通过代谢型谷氨酸受体异源二聚体结构揭示新型功能调控机制
代谢型谷氨酸受体(Metabotropic glutamate receptor,mGlu)是人体内最重要的神经递质受体之一,通过与兴奋性神经递质——谷氨酸结合,调控神经信号的传递。其生理功能涉及学习、认知、记忆及情绪调控等,是阿尔兹海默症、帕金森病、焦虑症等重大神经系统疾病潜在的治疗靶点。mGlu属于C类G蛋白偶联受体(G protein-coupled receptor,GPCR)家族,不同于其它类型GPCR,C类GPCR必须形成二聚体,才能发挥功能。近年来,越来越多的研究表明,mGlu除了形成同源二聚体以外,不同亚型之间还可组装成多种类型的异源二聚体。这些异源二聚体发挥的功能不同于同源二聚体,使该家族受体的功能调控机制进一步复杂化和多样化。然而,mGlu异源二聚体的二聚化模式、功能调控模式以及信号转导机制还不清楚,极大地制约了这类重要受体的生理、病理机制研究和药物研发。中国科学院上海药物研究所吴蓓丽课题组和赵强课题组长期致力于mGlu家族的结构与功能研究,取得了一系列突破性进展。2021年,该团队在Nature“背靠背”发表两篇研究论文,报道了多种人源mGlu受体处于多种功能状态的三维结构,并开展深入的功能研究,首次全面阐释mGlu同源二聚体从非活化到完全活化的精细构象变化,揭示其复杂的信号转导机制。此次,该联合研究团队与中国科学院上海药物研究所许叶春课题组合作,针对两种不同类型mGlu异源二聚体开展系统的结构和功能研究,解析了12个不同功能状态的冷冻电镜结构,包括mGlu2–mGlu3异源二聚体分别处于非激活、非激活中间态、激活中间态和完全激活态(与Gi蛋白结合)的三维结构,以及mGlu2–mGlu4异源二聚体处于激活中间态和完全激活态的结构,揭示这些异源二聚体非对称激活的分子机制,并发现新型功能调控位点,极大地促进了对于mGlu异源二聚体信号转导和功能调控机制的深入理解,为靶向mGlu的药物开发提供了新思路。相关研究论文“Structural insights into dimerization and activation of the mGlu2–mGlu3 and mGlu2–mGlu4 heterodimers”于2023年6月8日在Cell Research 在线发表。
研究人员通过在实验体系中添加不同类型的拮抗性配体(包括正构配体和变构配体),解析了6个mGlu2-mGlu3的非激活态结构。发现该异源二聚体与不同配体结合时,mGlu2亚基和mGlu3亚基通过不同方式组装成二聚体。研究团队进一步利用二硫键交联实验,证实了这些不同二聚化模式的存在。这些研究结果表明,当mGlu2-mGlu3异源二聚体处于非激活态时,受体构象具有多样性与动态性。以往研究表明,除了非激活态和完全激活态以外,mGlu二聚体还具有多种中间态,使其功能调控进一步精细化。然而,捕捉这些中间状态的信息十分困难,相关分子机制一直未被阐明。为了全面揭示mGlu的信号转导机制,研究团队首次解析了mGlu2-mGlu3异源二聚体处于非激活中间态的三维结构,发现其中mGlu3亚基的胞外结构域处于激活的闭合状态,而mGlu2亚基的胞外结构域则处于非激活的开放状态。利用分子动力学模拟和突变体功能研究,发现mGlu3亚基的胞外结构域具备更强的闭合能力,且该亚基胞外结构域的闭合足以使整个异源二聚体激活,而mGlu2亚基发挥的作用则较弱。这些发现表明,mGlu3亚基的胞外结构域在mGlu2-mGlu3的激活过程中起主导作用。这项研究的另外一项重要成果是揭示了mGlu异源二聚体非对称信号转导机制。以往人们发现,每一种mGlu异源二聚体会特异性地选择其中一个特定亚基与G蛋白结合,但相关选择性机制不清楚。研究人员通过结构和功能研究,发现mGlu2-mGlu3利用mGlu2亚基与G蛋白结合,负责信号转导,而mGlu2-mGlu4则利用mGlu4亚基进行信号转导。进一步分析两种异源二聚体的完全激活态结构,并进行突变体细胞信号转导实验,发现各亚基非激活态构象的稳定性以及该亚基与G蛋白的结合能力,是决定其在信号转导中发挥作用的关键因素,即亚基的非激活态构象越不稳定,与G蛋白的结合能力越强,在信号转导中发挥的作用越重要。这是首次阐明mGlu异源二聚体非对称信号转导的精细分子基础,对于深入理解其功能调控机制具有重要意义。
图示:代谢型谷氨酸受体异源二聚体结构示意图。代谢型谷氨酸受体在调节神经信号传递中发挥关键作用,是重大神经系统疾病的潜在药物靶点。图中处于不同功能状态的四个mGlu2-mGlu3异源二聚体结构用飘带图表示,其中蓝色飘带为mGlu2亚基,紫色飘带为mGlu3亚基。从左下到右上分别为非激活态、非激活中间态、激活中间态以及完全激活态。完全激活态中的G蛋白的三个亚基分别用粉色、浅蓝色和浅灰色表示。谷氨酸和小分子变构配体JNJ-40411813分别用红色小球和绿色小球表示。此外,研究人员还首次在mGlu二聚体作用界面上发现了一个全新的药物作用位点。在mGlu2-mGlu4与Gi蛋白结合的复合物结构中,mGlu4的变构激动剂ADX88178位于两个亚基跨膜结构域的作用界面上,通过与两个亚基形成紧密的相互作用,稳定该异源二聚体的非对称二聚化模式,从而促进其激活。与之不同的是,mGlu2的变构激动剂JNJ-40411813的结合位点位于mGlu2亚基的跨膜结构域的结合口袋中,通过稳定该亚基激活态构象的方式激活受体。这些不同的作用模式充分体现了mGlu变构配体作用机制的多样性,为精准靶向mGlu的药物研发提供了全新的思路。文章链接:https://doi.org/10.1038/s41422-023-00830-2
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