上海药物所揭示GPCR胆汁酸受体配体识别和激活的独特机制

  • 上海药物所 (中国科学院上海药物研究所)
  • 创建于 2020-07-24
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  胆汁酸是一类由肝细胞产生,并由胆管分泌到肠道的两亲性代谢产物,在消化过程中对人体摄入的脂肪有重要的乳化作用。肝脏生成的两种初级胆酸可由肠道菌群进一步代谢为多种次级胆酸,对代谢和炎症相关的生理过程有重要的调节作用。胆汁酸及其受体为核心构成的肝脏-胆汁酸-肠道菌群信号转导轴,是近期生物医学研究的热点之一。最近研究表明,许多天然胆汁酸及其衍生物对原发性胆汁性胆管炎(PBC)、非酒精性脂肪性肝炎(NASH)、和II型糖尿病等疾病有治疗作用。

  在生物体内,胆汁酸主要通过激活膜受体(GPBAR/TGR5)和核受体FXR发挥作用。GPBAR是G蛋白偶联受体(GPCR),胆汁酸的许多有益作用可归因于GPBAR与Gs信号途径,如降血糖作用,促白色脂肪细胞组织褐化,对抗脂肪变性等。最新研究也表明,胆汁酸可激活GPBAR与β-arrestin的相互作用,并介导抗病毒的天然免疫反应。然而,GPBAR激活导致的胆囊肥大及皮肤搔痒等副作用影响了靶向该受体的新药研发。因此,从分子层面解析GPBAR如何识别不同胆汁酸并偏向性激活下游通路的机制,对GPBAR生理功能的理解及靶向该受体的新药研发具有重大意义。

  7月22日,国际学术期刊Nature在线发表了浙江大学医学院、良渚实验室(系统医学与精准诊治浙江省实验室)张岩研究员团队,中科院上海药物研究所谢欣研究员团队以及山东大学基础医学院的于晓教授和孙金鹏教授团队通力合作的研究论文“Structural basis of GPBAR activation and bile acid recognition”。

  该研究中,科学家们首次利用单颗粒冷冻电镜重构技术解析了胆汁酸受体GPBAR在合成配体P395以及胆汁酸类似物INT-777作用下与Gs蛋白三聚体形成的复合物的高分辨率结构(图1),明确了GPBAR对两亲性配体的识别机制,揭示了GPBAR识别多种胆汁酸的指纹图谱。研究发现GPBAR的配体结合口袋中由第五个螺旋及两个胞外环来构成疏水侧面,从而面对胆汁酸的疏水一面,而胆汁酸的另一个亲水结合面则朝向螺旋6和7之间的亲水氨基酸集团,形成特异性的相互作用。通过对内源性胆汁酸类似物INT-777与GPBAR的结合模式的分析,以及内源性配体CA、DCA、DCA、LCA、TCA、GCA、TDCA、UDCA和TUDCA的配体结合,经过生化及药理学分析,联合团队找到了GPBAR识别不同胆汁酸的指纹图谱(图2)。这为深入理解胆汁酸的作用机理以及针对于GPBAR的药物设计提供了理论基础。

  其次,科研团队鉴定了天然胆汁酸结合受体的别构位点(图3a)。通过电镜结构解析,团队发现GPBAR受体TM3-5附近存在配体第二个结合口袋。通过对内源性配体的结构及生化数据分析,科研人员发现10种胆汁酸中的5个具有12-OH的胆汁酸可以结合在该位点上,并别构调控胆汁酸受体激活的过程(图3b)。这为理解胆汁酸如何作用于其膜受体的生理过程,以及发展和开发别构位点的小分子药物提供理论基础。

  此外,团队还阐明了GPBAR非经典激活机制以及受体第三个胞内环的重要功能,探究了不同配体介导受体下游信号偏向性的结构基础,扩展了人们对GPCR激活机制和对GPCR-G蛋白的偶联的新机制的认识,为开发偏向性配体及药物的开发提供理论基础。

  本研究对肝肠轴的信号转导机制研究,以及GPCR的激活过程等都将产生广泛的影响。考虑到GPBAR在代谢和免疫调节中的重要作用,GPBAR与激动剂的高分辨率结构以及这些新的发现将促进基于结构的药物设计。

  山东大学基础医学院博士后杨帆、副教授肖鹏及博士郭璐璐、林婧宇、吴襄、浙江大学基础医学院博士后毛春友、明倩倩为共同第一作者;张岩研究员,于晓教授、谢欣研究员和孙金鹏教授为本论文共同通讯作者。

  谢欣,金沙国际唯一官网amjs-金沙国际唯一官网amjs博士生导师,上海药物所研究员,主要从事基于GPCR的新药发现及机制研究,以及小分子化合物调控干细胞命运的研究。本研究工作得到国家自然科学基金委杰出青年基金及重点基金的支持。

  论文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-020-2569-1

图1:P395和INT-777激活的GPBAR-Gs复合物结构(分辨率为3.0 angstrom)

图2:受体识别内源性胆汁酸的结构指纹图谱

图3:GPBAR受体上的别构调控口袋

图4:感知多样胆汁酸的分子机制

责任编辑:余玉婷
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