状稳定的高质量蛋白复合物。借助上海药物研究所300 Kv冷冻电镜拍摄到的清晰图像和后继单颗粒三维重构获得了分辨率为3.0 Å的GLP-2–GLP-2R–Gs三元复合物的立体结构(图1)。突变受体的氨基酸残基和改造多肽嵌合体等实验研究发现了GLP-2R独特的配体识别和受体激活机制,为深化对B类G蛋白偶联受体结构与功能的认识提供了新的视角。

 

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图1. 胰高血糖素样肽-2激活的胰高血糖素样肽-2受体与Gs蛋白的冷冻电镜结构。左,GLP-2–GLP-2R–Gs复合物结构;右,GLP-2R与GLP-1R分别结合其内源性多肽配体的构象比较

尽管GLP-1和GLP-2都以α-螺旋方式插入到受体跨膜域的配体结合口袋,但其作用形式不尽相同。与结合GLP-1的GLP-1R复合物结构相比,GLP-2R通过微调其跨膜域胞外侧的第1、5和7跨膜螺旋(Transmembrane helices, TMs)和ECL1的构象实现对GLP-2的选择性识别(图1)。具体而言,GLP-2氨基端的第一个残基组氨酸朝向TM3,而GLP-1同位置的残基则由于ECL2上的R299垂下指向结合口袋而朝向TM5。得益于GLP-2R延伸的TM1,GLP-2的中间部分与TM1和TM7形成较GLP-1更为广泛和丰富的相互作用。由于GLP-2R具有B类受体最为凸出的ECL1,GLP-2的羧基端紧紧依附于ECL1,使两者的接触面积(791 Å2)成为所有B类受体家族成员之最(图2)。功能研究表明,GLP-2的三个区域(氨基端、羧基端和中间部分)对受体选择性都有贡献,特别是中间部分:将其(第7到19个残基)替换为GLP-1的对应部分可完全激活GLP-1R并保留较强的GLP-2R激动活性。

 

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图2. B类G蛋白偶联受体家族成员第一胞外环(ECL1)的高度和与激动剂接触面积的比较。

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和中国科学院上海药物研究所徐华强研究员为该论文的共同通讯作者;中国科学院上海药物研究所硕士研究生孙雯、浙江大学基础医学院博士研究生陈礼楠、复旦大学基础医学院青年研究员周庆同、中国科学院上海药物研究所副研究员赵丽华和中国科学院上海药物研究所研究员杨德华为共同第一作者;合作者包括丹麦哥本哈根大学Mette M Rosenkilde教授、中国科学院上海药物研究所蒋轶研究员和上海科技大学iHuman研究所赵素文研究员等。该项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、中国科学院先导专项和复旦大学中国科学院上海药物研究所融合创新基金等的经费资助。

原文链接:https://doi.org/10.1038/s41422-020-00442-0

参考文献:

1.Nelson, D.W., Sharp, J.W., Brownfield, M.S., Raybould, H.E. and Ney, D.M. Localization and activation of glucagon-like peptide-2 receptors on vagal afferents in the rat. Endocrinology 148, 1954-1962 (2007).

2. Estall, J.L. and Drucker, D.J. Glucagon-like Peptide-2. Annual Review of Nutrition 26, 391-411 (2006).

3.Hornby, P.J. and Moore, B.A. The therapeutic potential of targeting the glucagon-like peptide-2 receptor in gastrointestinal disease. Expert Opinion on Therapeutic Targets 15, 637-646 (2011).

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

 

– END –

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图1. 胰高血糖素样肽-2激活的胰高血糖素样肽-2受体与Gs蛋白的冷冻电镜结构。左,GLP-2–GLP-2R–Gs复合物结构;右,GLP-2R与GLP-1R分别结合其内源性多肽配体的构象比较

尽管GLP-1和GLP-2都以α-螺旋方式插入到受体跨膜域的配体结合口袋,但其作用形式不尽相同。与结合GLP-1的GLP-1R复合物结构相比,GLP-2R通过微调其跨膜域胞外侧的第1、5和7跨膜螺旋(Transmembrane helices, TMs)和ECL1的构象实现对GLP-2的选择性识别(图1)。具体而言,GLP-2氨基端的第一个残基组氨酸朝向TM3,而GLP-1同位置的残基则由于ECL2上的R299垂下指向结合口袋而朝向TM5。得益于GLP-2R延伸的TM1,GLP-2的中间部分与TM1和TM7形成较GLP-1更为广泛和丰富的相互作用。由于GLP-2R具有B类受体最为凸出的ECL1,GLP-2的羧基端紧紧依附于ECL1,使两者的接触面积(791 Å2)成为所有B类受体家族成员之最(图2)。功能研究表明,GLP-2的三个区域(氨基端、羧基端和中间部分)对受体选择性都有贡献,特别是中间部分:将其(第7到19个残基)替换为GLP-1的对应部分可完全激活GLP-1R并保留较强的GLP-2R激动活性。

 

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