［本站訊］7月22日，山東大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院于曉教授和孫金鵬教授團(tuán)隊(duì)與中科院上海藥物研究所謝欣研究員團(tuán)隊(duì)、浙江大學(xué)張巖研究員團(tuán)隊(duì)通力合作，在《Nature》在線發(fā)表了題為“Structural basis of GPBAR activation and bile acid recognition”的研究論文。山東大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院博士后楊帆、肖鵬副教授及博士生郭璐璐、林婧宇、吳襄，浙江大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院博士后毛春友、明倩倩為共同第一作者；張巖、謝欣、于曉、孫金鵬為共同通訊作者，山東大學(xué)為本論文第一單位。

該研究系統(tǒng)地對(duì)膽汁酸分子和人工激動(dòng)劑激活膽汁酸膜受體的過程及受體下游信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的偏好性進(jìn)行了全面詳細(xì)的探討，揭示了GPBAR參與膽汁酸識(shí)別和其別構(gòu)效應(yīng)的獨(dú)特結(jié)構(gòu)特征，同時(shí)闡明了GPCR超家族中配體結(jié)合口袋與G蛋白結(jié)合位點(diǎn)之間存在著新的激活及相互作用機(jī)制。由于GPBAR在代謝和免疫調(diào)節(jié)中發(fā)揮著重要作用，所以GPBAR與激動(dòng)劑的高分辨率結(jié)構(gòu)以及這些新的發(fā)現(xiàn)將促進(jìn)基于結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計(jì)。

膽汁酸是一類由肝臟細(xì)胞產(chǎn)生并由膽管分泌到腸道的兩親性代謝產(chǎn)物，在消化過程中對(duì)人體攝入的脂肪有重要的乳化作用。除了正常的乳化作用外，結(jié)構(gòu)多樣性的膽汁酸還是重要的體內(nèi)荷爾蒙，對(duì)多種代謝和炎癥相關(guān)的生理過程有重要的調(diào)節(jié)作用?，F(xiàn)在已知，肝臟可以生成兩種初級(jí)膽汁酸：膽酸和鵝脫氧膽酸，并在腸道進(jìn)一步由腸道菌群代謝為多種次級(jí)膽汁酸，具有多種不同的生理功能。因此多種多樣的膽汁酸與其受體的作用通路構(gòu)成了肝臟-膽汁酸-腸道菌群重要的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)軸，是近期生命醫(yī)學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。最近一系列研究表明，許多天然膽汁酸和膽汁酸衍生物對(duì)原發(fā)性硬化性膽管炎(PSC)、非酒精性脂肪性肝炎(NASH)、2型糖尿病和肌萎縮性（脊髓）側(cè)索硬化癥(ALS)等神經(jīng)退行性疾病有治療作用。在生物體內(nèi)，膽汁酸可以通過激活核受體FXR和膜受體（GPBAR/TGR5）發(fā)揮作用。激活后的GPBAR在不同的病理生理?xiàng)l件下既有好的作用也有壞的作用。例如，膽酸(CA)和?；悄懰?TCA)可以增加能量消耗，有益減肥；?；敲撗跄懰?TUDCA)一直作為傳統(tǒng)中藥，發(fā)揮抗炎作用并能促進(jìn)心臟血管舒張。然而，石膽酸(LCA)可引起胰島素抵抗，脫氧膽酸(DCA)可促進(jìn)癌癥發(fā)展。膽汁酸許多有益的作用大都?xì)w因于GPBAR與Gs信號(hào)途徑，如糖尿病的預(yù)防、白色脂肪細(xì)胞組織褐化、對(duì)抗脂肪變性等。最新研究表明，膽汁酸也可以激活arrestin的活性，并介導(dǎo)抗病毒的天然免疫反應(yīng)。然而，對(duì)于GPBAR如何識(shí)別不同膽汁酸以及影響下游信號(hào)偏好性的機(jī)制，其結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)尚不清楚。

該研究首次利用冷凍電鏡單顆粒重構(gòu)技術(shù)解析了膽汁酸受體GPBAR在小分子化合物P395以及膽汁酸類似物INT-777作用下與下游Gs蛋白三聚體形成復(fù)合物的高分辨率結(jié)構(gòu)，觀察到受體GPBAR對(duì)兩親性配體的識(shí)別機(jī)制，并結(jié)合生化和細(xì)胞實(shí)驗(yàn)闡明了GPBAR識(shí)別多種膽汁酸的指紋圖譜，闡明了下游偏好性信號(hào)途徑的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。該研究還發(fā)現(xiàn)天然膽汁酸結(jié)合受體的第二個(gè)別構(gòu)位點(diǎn)、GPCR激活的新機(jī)制以及長期未決的受體第三個(gè)內(nèi)環(huán)的功能。

