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張岩/于曉/謝欣/孫金鵬合作揭示GPCR膽汁酸受體配體識別和激活的獨特機制
發表日期: 2020-07-23
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  膽汁酸是一類由肝細胞産生,並由膽管分泌到腸道的兩親性代謝産物,在消化過程中對人體攝入的脂肪有重要的乳化作用。肝髒生成的兩種初級膽酸可由腸道菌群進一步代謝爲多種次級膽酸,對代謝和炎症相關的生理過程有重要的調節作用。膽汁酸及其受體爲核心構成的肝髒-膽汁酸-腸道菌群信號轉導軸,是近期生物醫學研究的熱點之一。最近研究表明,許多天然膽汁酸及其衍生物對原發性膽汁性膽管炎(PBC)、非酒精性脂肪性肝炎(NASH)、和II型糖尿病等疾病有治療作用。

  在生物體內,膽汁酸主要通過激活膜受體(GPBAR/TGR5)和核受體FXR發揮作用。GPBAR是G蛋白偶聯受體(GPCR),膽汁酸的許多有益作用可歸因于GPBAR與Gs信號途徑,如降血糖作用,促白色脂肪細胞組織褐化,對抗脂肪變性等。最新研究也表明,膽汁酸可激活GPBAR與β-arrestin的相互作用,並介導抗病毒的天然免疫反應。然而,GPBAR激活導致的膽囊肥大及皮膚搔癢等副作用影響了靶向該受體的新藥研發。因此,從分子層面解析GPBAR如何識別不同膽汁酸並偏向性激活下遊通路的機制,對GPBAR生理功能的理解及靶向該受體的新藥研發具有重大意義。

  7月22日,國際學術期刊Nature在线发表了浙江大学医学院、良渚实验室(系统医学与精准诊治浙江省实验室)张岩研究员团队,中科院上海药物研究所谢欣研究员团队以及山东大学基础医学院的于晓教授和孙金鹏教授团队通力合作的研究论文“Structural basis of GPBAR activation and bile acid recognition”。

  該研究中,科學家們首次利用單顆粒冷凍電鏡重構技術解析了膽汁酸受體GPBAR在合成配體P395以及膽汁酸類似物INT-777作用下與Gs蛋白三聚體形成的複合物的高分辨率結構(圖1),明確了GPBAR對兩親性配體的識別機制,揭示了GPBAR識別多種膽汁酸的指紋圖譜。研究發現GPBAR的配體結合口袋中由第五個螺旋及兩個胞外環來構成疏水側面,從而面對膽汁酸的疏水一面,而膽汁酸的另一個親水結合面則朝向螺旋6和7之間的親水氨基酸集團,形成特異性的相互作用。通過對內源性膽汁酸類似物INT-777與GPBAR的結合模式的分析,以及內源性配體CA、DCA、DCA、LCA、TCA、GCA、TDCA、UDCA和TUDCA的配體結合,經過生化及藥理學分析,聯合團隊找到了GPBAR識別不同膽汁酸的指紋圖譜(圖2)。這爲深入理解膽汁酸的作用機理以及針對于GPBAR的藥物設計提供了理論基礎。

  其次,科研團隊鑒定了天然膽汁酸結合受體的別構位點(圖3a)。通過電鏡結構解析,團隊發現GPBAR受體TM3-5附近存在配體第二個結合口袋。通過對內源性配體的結構及生化數據分析,科研人員發現10種膽汁酸中的5個具有12-OH的膽汁酸可以結合在該位點上,並別構調控膽汁酸受體激活的過程(圖3b)。這爲理解膽汁酸如何作用于其膜受體的生理過程,以及發展和開發別構位點的小分子藥物提供理論基礎。

  此外,團隊還闡明了GPBAR非經典激活機制以及受體第三個胞內環的重要功能,探究了不同配體介導受體下遊信號偏向性的結構基礎,擴展了人們對GPCR激活機制和對GPCR-G蛋白的偶聯的新機制的認識,爲開發偏向性配體及藥物的開發提供理論基礎。

  本研究對肝腸軸的信號轉導機制研究,以及GPCR的激活過程等都將産生廣泛的影響。考慮到GPBAR在代謝和免疫調節中的重要作用,GPBAR與激動劑的高分辨率結構以及這些新的發現將促進基于結構的藥物設計。

  山東大學基礎醫學院博士後楊帆、副教授肖鵬及博士郭璐璐、林婧宇、吳襄、浙江大學基礎醫學院博士後毛春友、明倩倩爲共同第一作者;張岩研究員,于曉教授、謝欣研究員和孫金鵬教授爲本論文共同通訊作者。

  謝欣研究員主要從事基于GPCR的新藥發現及機制研究,以及小分子化合物調控幹細胞命運的研究。本研究工作得到國家自然科學基金委傑出青年基金及重點基金的支持。

  論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41586-020-2569-1

图1:P395和INT-777激活的GPBAR-Gs复合物结构(分辨率为3.0 angstrom)

圖2:受體識別內源性膽汁酸的結構指紋圖譜

圖3:GPBAR受體上的別構調控口袋

圖4:感知多樣膽汁酸的分子機制

(供稿部門:謝欣課題組;供稿人:謝欣)

 

 

 

 

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