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山東大學(xué)背靠背兩篇Nature

來源:山東大學(xué)      2022-04-14
導(dǎo)讀:4月13日,山東大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院孫金鵬和于曉教授團隊在Nature雜志背靠背發(fā)表兩篇關(guān)于粘附類G蛋白偶聯(lián)受體(adhesion GPCR,aGPCR)的研究成果,闡明aGPCR自激活及對機械力感知的機制,提出aGPCR激活的“手指模型”并創(chuàng)新性構(gòu)思出通用多肽配體拮抗劑的開發(fā)方案。

4月13日,山東大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院孫金鵬于曉教授團隊在Nature雜志分別以 “Structural basis for the tethered peptide activation of adhesion GPCRs”和“Tethered peptide activation mechanism of the adhesion GPCR ADGRG2 and ADGRG4”為題,背靠背發(fā)表兩篇關(guān)于粘附類G蛋白偶聯(lián)受體(adhesion GPCR,aGPCR)的研究成果,闡明aGPCR自激活及對機械力感知的機制,提出aGPCR激活的“手指模型”并創(chuàng)新性構(gòu)思出通用多肽配體拮抗劑的開發(fā)方案。

第一項研究成果由山東大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院、高等醫(yī)學(xué)研究院孫金鵬教授主導(dǎo),聯(lián)合中科院上海藥物所徐華強教授及德國Rudolf Sch?nheimer研究所Ines Liebscher教授團隊共同完成。山東大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院為第一作者單位,孫金鵬教授、徐華強研究員和Ines Liebscher教授為論文的共同通訊作者,基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院博士研究生平玉奇,肖鵬教授,楊帆教授,博士研究生趙儒嘉、郭盛超、嚴旭和吳襄為論文的共同第一作者。第二項研究工作由于曉教授與孫金鵬教授團隊共同主導(dǎo),聯(lián)合國家蛋白質(zhì)中心孔亮亮課題組、西安交通大學(xué)張磊教授團隊完成,孫金鵬教授、于曉教授、孔亮亮和張磊教授為共同通訊作者,山東大學(xué)第二醫(yī)院為第一作者單位,肖鵬教授,郭盛超,基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院博士研究生文鑫、賀慶濤、林慧、黃深明,西安交通大學(xué)張磊教授團隊博士研究生緱璐為論文的共同第一作者。


圖1 aGPCR依賴Stachel激活的三種假設(shè)模型

“力”能決定細胞命運,生命體對力的感知非常重要,機械力刺激驅(qū)動許多生理過程,對于細胞的動態(tài)以及機體的正常生長運行都是至關(guān)重要的。在“Structural basis for the tethered peptide activation of adhesion GPCRs”研究工作中,孫金鵬教授團隊以粘附類受體GPR133和GPR114作為模型進行結(jié)構(gòu)分析,探究 Stachel序列介導(dǎo)的aGPCR激活機制(圖1)。發(fā)現(xiàn)GPR133 GPS位點發(fā)生水解,在質(zhì)膜上發(fā)生NTF-CTF分離,GPR114不發(fā)生自水解,能夠感知機械力。并且通過功能實驗證明了受體感知機械力后通過Stachel序列激活受體,冷凍電鏡結(jié)構(gòu)解析進一步確定了Stachel中的5個疏水氨基酸組成的保守HIM (Fss-03xφφφxφss-09)在Stachel序列與受體相互作用中起著核心作用,揭示了粘附類受體在機械力作用下依賴Stachel序列激活的激活機制,對Stachel序列介導(dǎo)的aGPCR與G蛋白偶聯(lián)機制有了深入了解。

圖2 發(fā)展aGPCR通用的肽拮抗劑改造策略

a.Stachel肽基激動劑和拮抗劑的序列比對。通過Fss03突變?yōu)镈ss03或Ess03,用藍色框標出。Ψ: 4-MeF。b. Stachel肽基拮抗劑F601D和F601E影響ADGRG2介導(dǎo)的CFTR電流響應(yīng)。

在“Tethered peptide activation mechanism of the adhesion GPCR ADGRG2 and ADGRG4”研究工作中,于曉教授和孫金鵬教授團隊通過冷凍電鏡技術(shù)解析了Stachel序列激活的ADGRG2-β-Gs和ADGRG4-β-Gs的復(fù)合物結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)了Stachel序列中5個疏水氨基酸呈手指狀分布,在Stachel序列介導(dǎo)的激活過程中起到了主要作用,因此提出了aGPCR激活的通用“finger”模型激活模式,并命名為手指模型。

