王明伟/杨德华团队揭示GIPR剪接变异体调节信号转导的分子机制

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葡萄糖依赖性促胰岛素释放多肽受体（Glucose-dependent insulinotropic polypeptide receptor, GIPR）、胰高血糖素样肽-1受体（Glucagon-like peptide-1 receptor, GLP-1R）和胰高血糖素受体（Glucagon receptor, GCGR）是2型糖尿病和肥胖症等代谢性疾病的重要治疗靶标¹。近年来，基于这三个受体开发的多重激动剂展现了优于GLP-1R单激动剂的疗效，是药物开发的热点^2-5。与GLP-1R和GCGR不同，GIPR对胰岛素和胰高血糖素的分泌均有调控作用，其信号转导因受GIPR剪接变异体（Splice variant, SV）等的参与异常复杂。在人体内，GIPR SV的组织分布与野生型（Wildtype, WT）GIPR相同，但其生理功能及其对GIPR信号转导的影响尚不清楚。

2023年10月5日，三亚深海化合物资源中心王明伟团队携手中国科学院上海药物研究所杨德华团队在《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, PNAS）在线发表了题为“Molecular basis of signal transduction mediated by the human GIPR splice variants”的研究成果（图1）。这篇由2012年诺贝尔化学奖得主Robert J. Lefkowitz教授主审的PNAS直投（Direct Submission）论文报道了GIPR的两个代表性氨基端剪接变异体的冷冻电镜结构，揭示了其独特的分子构象及其影响野生型GIPR信号转导的机制。

王明伟/杨德华团队揭示GIPR剪接变异体调节信号转导的分子机制

图1. 论文首页标题

在受体序列上，SV1共有430个氨基酸，相比野生型GIPR缺少了氨基端第58-93位氨基酸，而SV2的氨基端由一段32个残基组成的新序列取代了GIPR的第1-93位氨基酸。研究人员通过功能实验发现，SV1和SV2本身既不结合内源性配体GIP也不激发下游cAMP的累积和β-arrestins 1/2的招募。应用冷冻电镜技术解析的SV1及SV2与G_s蛋白复合物结构显示它们与野生型GIP–GIPR–G_s结构存在显著差异，主要体现在第六跨膜螺旋（Transmembrane helix 6, TM6）的胞外段和第三胞外环（Extracellular loop 3, ECL3）的向内运动及TM1和TM7胞外段的向外运动，进而使得SV1和SV2拥有独特的“配体结合口袋占据构象”（Ligand-binding pocket-occupied conformation）（图2）。分子动力学模拟验证了这一构象的稳定性。

图2. GIPR、SV1和SV2的结构比较。（A）GIP–GIPR–G_s (PDB: 7DTY)、SV1–G_s和SV2–G_s的结构比较。SV1和SV2的结构以跨膜螺旋结构域（Transmembrane domain, TMD）残基的Cα碳叠加在GIPR上。（B）受体TMD的俯视图。（C）GIPR、SV1和SV2的配体结合口袋对比。GIP为橙色，TMD的氨基端部分（TMs 1-5, ECL1和ECL2）显示为蓝色，TMD的羧基端部分（TM5, ECL3和TM6）显示为青色。

研究人员进一步把两个SV分别与野生型GIPR共表达，发现它们均与野生型受体在细胞上共定位，并可差异性地影响GIPR下游信号转导。其中，SV1可抑制GIPR的cAMP累积和β-arrestin 2招募；而SV2只微弱地影响了GIPR的cAMP信号（图3）。此前，该团队曾发现受体活性修饰蛋白（Receptor activity-modulating proteins, RAMPs）对GIPR的下游信号具有负性调控作用⁶。鉴此，研究人员测定了RAMPs对SV1和SV2作用之影响。结果表明，RAMPs 2/3可影响SV1和SV2诱导的cAMP信号转导而不影响β-arrestins 1/2招募。

图3. 共表达时，GIPR SVs对WT GIPR的配体结合和介导的信号转导的影响。（A）GIPR SVs对¹²⁵I-GIP_1-42与GIPR竞争结合的影响。（B）GIPR SVs对GIP_1-42诱导GIPR的cAMP累积的影响。（C和D）GIPR SVs对GIP_1-42诱导的GIPR的β-arrestins 1（β-arr1）和2（β-arr2）招募的影响。

三亚深海化合物资源中心主任、海南医学院王明伟特聘教授和中国科学院上海药物研究所杨德华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博士后研究助理赵丰辉、上海科技大学iHuman研究所博士研究生杭恺旎和复旦大学基础医学院青年研究员周庆同为该论文的共同第一作者。该项研究工作先后获得了国家自然科学基金委员会、国家卫生健康委员会、国家科学技术部、中国博士后科学基金以及上海市科学技术委员会等机构的经费资助。

全文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2306145120

References

1 Yuliantie, E. et al. Pharmacological characterization of mono-, dual- and tri-peptidic agonists at GIP and GLP-1 receptors. Biochem Pharmacol 177, 114001, doi:10.1016/j.bcp.2020.114001 (2020).

2 Frias, J. P. et al. Tirzepatide versus Semaglutide Once Weekly in Patients with Type 2 Diabetes. New Engl J Med 385, 503-515, doi:10.1056/NEJMoa2107519 (2021).

3 Jastreboff, A. M. et al. Triple-Hormone-Receptor Agonist Retatrutide for Obesity – A Phase 2 Trial. New Engl J Med, doi:10.1056/NEJMoa2301972 (2023).

4 Zhao, F. et al. Structural insights into multiplexed pharmacological actions of tirzepatide and peptide 20 at the GIP, GLP-1 or glucagon receptors. Nat Commun 13, 1057, doi:10.1038/s41467-022-28683-0 (2022).

5 Li, Y. et al. Structural analysis of the dual agonism at GLP-1R and GCGR. Proc Natl Acad Sci U S A 120, doi:10.1073/pnas.2303696120 (2023).

6 Shao, L. et al. Modulating effects of RAMPs on signaling profiles of the glucagon receptor family. Acta Pharm Sin B 12, 637-650, doi:10.1016/j.apsb.2021.07.028 (2022).