中國科大結(jié)合冷凍電鏡及NMR等技術(shù)揭示鈣敏感受體CaSR非對(duì)稱激活的分子機(jī)制

近日，我校生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部田長麟教授課題組首次解析了人源鈣敏感受體(Ca2+Sensing Receptor, CaSR)與下游信號(hào)傳導(dǎo)蛋白Gq的高分辨三維復(fù)合物結(jié)構(gòu)，結(jié)合細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和核磁共振(NMR)揭示了CaSR蛋白受激動(dòng)劑、正向別構(gòu)調(diào)節(jié)劑等分子非對(duì)稱激活的分子機(jī)制，相關(guān)研究成果以“Structural insights into asymmetric activation of the calcium-sensing receptor-Gq complex”為題于2023年11月2日在線發(fā)表在《Cell Research》雜志上。

鈣離子敏感受體（CaSR）是C家族G蛋白偶聯(lián)受體（GPCR）的一員,廣泛分布于甲狀旁腺、腸道、骨骼和腎臟等組織器官中。CaSR感應(yīng)血液中鈣離子的濃度,并通過平衡鈣離子的吸收和外排從而維持人體中的鈣離子平衡。由于鈣離子參與信號(hào)傳遞、凝血、肌肉收縮、骨骼生成等眾多重要生理活動(dòng),因此CaSR維持血鈣穩(wěn)定對(duì)人體生命活動(dòng)至關(guān)重要，其功能異常將會(huì)導(dǎo)致各種疾病。

CaSR是人體中非常重要的藥物靶標(biāo)蛋白，目前已經(jīng)有多個(gè)正向變構(gòu)調(diào)節(jié)劑藥物成功獲批上市，它們分別結(jié)合在CaSR受體不同的靶點(diǎn)上：其中小分子藥物cinacalcet和evocalcet結(jié)合在跨膜結(jié)構(gòu)域；多肽藥物Etelcalcetide結(jié)合在胞外VFT結(jié)構(gòu)域；而小分子藥物Upacicalcet則結(jié)合在胞外的芳香族氨基酸結(jié)合口袋中。CaSR激活的分子機(jī)制研究將進(jìn)一步助力靶向該受體的藥物研發(fā)。

圖1.CaSR在激動(dòng)劑、別構(gòu)調(diào)節(jié)劑作用下與下游信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白Gq的非對(duì)稱結(jié)合模式

針對(duì)CaSR這一重要的藥物靶標(biāo)蛋白，田長麟教授課題組開展了長期系統(tǒng)性的研究，2021年課題組國際上首次解析了全長CaSR蛋白的三維結(jié)構(gòu)（Cell Research2021），揭示了受體在鈣離子和芳香族氨基酸兩種激動(dòng)劑協(xié)同作用下，從非活性構(gòu)象轉(zhuǎn)變成活性構(gòu)象的結(jié)構(gòu)機(jī)制。在此之后，國際上多個(gè)課題組也相繼在《Nature》《PNAS》《eLife》《Science Advances》等期刊上分別發(fā)表了CaSR受體在無配體、多個(gè)配體或別構(gòu)調(diào)節(jié)劑結(jié)合的三維結(jié)構(gòu)，分別提出了對(duì)稱激活假說以及非對(duì)稱激活假說。然而，由于缺少CaSR與下游信號(hào)蛋白G蛋白三聚體的復(fù)合物高分辨結(jié)構(gòu)，其完整的激活機(jī)制仍然缺失。

經(jīng)過近2年多的努力，田長麟教授課題組再次成功獲得了CaSR-Gq復(fù)合物的高分辨冷凍電鏡三維結(jié)構(gòu)，結(jié)合細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和NMR等實(shí)驗(yàn)揭示了CaSR在激活狀態(tài)下結(jié)合Gq并啟動(dòng)下游信號(hào)傳導(dǎo)的非對(duì)稱激活機(jī)制。CaSR-Gq復(fù)合物結(jié)構(gòu)也是目前第一個(gè)C家族GPCR與Gq結(jié)合的三維結(jié)構(gòu)，揭示了其獨(dú)特特點(diǎn)：（1）有別于A家族或B家族GPCR的Gq蛋白結(jié)合模式，其中Gq蛋白的α5螺旋沒有插入CaSR胞內(nèi)側(cè)的跨膜螺旋深處，而是結(jié)合在受體胞內(nèi)側(cè)的一個(gè)非常淺的口袋中(主要由受體胞內(nèi)loop和TM3胞內(nèi)末端組成)；（2）CaSR-Gq的結(jié)合模式與mGLuR-Gi, GABAB-Gi復(fù)合物的差異，體現(xiàn)了Gq與受體的特異性結(jié)合界面。

團(tuán)隊(duì)結(jié)合冷凍電鏡與NMR技術(shù)，首次揭示了正向別構(gòu)調(diào)節(jié)藥物分子cinacalcet在受體信號(hào)復(fù)合物中的多樣結(jié)合模式：cinacalcet以伸展（extended）和彎曲（bent）兩種不同的構(gòu)象，分別結(jié)合在二聚體CaSR受體的兩個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域的胞外側(cè)結(jié)合口袋中，其中只有結(jié)彎曲-cinacalcet的跨膜結(jié)構(gòu)域的胞內(nèi)能夠偶聯(lián)下游信號(hào)蛋白Gq。和其他GPCR（包括A家族、B家族、C家族等）類似，CaSR僅結(jié)合一個(gè)下游信號(hào)蛋白，且CaSR-Gq復(fù)合物整體處于非對(duì)稱構(gòu)象，而且受體的局部跨膜結(jié)構(gòu)域也處于非對(duì)稱構(gòu)象，cinacalcet以兩個(gè)完全不同的構(gòu)象結(jié)合在兩個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域中。同時(shí)，CaSR單獨(dú)受體（不含Gq蛋白）與cinacalcet的三維結(jié)構(gòu)表明，盡管cinacalcet在兩個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域中都處于bent構(gòu)象，但是CaSR受體本身仍然是處于非對(duì)稱構(gòu)象。

綜合前期的研究成果，研究人員提出了完整的CaSR非對(duì)稱激活機(jī)制，將完善了人們對(duì)C家族GPCR激活機(jī)制的理解，同時(shí)為靶向CaSR的精準(zhǔn)調(diào)控藥物研發(fā)提供了重要理論基礎(chǔ)。

圖2. CaSR非對(duì)稱激活的分子機(jī)制模型