【科研动态】华中科技大学生命学院刘剑峰团队揭示代谢型谷氨酸受体复合体定向不对称激活机制

【字体: 时间:2024年12月01日 来源:华中科技大学生命与科学技术学院

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   2024年11月28日, 自然-通讯 ( Nature Communications )在线发表了刘剑峰课题组题为 “ Structural basis of orientated asymmetry in a mGlu heterodimer ”( 代谢型谷氨酸受体异源二聚体定向不对称性的结构基础 )的研究论文

  

2024年11月28日,自然-通讯Nature Communications)在线发表了刘剑峰课题组题为 “Structural basis of orientated asymmetry in a mGlu heterodimer”( 代谢型谷氨酸受体异源二聚体定向不对称性的结构基础)的研究论文

       G 蛋白偶联受体(GPCR)异源二聚体由两个不同的GPCR亚基组成,不同亚基间通过别构调控其构象变化诱导的下游的G蛋白结合,具体调控机制还不清楚。GPCR C家族中的代谢型谷氨酸(mGlu)受体亚家族中的8种受体以同源二聚体形式调节神经突触传递和神经元兴奋性。近年研究表明mGlu受体亚家族8种受体也可以形成16种异源二聚体。刘剑峰课题组前期工作通过基于纳米抗体检测GPCR表达与活性新方法,发现mGlu2-4异源二聚体在脑组织中高比例表达 (Nature Chemical Biology., 2022)。mGlu受体的同源二聚体和异源二聚体,都仅通过其中一个亚基非对称结合G蛋白。有趣的是,尽管mGlu2同源二聚体也能结合G蛋白,而在mGlu2-4异二聚体中只有mGlu4能结合G蛋白,这种定向不对称性的机制还不清楚。

刘剑峰课题组和浙大基础医学院张岩教授课题组合作,使用冷冻电镜技术解析了多种状态mGlu2-4异源二聚体的结构,并通过半胱氨酸交联技术对mGlu2-4二聚体跨膜区构象重排进行了验证,发现其跨膜区在非活性状态下呈现出TM5-TM5的作用界面,在激活状态时,其界面重新排列为TM6-TM6或TM6-TM7,发现了TM6/TM6-7界面是受体激活的标志性特征。进一步研究还发现,胞内区ICL2的关键氨基酸在mGlu4G蛋白结合中起到了关键作用,揭示了mGlu2-4异源二聚体定向不对称的作用机制。此外,单分子FRET实验证明选择性只结合mGlu2或mGlu4亚基的激动剂LY379268和L-AP4,只能够部分增加mGlu2-4异源二聚体激活,其效果不及同时结合mGlu2和mGlu4亚基的谷氨酸的激活效果,解释受体部分激活的分子机制。最后,还发现了正向变构小分子VU015504的结合位点与胞外区ECL2接近,呈现一种全新的结合口袋,为未来开发新的变构类药物提供了新的药理学假说。

该项工作首次系统阐述了异源二聚体mGlu2-4受体的定向非对称激活机制:在非激活状态下,mGlu2-4受体两个亚基的胞外区VFT都处于开放状态,跨膜区TM保持TM5-TM5互作界面;在中间态,特异激动剂分别只结合在mGlu2或mGlu4亚基,导致对应的VFT关闭,而另一个亚基的VFT保持打开状态时,其跨膜区保持TM4-TM4或者 TM4-TM5界面;在激活状态下,两个亚基的VFT结合谷氨酸而导致VFT关闭并进一步促进TM重排,形成TM6-TM6/7互作界面。mGlu4亚基的TM内部氨基酸以及跨膜区的胞内段ICL2顶端的关键氨基酸,使其更容易选择性结合Gi蛋白,最终定向不对称激活下游信号通路(图)。

图:mGlu2-4异源二聚体激活模型

该工作是浙大-华科大细胞信号转导联合实验室成立以来合作的又一项重要成果。该工作也进一步验证了刘剑峰课题组之前发现的CGPCR异源二聚体GABAB受体(Nature, 2021; Cell Research, 2020; Nature Communications2019)的非对称激活模式,提示GPCR异源二聚体定向非对称性激活的普遍性。华科生命科学与技术学院博士生黄维竹晋楠、博士后申仓松博士副教授许婵娟博士、浙江大学基础医学院博士生郭嘉、助研席昆博士为该论文共同第一作者。华科大生命科学与技术学院刘剑峰教授,浙大基础医学院张岩教授和法国功能基因研究所 PIN JP教授为共同通讯作者。该研究工作得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金项目的支持。

文章链接:https://doi.org/10.1038/s41467-024-54744-7

 

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