王明伟/杨德华/周庆同团队通过研究GLP-1R、GCGR和GIPR的“裸奔”结构揭示其激活前与G蛋白的预偶联状态

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G蛋白偶联受体(G protein-coupled receptor, GPCR)是人体内最大的膜蛋白家族,调控各种生命活动并与许多疾病密切相关,因此是最为常见的药物作用靶点之一1。B1类GPCR是一类多肽激素受体,包括胰高血糖素样肽-1受体(Glucagon-like peptide-1 receptor, GLP-1R)、胰高血糖素受体(Glucagon receptor, GCGR)和葡萄糖依赖性促胰岛素释放多肽受体(Glucose-dependent insulinotropic polypeptide receptor, GIPR)等15个家族成员,而上述三种受体对维持机体血糖稳态和代谢功能至关重要,为2型糖尿病和肥胖症的治疗靶标。

得益于冷冻电镜技术的快速发展,过去5年间,所有与G蛋白结合的激活态B1类GPCR结构都被成功解析2。在此过程中,人们在单颗粒数据分析时能观察到未与多肽结合但却偶联G蛋白的构象特征,提示B1类GPCR可能存在无配体结合但和G蛋白预偶联的新构象。为了证实这一现象,我国科学家以GLP-1R、GCGR和GIPR为对象,在没有内源性配体存在的条件下成功解析了它们与Gs蛋白所形成复合物的高清三维结构(图1)。

王明伟/杨德华/周庆同团队通过研究GLP-1R、GCGR和GIPR的“裸奔”结构揭示其激活前与G蛋白的预偶联状态

图1. GLP-1R-Gs、GCGR-Gs和GIPR-Gs复合物的三维结构。

北京时间2024年2月13日以长文形式发表在Cell Discovery上的该项研究(图2)显示,在未与配体结合时,GLP-1R、GCGR和GIPR均能偶联G蛋白,形成与激动剂结合时构象类似的胞内结合口袋,说明受体活化时第六跨膜螺旋(Transmembrane helix 6, TM6)弯折的主要驱动力是Gs蛋白而非激动剂:Gs蛋白不仅成功地打开了受体胞内结合口袋,而且还改变了胞外端之构象,从而使受体稳定在一个与全激活态和非激活态迥异的过渡态(Transitional state,图3)。由于缺乏配体结合,受体胞外环(Extracellular loop, ECL)之构象更为灵活,其中GLP-1R的ECL3向外拓展,正构位点的部分残基形成互作网络来稳定跨膜域构象,GIPR的TM6–ECL3向内弯折覆盖正构位点,而GCGR的ECL2向内伸展并占据配体结合口袋,三者都被锁定在过渡态(图3)。尽管此时三个受体具有不同的胞外侧构象特征,但HETY基序(H2.50b–E3.50b–T6.42b–Y7.57b)和胞内侧极性残基互作网络(R2.46b–R6.37b–N7.61b–E8.49b)都因结合G蛋白而处于激活状态——当激动剂存在时,受体很快地被重塑到全激活态,并通过改变L6.48b–Y7.57b–N7.61b–E8.49b–E392GαH5基序的构象来触发信号转导。由此可见,这种过渡态即受体与Gs蛋白的预偶联能够降低B1类GPCR激活过程中TM6中部发生比A类受体更显著向外弯折、打开胞内末端所需的较高能量壁垒。与传统的“Agonist-first”模式相比,这种“G protein-first”模式或能使受体在结合配体后被更快地激活。综上,该研究通过GLP-1R、GCGR和GIPR的“裸奔”结构揭示了B1类GPCR激活中的过渡态,即激活前G蛋白之预偶联,为深入认识GPCR激活机制和信号转导提供了新的信息。

王明伟/杨德华/周庆同团队通过研究GLP-1R、GCGR和GIPR的“裸奔”结构揭示其激活前与G蛋白的预偶联状态

图2. 论文首页

王明伟/杨德华/周庆同团队通过研究GLP-1R、GCGR和GIPR的“裸奔”结构揭示其激活前与G蛋白的预偶联状态

图3. 激活过程中受体在不同状态下的构象特征。

复旦大学基础医学院研究助理丛朝彤和中国科学院上海药物所副研究员赵丰辉为该文的共同第一作者,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研究员杨德华和三亚深海化合物资源中心主任、海南医学院特聘教授王明伟为该文的共同通讯作者。该项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、国家科学技术部以及中国博士后科学基金委员会等机构的经费资助。

论文链接:https://doi.org/10.1038/s41421-024-00649-0

References

1 Yang, D. et al. G protein-coupled receptors: structure- and function-based drug discovery. Signal Transduct Target Ther 6, 7, doi:10.1038/s41392-020-00435-w (2021).
2 Cong, Z. et al. Structural perspective of class B1 GPCR signaling. Trends Pharmacol Sci 43, 321-334, doi:10.1016/j.tips.2022.01.002 (2022).

王明伟/杨德华/周庆同团队通过研究GLP-1R、GCGR和GIPR的“裸奔”结构揭示其激活前与G蛋白的预偶联状态

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本篇文章来源于微信公众号: 药时代

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