Cell | 经典G蛋白信号转导调控图谱揭秘什么样G蛋白亚基倍受偏爱

撰文 | Victoria

责编 | 兮

G蛋白是一个异源三聚体，许多来自胞外的激素、离子、生物分子、甚至光照都能够经过G蛋白而为胞内所用。G蛋白系统在我们身体中的几乎每一个生理过程和病理过程中都在时刻运转、发挥作用。

哺乳动物的基因组中编码了16个保守的G蛋白a亚基（Ga），当GTP与Ga结合时，G蛋白被激活。G蛋白在完成自己的传递工作之后，就开始发挥自己水解酶的活性，把GTP转化为GDP并释放Pi，以至自己失活，又重新回到三聚体状态。这个过程需要GTP激活蛋白GAPs的帮忙，GAPs属于G蛋白信号传导调节因子（regulator of G protein signaling，RGS）家族中的一份子，RGS蛋白与活性Ga蛋白结合并促进GTPase活性，从而加速G蛋白信号传导的终止。

二十多年来，科学家们陆续发现RGS家族的一些蛋白对Ga蛋白的识别方面存在选择性【1】，后续也有了一些结构方面的重要突破【2,3】，但是RGS蛋白究竟喜欢什么样的Ga蛋白？目前还不知道。

2020年10月1日，佛罗里达Scripps研究所Kirill A. Martemyanov领导的研究小组在Cell杂志上发表题为A Global Map of G Protein Signaling Regulation by RGS Proteins的研究论文，在这项研究中，作者将所有经典RGS蛋白对Ga蛋白的偏好绘制成了图谱，并基于这个图谱确定了选择性RGS-G蛋白识别的结构基础，为后续采用蛋白质工程技术设计新型选择性RGS蛋白提供了设计导向。

为了了解RGS选择Ga的规则，作者在活细胞中通过实时动力学测量方法-“生物发光共振能量转移（BRET）”进行了检测，这种方法能够记录RGS蛋白催化的G蛋白偶联受体（GPCR）拮抗反应的异源三聚体再结合动力学（图1）。系统分析了所有典型的人类RGS蛋白的催化活性及其对一整套Ga底物的选择性。

图1. BRET分析示意图。激动剂结合的GPCR导致非活跃的异源三聚体G蛋白分解成活性的GTP结合的Ga和Venus-Gβγ。Venus-Gβγ和masGRK3ct-Nluc-HA作用，增加BRET信号；拮抗剂降低BREG信号。

这些数据中最关键的线索找到了控制RGS-Ga识别的规则及其选择性的结构基础，作者将基因分析和结构图谱相结合，在20种人RGS旁系同源物和21至65种不等的动物的直系同源物中，对Ga结合面上的31个RGS残基进行了分析，确定了17个可变氨基酸（图2D），这些氨基酸围绕着与Ga亚基形成直接接触的核心，而这些氨基酸的突变显著改变了RGS蛋白对Ga的识别偏好。

图2. RGS域对Ga识别的选择性决定因素

更有趣的是，如果将一组可变氨基酸从一个RGS蛋白移植到另一个RGS蛋白上，完全会改变RGS蛋白对Ga的选择性。作者通过在不同RGS家族蛋白进行氨基酸移植实验，发现对Ga识别的选择性有一部分是由表面形成条码（bar code）区的氨基酸所决定的，这个发现为未来利用蛋白质工程技术设计合理的具有特定选择性的RGS蛋白铺了路（图3）。

图3. Ga的选择性改变方案

为了深入了解人群中RGS对Ga的选择性特征，接下来，作者分析探讨了14万个人类的基因组中所有RGS蛋白中的错义突变数据。作者推测人群中选择性条码突变或导致了RGS的功能障碍。自然突变、突变和进化等多种因素共同决定了RGS对Ga的选择性。

图4. 文意总览

尽管G蛋白偶联受体非常多，好在它们只能通过激活数量有限的G蛋白发出信号，这个图普适用于20种经典的人RGS蛋白，更重要的是，作者发现了那个几乎影响所有RGS蛋白对Ga选择性的突变发生在选择性条码区，这些突变将会改变G蛋白偶联受体参与的信号通路，如果能够搞清楚RGS蛋白的遗传突变对G蛋白偶联受体信号转导的影响，将会对精准医疗、个体化用药产生巨大的意义。

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0092867420311405

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制版人：Kira

参考文献

1. Heximer, S.P., Watson, N., Linder, M.E., Blumer, K.J., and Hepler, J.R.(1997). RGS2/G0S8 is a selective inhibitor of Gqalpha function. Proc. Natl.Acad. Sci. USA 94, 14389–14393.

2. Soundararajan, M., Willard, F.S., Kimple, A.J., Turnbull, A.P., Ball,L.J., Schoch, G.A., Gileadi, C., Fedorov, O.Y., Dowler, E.F., Higman, V.A., etal. (2008). Structural diversity in the RGS domain and its interaction withheterotrimeric G protein alpha-subunits. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 105,6457–6462.

3. Taylor, V.G., Bommarito, P.A., and Tesmer, J.J. (2016). Structure of theRegulator of G Protein Signaling 8 (RGS8)-Gaq Complex: MOLECULAR BASIS FOR GaSELECTIVITY. J. Biol. Chem. 291, 5138–5145.