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上海藥物所解析人源葡萄糖依賴性促胰島素釋放多肽受體三維結(jié)構(gòu)

2021-08-03 16:14
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來源：中國科學(xué)院官網(wǎng)

葡萄糖依賴性促胰島素釋放多肽受體（Glucose-dependent insulinotropic polypeptide receptor, GIPR）屬于B1類G蛋白偶聯(lián)受體，在脂肪生成、胰島β細(xì)胞增殖和胰島素釋放等方面發(fā)揮重要作用，與2型糖尿病、肥胖癥和神經(jīng)退行性疾病相關(guān)。該受體的內(nèi)源性配體為葡萄糖依賴性促胰島素釋放多肽（GIP1-42），由John Brown在20世紀(jì)70年代分離而得。GIP1-42激活GIPR后，可調(diào)節(jié)餐后血糖濃度。在高血糖條件下，GIP1-42作用于胰島β細(xì)胞促進(jìn)胰島素的分泌；在低血糖條件下，它刺激胰島α細(xì)胞釋放胰高血糖素，從而作為一種雙功能激素發(fā)揮維持血糖穩(wěn)態(tài)的功能。近年來，GIPR和胰高血糖素樣肽-1受體雙重激動劑在2型糖尿病的臨床研究中表現(xiàn)良好，有望開辟新的治療方向。

近期，中國科學(xué)院上海藥物研究所王明偉、楊德華團(tuán)隊攜手徐華強(qiáng)團(tuán)隊在eLife上，發(fā)表了題為Structural insights into hormone recognition by the human glucose-dependent insulinotropic polypeptide receptor的研究論文。該研究報道了人源GIPR與GIP1-42和Gs蛋白復(fù)合物的高分辨率冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，揭示了GIPR的配體識別和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的分子機(jī)制，從而完成了與血糖調(diào)節(jié)密切相關(guān)的三個受體——胰高血糖素受體（2013）、胰高血糖素樣肽-1受體（2017）和GIPR三維結(jié)構(gòu)的全解析，深化了學(xué)界對其在配體識別、受體激活和交叉反應(yīng)等方面異同性的認(rèn)識，為基于多重藥理學(xué)的藥物發(fā)現(xiàn)提供了結(jié)構(gòu)信息。

為了增強(qiáng)GIPR與Gs蛋白形成的復(fù)合物之穩(wěn)定性，研究人員采用NanoBiT系連技術(shù)，分別在GIPR和Gs蛋白上引入LgBiT和HiBiT（Peptide 86）以增加蛋白之間的相互作用，同時對受體進(jìn)行單點突變以提高復(fù)合物的穩(wěn)定性，反復(fù)優(yōu)化實驗條件后，獲得了顆粒均一且性狀穩(wěn)定的高質(zhì)量蛋白復(fù)合物，通過在上海藥物所冷凍電鏡平臺進(jìn)行多輪300 kV數(shù)據(jù)的收集和處理后，最終獲得分辨率為2.9?的三維結(jié)構(gòu)（圖1）。該結(jié)構(gòu)顯示，GIP1-42的N端插入到GIPR的跨膜域（Transmembrane domain, TMD）中，配體的C端則與胞外環(huán)1（Extracellular loop 1, ECL1）緊密相連。GIPR的ECL1與TM2和3一致向上，然后向內(nèi)接近其TMD的中心（5-7?），使得GIP1-42較之胰高血糖素樣肽-1和胰高血糖素對應(yīng)其各自受體向TM1分別位移了2.7?和3.3?。定點突變等實驗驗證了GIPR獨特的配體識別和受體激活機(jī)制，拓展了對B1類G蛋白偶聯(lián)受體結(jié)構(gòu)與功能的理解。

對比胰高血糖素受體、胰高血糖素樣肽-1受體和GIPR的配體識別模式，研究人員發(fā)現(xiàn)，這三個受體均具有與配體共性區(qū)域結(jié)合的保守氨基酸殘基，其與各自內(nèi)源性配體特異性識別主要依賴配體與受體上非保守殘基的選擇性結(jié)合。具體來說，基于序列相似性將多肽可分為四個片段：兩個保守的片段域（GIP1-42中第4-11和21-30位氨基酸）和兩個獨特的片段域（GIP1-42中第1-3和12-20位氨基酸）（圖2）。配體的N端（第1-3位氨基酸）與B1類受體的極性中心產(chǎn)生大量相互作用，例如，與Q3.37b具有氫鍵相互作用；Y1.47b與多肽的第三位氨基酸形成氫鍵（圖2）；多肽上第4-11位氨基酸與R7.35b形成鹽橋，與Y1.43bII-II重疊，與L2.71b、W5.36b和L7.39b形成疏水相互作用，以及和ECL2形成氫鍵等（圖2）；多肽上第12-20位氨基酸序列則差別較大，主要與ECL1、ECL2和TM1以及TM2相互作用（圖2）。受體為了能夠合理地結(jié)合不同長度的氨基酸側(cè)鏈，其TM1和ECL1會調(diào)整它們的構(gòu)象以避免引起混亂，影響配體結(jié)合。胰高血糖素樣肽-1受體的ECL1與胰高血糖素樣肽-1之距離相比GIPR的ECL1與GIP1-42的距離更遠(yuǎn)。然而，對胰高血糖素受體來說，胰高血糖素上的R18P（P代表多肽上的氨基酸）則排斥其受體。因此，受體特異性結(jié)合配體的區(qū)域可能就位于此，使得胰高血糖素樣肽-1和胰高血糖素均難以結(jié)合GIPR。至于配體的C端，三種多肽均與胞外域產(chǎn)生廣泛的疏水相互作用（圖2）。

研究工作獲得國家自然科學(xué)基金委員會、國家衛(wèi)生健康委員會、科學(xué)技術(shù)部和上海市科學(xué)技術(shù)委員會等的資助。