3月30日，國(guó)際學(xué)術(shù)期刊PNAS在線發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心(生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)研究所)汪勝研究組和叢堯研究組的合作研究成果：“Structural insights into constitutive activity of 5-HT6 receptor“。該研究通過(guò)解析血清素受體5-HT6-Gs復(fù)合物的結(jié)構(gòu)，揭示了5-HT6受體不依賴于配體的高水平組成性活性的決定性因素，闡明5-HT6受體高組成性活性的分子機(jī)制，并以結(jié)構(gòu)為導(dǎo)向設(shè)計(jì)受體特異性納米抗體NB6A1，為幫助理解G蛋白偶聯(lián)受體(GPCR)組成性活性的理論機(jī)制提供重要信息。
血清素是一種重要的神經(jīng)遞質(zhì)，在調(diào)節(jié)情感、認(rèn)知、學(xué)習(xí)、記憶、疼痛等一系列生理活動(dòng)中起著至關(guān)重要的作用。血清素通過(guò)作用于血清素受體發(fā)揮功能。人體內(nèi)的血清素受體一般7個(gè)家族(5-HT1-7)13種亞型，除了5-HT3是配體門控離子通道外，其余都是具有7次跨膜螺旋結(jié)構(gòu)的GPCR。與大多數(shù)血清素受體不同，5-HT6受體僅分布在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，靶向該受體已被證明在治療阿爾茲海默癥、精神分裂癥等神經(jīng)精神疾病起到重要作用。此外，5-HT6受體表現(xiàn)出的不依賴于配體的高水平組成性活性，與神經(jīng)元發(fā)育、新皮層徑向遷移和人神經(jīng)干細(xì)胞的自我更新有關(guān)。眾所周知，大多數(shù)受體均具有不同程度的不依賴于其配體的組成性活性，然而這種組成性活性的確切機(jī)制仍未知。
在本項(xiàng)研究中，研究人員利用冷凍電鏡技術(shù)，成功解析了血清素激活5-HT6受體與Gs蛋白形成復(fù)合物的高分辨率冷凍電鏡結(jié)構(gòu)。基于結(jié)構(gòu)的解析，通過(guò)體外功能性實(shí)驗(yàn)，揭示了5-HT6受體不依賴于配體高組成性活性的結(jié)構(gòu)決定因素：即鈉離子結(jié)合口袋的破壞和G蛋白α亞基與受體的高效解離。
研究組的前期工作(Science，2017)和同期的系列研究表明，GPCR普遍存在鈉離子結(jié)合位點(diǎn)，并且該結(jié)合位點(diǎn)在整個(gè)A類GPCR中高度保守。鈉離子與GPCR的結(jié)合一直以來(lái)被認(rèn)為是維持受體處于非激活狀態(tài)的關(guān)鍵因子。而在該項(xiàng)工作中的高分辨率冷凍電鏡結(jié)構(gòu)表明，5-HT6受體第280位的蘇氨酸和第312位的天冬氨酸之間形成的氫鍵破壞了鈉離子結(jié)合口袋，影響了5-HT6受體與鈉離子的結(jié)合，使得受體更易于處于激活狀態(tài);另一方面，GPCR激活后，G蛋白α亞基和βγ亞基分離，并進(jìn)一步與受體解離，完成整個(gè)受體的激活過(guò)程。5-HT6受體第325位的精氨酸和G蛋白α亞基第378位的精氨酸之間產(chǎn)生的同電荷互斥作用，使得G蛋白α亞基能夠快速?gòu)氖荏w中解離，進(jìn)而高效完成受體介導(dǎo)的下游信號(hào)激活過(guò)程。上述兩方面因素的協(xié)同作用，維持了5-HT6受體的高組成性活性?；谝陨辖Y(jié)構(gòu)特征，汪勝研究組設(shè)計(jì)并篩選出5-HT6受體特異性結(jié)合的納米抗體-NB6A1，通過(guò)體外功能實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其能顯著降低受體組成性活性，進(jìn)一步確認(rèn)了5-HT6受體組成性活性的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，為后續(xù)理解GPCR組成性活性的理論機(jī)制提供重要信息。
分子細(xì)胞卓越中心汪勝研究員與叢堯研究員為本文共同通訊作者，汪勝研究組博士研究生賀莉聰、祁建忠與叢堯研究組博士研究生趙巧鈺、汪一帆為本文共同第一作者。感謝國(guó)家蛋白質(zhì)科學(xué)研究(上海)設(shè)施冷凍電鏡系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)與計(jì)算分析系統(tǒng)的大力支持。該研究工作得到科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院和上海市科委等經(jīng)費(fèi)支持。
文章鏈接：https://doi.org/10.1073/pnas.2209917120
5-HT6受體高組成性活性的結(jié)構(gòu)決定因素