該研究對(duì)肝腸軸的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制研究以及GPCR的激活過程等都將有廣泛的影響：一是首次揭示兩親性代謝產(chǎn)物是如何被GPBAR識(shí)別并發(fā)揮作用的。GPBAR的配體結(jié)合口袋中由第五個(gè)螺旋及兩個(gè)胞外環(huán)來構(gòu)成疏水側(cè)面，從而面對(duì)膽汁酸的疏水一面，而膽汁酸的另一個(gè)親水結(jié)合面則朝向螺旋6和7之間的親水氨基酸基團(tuán)，形成特異性的相互作用。二是闡明了膽汁酸受體對(duì)多種不同膽汁酸識(shí)別的指紋圖譜。研究通過對(duì)內(nèi)源性膽汁酸類似物INT-777與GPBAR的結(jié)合模式的分析，以及內(nèi)源性配體CA、DCA、DCA、LCA、TCA、GCA、TDCA、UDCA、TUDCA的配體結(jié)合，經(jīng)過生化及藥理學(xué)分析，找到了GPBAR識(shí)別不同膽汁酸的指紋圖譜。這為深入理解膽汁酸的作用機(jī)理以及針對(duì)于GPBAR的藥物設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。三是發(fā)現(xiàn)了第二個(gè)膽汁酸在受體上的結(jié)合位點(diǎn)。通過電鏡結(jié)構(gòu)解析，研究發(fā)現(xiàn)了GPBAR存在別構(gòu)調(diào)控位點(diǎn)。研究人員通過對(duì)內(nèi)源性配體的結(jié)構(gòu)及生化數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)10種膽汁酸中的5個(gè)具有12-OH的膽汁酸可以結(jié)合在該位點(diǎn)上，并別構(gòu)調(diào)控膽汁酸受體激活的過程。這為理解膽汁酸如何作用于其膜受體的生理過程以及發(fā)展和開發(fā)別構(gòu)位點(diǎn)的小分子藥物提供了理論基礎(chǔ)。四是研究發(fā)現(xiàn)膽汁酸受體可以通過Arrestin偏好性途徑調(diào)控不同的生理功能。通過對(duì)結(jié)構(gòu)及生化數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)GPBAR的ECL1、ECL3及ICL1是決定配體偏好性的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，這為開發(fā)偏好性配體及藥物的開發(fā)提供了理論基礎(chǔ)。五是該研究明確提出了GPBAR非經(jīng)典的受體激活機(jī)制與分子開關(guān)。此前“toggle switch”的結(jié)合和PIF基序的結(jié)構(gòu)重排都被認(rèn)為是大多數(shù)GPCR的共同機(jī)制。而對(duì)GPBAR而言，雖然在其第六個(gè)跨膜螺旋（TM6）中具有發(fā)揮樞紐轉(zhuǎn)換作用的W237氨基酸，但并不具備分子開關(guān)功能，發(fā)揮分子開關(guān)功能的卻是其上一個(gè)螺旋中的Y240，并且GPBAR的螺旋6與螺旋3的分離程度更大，整個(gè)激活模式與結(jié)構(gòu)重排均是一種全新的方式。這些新發(fā)現(xiàn)擴(kuò)展了人們對(duì)GPCR激活機(jī)制的認(rèn)識(shí)。六是GPCR第三個(gè)內(nèi)環(huán)的功能一直不清楚，本研究觀察到受體完整清晰的第三個(gè)內(nèi)環(huán)密度，首次發(fā)現(xiàn)了受體的第三個(gè)胞內(nèi)環(huán)可以和Gs蛋白特異性結(jié)合，并通過序列比對(duì)及生化實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，GPCR第三個(gè)胞內(nèi)環(huán)與Gs的結(jié)合是一個(gè)通用的規(guī)律，即它們都可以通過細(xì)胞內(nèi)環(huán)3偶聯(lián)基序（R/Kψ

山東大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院孫金鵬研究團(tuán)隊(duì)持續(xù)在GPCR跨膜信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)取得進(jìn)展，在2015年提出磷酸化編碼的笛子模型（Nat Commun. 2015 Sep 8;6:8202.），2017年發(fā)現(xiàn)多種GPCR與離子通道偶聯(lián)的新機(jī)制以及介導(dǎo)心血管事件（Nat Commun.2017 Feb 9;8:14335.）(Nature Commun.2018 Jan 2;9:11.）（Elife. 2018 Feb 2;7:e33432.），并發(fā)現(xiàn)GPCR通過別構(gòu)效應(yīng)調(diào)節(jié)一大類SH3-CP信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白的機(jī)制（Nat Chem Biol. 2018 Sep;14(9):876.）。

山東大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院于曉研究團(tuán)隊(duì)關(guān)注代謝生理和病理生理中的GPCR，在過去的研究中闡明了胰島中CRHR2和腎上腺素受體對(duì)胰島環(huán)路和穩(wěn)態(tài)的調(diào)控作用（J Clin Invest. 2017 Jun 30;127(7):2631）（Diabetologia. 2014 Sep;57(9):1899）（Diabetologia. 2015 Feb;58(2):324）, CCK1R偏好性通路對(duì)胰島功能的精確調(diào)控機(jī)制（Br J Pharmacol. 2015 Nov;172(21):5050）,以及粘附類受體對(duì)水鹽代謝的調(diào)控等（Elife. 2018 Feb 2;7:e33432.）。

以上研究得到了國家自然科學(xué)基金杰出青年基金和優(yōu)秀青年基金的資助，該研究同時(shí)獲得廣州中醫(yī)藥大學(xué)周玖瑤團(tuán)隊(duì)的支持。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2569-1

【供稿單位：基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院    作者：楊帆    編輯：新聞網(wǎng)工作室    責(zé)任編輯：蔣曉涵 劉婷婷 　】