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非視覺阻遏蛋白與GPCR復合物的三維結構成功獲解析
發表日期: 2019-12-04
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  近日,中科院上海藥物研究所徐華強課題組、余學奎課題組和上海生化與細胞所國家蛋白質科學中心(上海)叢堯課題組合作在GPCR跨膜信號轉導領域取得重大進展——首次解析了非視覺阻遏蛋白(Arrestin2)與神經降壓素受體(NTSR1)復合物冷凍電鏡結構,闡述了非視覺阻遏蛋白偶聯多種不同特征GPCR進行信號整合的作用機制。該研究成果于2019年11月27日在線發表于國際知名學術期刊Cell Research雜志。這是徐華強團隊繼發表在2015年《自然》(Nature)雜志和2017年《細胞》(Cell)雜志里程碑式研究后,在該領域的又一重要突破,為基于GPCR結構的偏愛性配體的功能研究和設計優化提供了重要的依據。

  GPCR作為人體最大的細胞膜受體蛋白家族,包含800多個成員,是超過三分之一的臨床及在研藥物的作用靶標。GPCR主要通過偶聯下游G蛋白和阻遏蛋白進行信號傳導。阻遏蛋白包括視覺阻遏蛋白(Arrestin1和4)和非視覺阻遏蛋白(Arrestin2和3)。視覺阻遏蛋白主要轉導視紫紅質受體信號通路,早在2015年,徐華強團隊利用世界最強的X射線自由電子激光技術得到了高分辨率的Arrestin1-視紫紅質復合物晶體結構。該三維結構第一次展現了阻遏蛋白與GPCR的結合模式,與G-蛋白與GPCR相互作用截然不同,為深入理解GPCR下游信號轉導通路奠定了重要基礎。而非視覺阻遏蛋白則參與調控其它800多個GPCR下游信號通路,不僅阻斷受體與G蛋白的結合,還介導受體的內吞及一系列非G蛋白依賴的信號通路。非視覺阻遏蛋白與GPCR復合物的結構研究一直都是GPCR領域的重點。然而,非視覺阻遏蛋白與GPCR的相互作用較弱,且組裝的復合物具有高度的柔性,從而給結構解析帶來了很大挑戰。

  徐華強團隊經過多輪篩選,確定了以NTSR1為模式受體,并歷經8年的努力系統探究了增強Arrestin2和NTSR1相互作用及提高復合物穩定性的各種因素,包括阻遏蛋白3A突變體的引入、正向別構激動劑ML314與內源性配體NTS的聯合使用、構象穩定抗體片段Fab30的輔助,復合物的融合表達、GRK的共表達促進受體磷酸化以及去垢劑的篩選等。該研究最終獲得了較為穩定的Arrestin2-NTSR1復合物,并解析了其冷凍電鏡結構。該結構與課題組已報導的Arrestin1-視紫紅質復合物結構具有類似的結合方式,但其中Arrestin2相比于Arrestin1有90°旋轉的構象差異,使得受體的TM5、TM6和ICL3處于Arrestin2中N端結構域的前面方位,這種構象更有利于部分受體采用ICL3取代受體C端招募Arrestin2,可作為探討非視覺阻遏蛋白與GPCR相互作用的第二種模型。

  徐華強課題組博士后尹萬超和博士研究生殷裕玲、余學奎課題組博士后李智海和中科院上海生化與細胞所國家蛋白質科學中心(上海)叢堯課題組金明梁博士為該論文的共同第一作者。此研究的合作單位還有美國文安德研究所(Van Andel Research Institute)、浙江大學和哈爾濱工業大學。該研究得到了國家科學技術部、國家自然科學基金委員會、中國科學院重大科技基礎設施開放研究項目、上海市科學技術委員會、美國國立衛生研究院等項目的資助。

  全文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41422-019-0256-2

 

圖:Arrestin2-NTSR1復合物與Arrestin1-視紫紅質復合物結構相比,Arrestin2相比于Arrestin1有90°旋轉的構象差異

 

  (供稿部門:中科院受體結構與功能重點實驗室、藥物靶標結構與功能中心;供稿人:尹萬超)

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