CXCR4同源四聚体组装与调控的结构基础揭示GPCR新型变构抑制机制

编辑推荐：本研究通过冷冻电镜技术解析了CXCR4同源四聚体的高分辨率结构（3.01 ?），首次揭示其通过TM1/2-TM5/6/7界面形成C4旋转对称组装模式，发现K381.32-V992.65-Q272ECL3氢键三联体稳定结构，阐明GPCR通过四聚化实现变构拮抗的新机制，为靶向CXCR4的疾病治疗提供新策略。

　　在生命科学领域，G蛋白偶联受体（GPCR）的寡聚化现象一直是个充满谜团的课题。作为重要的药物靶点，这些七次跨膜蛋白不仅以单体形式发挥作用，还能形成各种复杂的多聚体结构。其中，CXC趋化因子受体4（CXCR4）因其在HIV感染、癌症转移和免疫调节中的关键作用而备受关注。尽管科学家们已经解析了CXCR4的单体和二聚体结构，但更高阶的寡聚体结构及其功能意义仍是未解之谜。传统观点认为GPCR主要通过单体与配体结合来激活下游信号，但越来越多的证据表明，受体间的相互作用可能隐藏着更精妙的调控机制。

中国香港中文大学（深圳）科比尔卡创新药物发现研究院的Aijun Liu、Yezhou Liu和Richard D. Ye研究团队在《Cell Reports》发表了一项突破性研究。他们采用冷冻电镜技术，首次解析了CXCR4同源四聚体的高分辨率结构，分辨率达到3.01 ?。这项研究不仅填补了GPCR高阶寡聚体结构信息的空白，更揭示了一种全新的"相互锁定抑制"机制——四聚体中的每个单体都能变构调节相邻单体的活性，形成天然的自我抑制状态。

研究团队通过昆虫细胞表达系统制备CXCR4复合物，采用抗FLAG亲和树脂纯化后，利用Superose 6 Increase色谱柱进行精细分离。冷冻电镜数据采集在配备Gatan K3探测器的Titan Krios电镜上完成，通过cryoSPARC软件进行图像处理和三维重构。功能验证采用互补型生物发光共振能量转移（BRET）技术，通过将荧光蛋白mVenus和荧光素酶RLuc拆分为片段并与CXCR4融合，定量分析受体寡聚化动态。此外，还进行了cAMP抑制实验和流式细胞术检测表面表达。

研究结果部分，"CXCR4四聚体的结构解析"显示，四聚体呈直径70 ?、厚度65 ?的圆盘状结构，中央存在15 ?的孔道并被脂质填充。与已知二聚体（PDB:3ODU）相比，四聚体采用独特的C4旋转对称排列，每个单体通过TM1/2与相邻单体的TM5/6/7形成界面。"CXCR4四聚体的组装与界面相互作用"部分发现，K38^1.32（TM1）、V99^2.65（TM2）和Q272^ECL3构成氢键网络，BRET实验证实这三个位点突变会破坏四聚体形成但不影响Gi信号转导。"胆固醇与天然脂质稳定CXCR4四聚体"部分鉴定出20个胆固醇分子和8个膜脂分子，其中CLR1与F36^1.30/F40^1.34等残基相互作用，CLR3则桥接两个单体的TM2和TM5/6区域。"CXCR4四聚体的变构调节机制"部分通过结构比对发现，四聚体中的单体呈现特殊抑制构象：TM6向内弯曲、TM7向外位移，DRY基序中R3.50指向下方封闭G蛋白结合口袋。这种构象既不同于活性状态（PDB:8K3Z），也不同于传统拮抗剂诱导的失活状态。

在讨论与结论部分，研究提出了CXCR4动态调控的新范式：在静息状态下，受体倾向于形成四聚体储存库；当CXCL12等配体存在时，四聚体解离为功能性单体；信号终止后又可重新寡聚化。这种机制既能防止受体过度激活，又能快速响应外界刺激。特别值得注意的是，四聚体界面残基在趋化因子受体中具有不同程度的保守性，提示不同受体可能形成特异的寡聚体结构。例如病毒编码的UL78受体就形成三聚体结构。该研究不仅为理解GPCR变构调节提供了结构框架，还为开发靶向受体-受体界面的新型调节剂开辟了道路。通过设计特异性干扰四聚体界面的小分子，有望开发出更精准调控CXCR4功能的新型治疗策略，对HIV感染、癌症转移和WHIM综合征等疾病的治疗具有重要启示意义。