代谢型谷氨酸受体结构揭示C类GPCR二聚化及功能调控机制

代谢型谷氨酸受体（Metabotropic glutamate receptor, mGlu）属于C类G蛋白偶联受体（G protein-coupled receptor, GPCR）家族，是人体内最重要的神经递质受体之一。目前在人体内共发现了8种代谢型谷氨酸受体（mGlu1-8），其功能涉及学习、记忆、情绪以及疼痛感知等，是阿尔兹海默症和精神分裂症等疾病的治疗靶点。然而，迄今尚无靶向这类受体的药物成功上市，因此其结构与功能研究对精神神经系统疾病的新药创制具有重要意义。与其它类型的GPCR相比，mGlu等C类GPCR具有独特的激活机制，受体必须形成同源或异源二聚体才能行使功能。但是，长期以来不同类型二聚化对于受体活性的调控机制和该类受体如何激活G蛋白等细胞内效应蛋白一直不清楚。

2021年6月16日，中国科学院上海药物研究所吴蓓丽研究组、赵强研究组、王明伟研究组和柳红研究组联合中国科学院生物物理研究所孙飞研究组和华中科技大学刘剑峰研究组合作在Nature上以背靠背形式发表了文章Structures of Gi-bound metabotropic glutamate receptors mGlu2 and mGlu4和Structures of human mGlu2 and mGlu7 homo- and heterodimers，在C类GPCR结构与功能的研究领域取得了一系列重要进展：解析了多种人源代谢型谷氨酸受体处于不同功能和不同二聚化状态下的三维结构，包括处于非激活态的mGlu2同源二聚体、mGlu7同源二聚体和mGlu2-mGlu7异源二聚体、处于激活中间态的mGlu2同源二聚体以及处于完全激动态的mGlu2和mGlu4分别与G蛋白的复合物等。此外，他们还解析了mGlu2跨膜结构域分别与两种负性变构调节剂（Negative allosteric modulator, NAM）结合的复合物结构，并在此基础上开展了系统的功能研究。这是首次对代谢型谷氨酸受体从非活化到完全活化状态精细构象变化过程的全面阐释，并揭示了其同源和异源二聚体复杂的信号转导模式，为深入认识该类受体在中枢神经系统中的功能调控机理提供了重要的依据，对于全面认识C类GPCR的信号转导机制具有重大意义。

以往的研究表明，C类GPCR二聚体通过调节两个亚基间的相对构象调控受体的功能。此次，上海药物所的联合研究团队通过解析不同代谢型谷氨酸受体的结构，发现不同受体以不同方式形成同源二聚体将各自构象稳定在非活化状态。与之前测定的mGlu5结构类似，mGlu7的非激活态结构呈现一个完全开放的构象，两个亚基的跨膜结构域之间距离较远，没有直接接触。与此不同，mGlu2二聚体中的两个跨膜结构域彼此靠近，通过各自的第四跨膜螺旋（TM4）形成紧密的相互作用。利用氨基酸突变和细胞信号转导实验，研究人员证实mGlu2中的这一二聚体界面是该受体亚型特有的，对于稳定受体的非活性状态发挥着重要的作用。这一发现展示了该类受体功能调控模式的多样性。

与激动剂结合后，受体由非激活态向激活态转变。基于mGlu2分别处于非激活态、激活中间态和完全激活态的结构，该研究团队首次完整阐释了代谢型谷氨酸受体在整个活化过程中的精细构象变化，为深入理解C类GPCR的激活机制提供了关键信息。受体胞外结构域与激动剂结合后，其构象由开放状态转变为闭合状态，带动跨膜结构域大幅度扭转，使两个亚基间的作用界面从TM4-TM4转换为TM6-TM6对称界面；当受体与G蛋白结合时，跨膜结构域进一步扭转，使其中一个亚基的TM5和TM6与另外一个亚基的TM1、TM6和TM7形成一个非对称二聚体界面。进一步的功能研究表明，这种非对称二聚化对于受体激活至关重要，揭示了受体二聚化对其功能调控的精细机制。研究人员还在mGlu4完全激活态结构中发现了类似的二聚化形式，提示不同代谢型谷氨酸受体可能采用相同的活性调控模式。

该研究的另外一项突破是首次为研究代谢型谷氨酸受体的非对称激活机制提供了直接依据。以往的研究结果显示，只有mGlu二聚体中两个亚基的胞外结构域都与激动剂结合时受体才能被完全激活，但最终只有其中一个亚基的跨膜结构域可与G蛋白偶联，这种非对称信号转导机制一直未被准确阐明。mGlu2和mGlu4与G蛋白的复合物结构显示，受体以形成非对称二聚体的方式使两个亚基处于不同的作用环境，影响它们内部的构象重排，导致仅有一个亚基适于结合G蛋白；此外，G蛋白与其中一个亚基结合后，通过形成空间位阻，阻碍另外一个亚基与G蛋白的结合。

以往的研究结果显示， A类和B类GPCR被激活后，TM6向外大幅度迁移，在受体胞内侧区域形成一个较深的结合口袋与G蛋白结合。与此完全不同，mGlu2和mGlu4与G蛋白结合时，受体的TM6并未向外迁移，G蛋白的C末端斜靠在一个由受体胞内侧环区构成的浅槽内，与其他类型GPCR的G蛋白结合模式差异巨大，充分体现了GPCR信号转导机制的特异性和多样化。

此外，联合研究团队还对mGlu异源二聚体的组装和功能调控机制进行了探索。通过对mGlu2-mGlu7异源二聚体开展结构研究，并结合细胞内信号转导、二硫键交联和荧光共振能量转移实验等多种技术手段，发现在该异源二聚体中mGlu7对于二聚体组装和信号转导发挥主导作用。这是首次为mGlu异源二聚化研究提供的结构信息，对于进一步认识该家族受体异源二聚化分子调控机理奠定了坚实的基础。

其中一篇研究论文的第一作者是中国科学院上海药物研究所博士生林淑玲、副研究员韩硕和实验师蔡晓庆。另外一篇研究论文的第一作者是中国科学院大学杭州高等研究院博士后杜娟、中国科学院上海药物研究所博士生王德健和林淑玲、中国科学院生物物理研究所博士生范宏成和台林华以及华中科技大学讲师许婵娟。该项目主要合作者还包括中国科学院上海药物研究所杨德华研究员和周宇研究员、法国功能基因研究所Jean-Philippe Pin教授和Philippe Rondard教授等。

图片：代谢型谷氨酸受体结构示意图。代谢型谷氨酸受体在神经元兴奋中发挥关键作用，是神经精神系统疾病的重要治疗靶点。图中处于不同功能状态的三个mGlu2结构用绿色飘带图表示，从左上到右下依次为非激活态、激活中间态和完全激活态。完全激活态结构中的G蛋白的三个亚基分别用橙色、灰色和蓝色表示。（图片由中国科学院上海药物研究所吴蓓丽研究组提供）

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03495-2

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03641-w