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近日，中國科學(xué)院上海藥物研究所吳蓓麗研究組、趙強研究組聯(lián)合上海科技大學(xué)水雯箐研究組，在孤兒受體信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機制研究方面取得突破性進展。該研究團隊成功解析兩種黏附類GPCR（adhesion GPCR）ADGRD1和ADGRF1分別與G蛋白結(jié)合的復(fù)合物三維結(jié)構(gòu)，并開展了深入的功能相關(guān)性研究，首次闡明這類孤兒受體自發(fā)激活的分子機制，為研究該類受體的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機理和未來的藥物設(shè)計提供了重要依據(jù)。相關(guān)研究論文于北京時間2022年4月13日在國際頂級學(xué)術(shù)期刊Nature上在線發(fā)表。

黏附類GPCR包含33種受體，參與調(diào)控免疫反應(yīng)、器官發(fā)育和細胞通訊等生理過程，與精神分裂癥、多動癥和癌癥等多種疾病密切相關(guān)。然而，該類受體是目前研究最不透徹的GPCR家族，幾乎所有成員都是配體未知和功能不明的孤兒受體，其結(jié)構(gòu)和功能研究的匱乏嚴重制約了相關(guān)的藥物研發(fā)進程。ADGRD1和ADGRF1作為兩種黏附類受體，被發(fā)現(xiàn)是多種癌癥的致癌基因，但其在分子水平上如何被激活和調(diào)控，相關(guān)的作用機制仍不清楚。

此次，上海藥物所的聯(lián)合研究團隊通過測定ADGRD1和ADGRF1分別與G蛋白結(jié)合的復(fù)合物結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)受體自身的一部分可作為內(nèi)源性激動劑，使受體激活。這個充當激動劑的部分是位于受體胞外結(jié)構(gòu)域和跨膜結(jié)構(gòu)域之間的一段多肽（包含約20個氨基酸），被稱為“stalk”。該區(qū)段通過與受體跨膜結(jié)構(gòu)域作用，導(dǎo)致跨膜螺旋發(fā)生構(gòu)象變化，從而激活受體，使其與G蛋白結(jié)合。這種受體自發(fā)激活方式從未在其它類型GPCR中被發(fā)現(xiàn)，充分體現(xiàn)了黏附類受體信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機制的獨特性。

ADGRD1和ADGRF1分別與G蛋白結(jié)合的復(fù)合物三維結(jié)構(gòu)動圖

不同于其它GPCR，黏附類受體的N端含有一個巨大的胞外結(jié)構(gòu)域，不同類型黏附類受體的胞外結(jié)構(gòu)域組成差異巨大。盡管如此，幾乎所有黏附類受體的胞外結(jié)構(gòu)域中都包含一個自剪切結(jié)構(gòu)域（GPCR autoproteolysis-inducing, GAIN），該結(jié)構(gòu)域中含有一個自剪切位點，使受體斷裂成N端和C端兩個部分，自剪切位點和跨膜結(jié)構(gòu)域之間的區(qū)段即為stalk。以往研究發(fā)現(xiàn)，雖然受體發(fā)生斷裂，stalk仍然與GAIN結(jié)構(gòu)域的其它部分緊密結(jié)合。而ADGRD1和ADGRF1與G蛋白的復(fù)合物結(jié)構(gòu)顯示，stalk從GAIN結(jié)構(gòu)域中脫離，發(fā)生顯著的構(gòu)象變化，促使其伸入到受體跨膜結(jié)構(gòu)域的結(jié)合口袋中，這說明stalk的構(gòu)象重排對于受體激活至關(guān)重要。

以往人們普遍認為黏附類受體發(fā)生自剪切有利于GAIN結(jié)構(gòu)域釋放stalk，從而促進受體自激活。然而，此次研究人員將ADGRD1和ADGRF1的自剪切位點突變，使其喪失自剪切能力，受體激活下游信號通路的能力卻沒有發(fā)生顯著變化。更加出乎意料的是，研究人員進一步解析了ADGRF1自剪切突變體與G蛋白的復(fù)合物結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)stalk仍能通過同樣的方式與跨膜結(jié)構(gòu)域作用激活受體。這些研究結(jié)果表明，自剪切對于stalk釋放和受體自激活不是必需的。

黏附類受體結(jié)構(gòu)示意圖。黏附類受體在細胞黏附和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中發(fā)揮重要作用，是癌癥和神經(jīng)系統(tǒng)疾病等的潛在藥物作用靶點。圖中處于不同功能狀態(tài)的ADGRF1結(jié)構(gòu)或模型用橙色飄帶圖表示，受體中的stalk區(qū)域用紅色表示，脂分子LPC用綠色表示，GAIN結(jié)構(gòu)域為磚紅色，G蛋白的三個亞基分別為黃色，淺粉色和淺灰色。（圖片由吳蓓麗研究組提供）

ADGRD1和ADGRF1的氨基酸序列相似性很低，但這兩種受體的結(jié)構(gòu)顯示stalk與跨膜結(jié)構(gòu)域之間形成的相互作用力非常相似，提示不同類型黏附類受體可能通過類似的方式自發(fā)激活下游信號通路。進一步分析發(fā)現(xiàn)，不同跨膜螺旋中的氨基酸憑借彼此間的相互作用形成一系列作用力核心，這些作用力核心像傳遞“接力棒”一樣，將stalk在受體細胞外側(cè)區(qū)域引發(fā)的構(gòu)象變化向細胞內(nèi)側(cè)方向傳送，最終完全激活受體。對受體的功能研究顯示，將構(gòu)成這些作用力核心的氨基酸突變后，受體自激活的能力顯著下降，表明這些作用力對于受體激活至關(guān)重要。

這些結(jié)構(gòu)和功能信息為藥物設(shè)計提供了精準的模板，將有助于靶向這兩種黏附類受體的癌癥治療藥物開發(fā)。

該研究的另外一項重要發(fā)現(xiàn)是一種天然脂分子通過與ADGRF1特異性結(jié)合對受體功能進行調(diào)控。聯(lián)合研究團隊在ADGRF1與G蛋白的復(fù)合物結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)一個脂分子與受體中G蛋白結(jié)合口袋附近的一個位點結(jié)合，而在另一個受體ADGRD1的結(jié)構(gòu)中則沒有發(fā)現(xiàn)脂分子。研究人員進一步利用質(zhì)譜與組學(xué)技術(shù)鑒定該脂分子的結(jié)構(gòu)為溶血磷脂膽堿（lysophosphatidylcholine，LPC）。進一步的功能研究表明，LPC可能通過穩(wěn)定受體胞內(nèi)側(cè)區(qū)域的構(gòu)象促進受體激活。這是首次發(fā)現(xiàn)細胞膜的脂質(zhì)成分LPC與GPCR結(jié)合并對受體功能發(fā)揮調(diào)控作用，極大地拓展了對于GPCR功能調(diào)控機制的認識。

圖為本研究部分第一作者。左起邱娜、瞿向利、王沐。

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04580-w