清华大学药学院刘翔宇及其合作者发文揭示人源前列腺素F2α（PGF2α）受体对配体及G蛋白选择性的分子机制

　　

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2023年12月8日清华大学药学院刘翔宇课题组与中南大学湘雅医院产科张卫社课题组合作在Nature Communications以长文形式在线发表了题为“Structures of human prostaglandin F2α receptor reveal the mechanism of ligand and G protein selectivity”的研究论文。该研究报道了前列腺素F2α受体(FP受体)与低选择性配体卡前列素和高选择性配体拉坦前列素（游离酸形式）结合G蛋白复合物的高分辨率冷冻电镜结构，揭示了前列腺素和临床药物对FP受体的选择性机制，以及与前列腺素受体相关的G蛋白偏向性的分子机制，为靶向FP受体的相关药物研发奠定了分子基础。

研究背景：

前列腺素是花生四烯酸的代谢产物，可分为PGF2α、PGE2、PGD2、PGI2、TXA2等。这些前列腺素分别通过作用于相应的前列腺素受体亚型FP受体、EP受体（EP1-EP4）、DP受体(DP1、DP2)、IP受体以及TP受体在体内发挥广泛生理作用，比如心血管稳态的调节、体温调节、炎症反应等。不同的前列腺素受体亚型偶联不同的G蛋白，其中FP受体、EP1受体、TP受体偶联Gq， DP1受体、 EP2受体、 EP4受体和IP受体偶联Gs，EP3偶联Gi。不同的受体具有不同的组织分布。FP受体在女性生殖系统尤其是子宫平滑肌高表达，被配体激活后可引起强烈的子宫收缩。FP受体激动剂卡前列素被广泛用于产后出血的治疗，尤其是难治性产后出血。卡前列素为FP受体的低选择性激动剂，可脱靶于EP3受体，导致发热、高血压等副作用，而FP受体的高选择性激动拉坦前列素，目前主要用于治疗青光眼，由于其溶解性及较高的清除率，限制了其在产后出血方面的应用（图1a）。理解前列腺素及其类似物对于FP受体选择性的分子机制，有助于产后出血药物的开发。

研究方法：

该研究利用冷冻电镜技术解析了两种临床药物卡前列素和拉坦前列素（游离酸形式）结合人类FP受体-G蛋白复合物结构，分辨率分别为2.7?? 和3.2??（图1b, c）。前列腺素PGF2α及其类似物在结构上可分为α链、F环和ω链，以卡前列素为例介绍前列腺素与FP受体的结合口袋。从该结构中，研究人员观察到卡前列素α链、F环和ω链与FP受体互作形成三个亚口袋。α链主要通过极性作用与受体的Y922.65、T184ECL2和 R2917.40残基互作，而ω链主要通过与受体M1153.32、 F18745.51、F2055.41、W2626.48、F2656.51 和 L2907.39残基形成疏水口袋，上述残基大部分在不同前列腺素受体亚型中是保守的。F环主要与S331.39、 T2947.43 、H812.54等残基形成氢键网络，且这些残基在不同前列腺素受体亚型中是相对不保守的。

图1 FP受体的功能以及卡前列素和拉坦前列素结合FP-G蛋白复合物整体结构图
a, FP受体的功能以及FP受体高选择性激动剂拉坦前列素和低选择性激动剂卡前列素的病理生理作用; b-c, 卡前列素(b)和拉坦前列素(c)结合FP-miniGs/q70iN复合物的冷冻电镜整体结构图。

在了解配体与FP受体互作结合方式后，研究人员探究了内源性前列腺素和临床药物在FP受体和EP3受体之间选择性的分子机制。通过结构分析发现，内源性前列腺素与受体互作的主要区别来自于前列腺素五元环周围与受体的互作不同。通过点突变实验研究人员验证了内源性前列腺素选择性是源于五元环与FP受体S331.39、H812.54、Q1032.54残基互作，同时揭示了F环相对于E环与受体互作时需要更大的空间。而临床药物拉坦前列素对于FP受体的选择性主要来源于与苯环互作的残基，结构分析和点突变实验都支持FP受体残基F2656.51在选择性识别拉坦前列腺素中起到了关键作用。

另外，不同的前列腺素受体亚型偶联不同的G蛋白。研究人员将FP-Gq蛋白复合物结构与已解析的EP2-Gs复合物以及EP3-Gi复合物结构进行比较，探究G蛋白选择性分子机制。通过对比发现FP受体的TM6向外摆动幅度最小，形成了较窄的G蛋白结合口袋。G蛋白α5螺旋的取向主要是通过FP受体的R5712.49 与G蛋白α5螺旋氨基酸VH5.26的C端羧基形成的盐桥，受体残基H14334.53与α5螺旋残基NH5.19形成的氢键以及受体残基H2446.30 与α5螺旋残基 QH5.17形成的氢键来维持。有趣的是，FP受体的这三个残基R5712.49、H14334.53和H2446.30在FP受体、EP2受体以及EP3受体之间是不保守的。将Gs和Gi置换Gq于FP受体胞内的G蛋白结合口袋，可以发现FP受体残基H2436.29 可能与Gs 的RH5.17 和RH5.21、Gi 的FH5.26 残基冲突。因此本研究的结构信息一定程度上揭示了前列腺素受体对G蛋白的选择性分子机制。

总结：

总体而言，这项研究既揭示了前列腺素及其类似物对于FP受体的选择性分子机制，也揭示了前列腺素受体对G蛋白的选择性分子机制。这将为后续以FP受体为靶点的药物开发提供重要的研究基础，尤其是开发副作用更小的治疗产后出血的药物。

清华大学药学院刘翔宇教授与中南大学湘雅医院张卫社教授为本论文共同通讯作者。中南大学湘雅医院博士研究生吕秀清、清华大学药学院博士研究生高凯旋以及中南大学湘雅医院博士研究生聂佳为本论文共同第一作者。本研究中的冷冻电镜数据在清华大学蛋白质研究中心-冷冻电镜平台收集，此项研究得到了国家自然科学基金、北京生物结构前沿研究中心和生命科学联合中心的资助。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-43922-8