前期,于曉教授和孫金鵬教授團隊曾報道了基于ADGRG2Stachel序列改造的短肽激動劑配體VPM-p15,本研究結(jié)合aGPCR激活的手指模型,進一步優(yōu)化改造獲得了高親和力的VPM-IP15配體,基于IP15與ADGRG2全長的冷凍電鏡結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)與受體疏水作用的增強揭示了IP15配體與全長ADGRG2親和力提高的具體機制。之后通過一系列生化實驗發(fā)現(xiàn)IP15中Fss03替換為D/E的負電改造使其成為ADGRG2的拮抗劑。這種通過多肽激動劑進行負電改造獲得多肽拮抗劑的策略,如同在激活的手指模型的食指上帶了個戒指,決定性地改變了粘附類受體多肽地功能(圖2)。本研究針對Fss03進行極性改造,開發(fā)了一種aGPCR家族拮抗性短肽配體的通用改造方法。

兩項研究工作在課題開展、思路凝練和文章寫作等方面分別得到了山東大學(xué)齊魯醫(yī)院馮世慶教授、山東大學(xué)第二醫(yī)院王傳新教授的指導(dǎo)和大力支持。孫金鵬教授與馮世慶教授長期以來就粘附類受體展開一系列合作,目前已取得顯著進展(PNAS 2022),推動了靶向粘附類受體的疾病的藥物設(shè)計與開發(fā);孫金鵬教授與王傳新教授長期以來就粘附類受體展開合作,篩選并鑒定了多個GPCR腫瘤標志物靶點;針對粘附類受體開發(fā)了特異性探針,實現(xiàn)了粘附類受體的特異性標記,為靶向粘附類受體相關(guān)疾病的鑒定和治療奠定了基礎(chǔ)。

于曉教授課題組長期聚焦于胰島穩(wěn)態(tài)的作用及調(diào)節(jié)機制,闡明了跨膜信號轉(zhuǎn)導(dǎo)對胰島β細胞分泌功能及胰島穩(wěn)態(tài)的精確調(diào)控機制,包括GPCR下游偏好性信號途徑和第二信使的信號時序等(Cell Metabolism 2022, Nature 2020,EMBO Reports 2021,eLife 2018,Nature Commun 2021);揭示了胰島中δ-β細胞環(huán)路在胰島穩(wěn)態(tài)維持中的重要作用(J Clin Invest. 2017,Cell Discov. 2020,Cell Death Dis. 2018);開發(fā)了選擇性調(diào)節(jié)G蛋白偶聯(lián)受體和PEST磷酸酶亞家族活力來對胰島穩(wěn)態(tài)失衡發(fā)展新的干預(yù)策略(Cell 2021,PNAS 2021,Cell Research 2014,Cell Reports 2016)等。

孫金鵬教授課題組長期從事膜受體G蛋白偶聯(lián)受體(GPCR)的相關(guān)研究,聚焦于GPCR功能多樣性的細胞機制以及針對GPCR的藥物發(fā)展,在aGPCR家族中發(fā)現(xiàn)了GPR97是糖皮質(zhì)激素的膜受體,發(fā)現(xiàn)血管緊張素受體的內(nèi)源性別構(gòu)調(diào)節(jié)因子COMP及高同半胱氨酸可以直接激活A(yù)T1R等(Nature 2021,Cell Research 2021,Nature Commun 2017,2021, PNAS 2022);創(chuàng)新性地提出了GPCR磷酸化編碼的“笛子模型”(Nature Commun 2015,2021, PNAS 2021),多聚脯氨酸碼頭分選及別構(gòu)建調(diào)控理論(Nature Chem Biol 2018);闡明了多個GPCR對胰島功能,糖代謝和體外組織再造的調(diào)控作用,為進一步靶向GPCR偏向性信號途徑的藥物設(shè)計提供了指導(dǎo)(Biol Psychiatry 2017, Diabetologia 2014,Br J Pharmacol 2015);闡明了快樂激素多巴胺受體以及肝腸軸樞紐膽汁酸受體識別其內(nèi)源性配體,及偏好性信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)以及癢覺感知的分子機制(Nature 2020,2021a,2021b,Nature 2022b, Cell 2021)等。

兩項研究都得到國家重點研發(fā)計劃基金、國家杰出青年科學(xué)基金、國家優(yōu)秀青年科學(xué)基金、自然基金委重點基金和山東省優(yōu)秀青年基金的支持。

文章鏈接

1.Structural basis for the tethered peptide activation of adhesion GPCRs

2.Tethered peptide activation mechanism of the adhesion GPCR ADGRG2 and ADGRG4


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