Nature | 钙感受器的双重游戏：揭秘其对G蛋白选择性和异构体调节的新机制

2024-02-08

细胞疗法

引言钙敏感受体(CaSR)是一个家族C的G蛋白偶联受体(GPCR)，在调节全身钙稳态中起核心作用。2024年2月7日，斯坦福大学Georgios Skiniotis团队（斯坦福大学Feng He、Cheng-Guo Wu、浙江大学高洋及哥本哈根大学Sabrina N. Rahman为该文章的共同第一作者）在Nature 在线发表题为“Allosteric modulation and G-protein selectivity of the Ca2+-sensing receptor”的研究论文，该研究使用冷冻电镜和功能分析来研究嵌入在脂质纳米盘中的人CaSR的激活及其在存在和不存在拟钙化药物cinacalcet的情况下与功能性Gi和Gq蛋白的偶联。高分辨率结构显示，Gi和Gq在活化的CaSR二聚体中驱动额外的构象变化，以稳定涉及关键蛋白-脂质相互作用的七跨膜结构域(7TM)的更广泛的不对称界面。受体的选择性Gi和Gq偶联是通过细胞内环2和C端的大量重排实现的，它们对两种G蛋白亚型的结合有不同的贡献，导致不同的CaSR-G蛋白界面。这些结构还揭示了天然多胺靶向CaSR上的多个位点，通过压缩两个原体之间带负电荷的区域来增强受体的激活。此外，该研究发现氨基酸l-色氨酸是一种众所周知的CaSR细胞外结构域的配体，它占据了G蛋白偶联原聚体的7TM束，与cinacalcet和其他变构调节剂位于同一位置。这些结果为CaSR对G蛋白的激活和选择性，以及内源性和外源性配体对其变构调节提供了一个框架。循环Ca2+水平的严格调节是人体生理的一个重要组成部分，它在很大程度上依赖于CaSR。该受体检测血清钙的升高并激活G蛋白信号，以限制甲状旁腺激素(PTH)的分泌并促进肾钙排泄。人类CaSR中数百种自然发生的突变导致各种疾病，包括家族性低钙血症/高钙血症1型、严重新生儿甲状旁腺功能亢进、常染色体显性低钙血症1型(ADH1)和5型巴特综合征。在影响全球近10%人口的慢性肾脏疾病患者中观察到CaSR的表达和激活降低。CaSR属于C家族GPCR，该家族还包括调节神经传递的γ-氨基丁酸B (GABAB)和代谢性谷氨酸(mGlu)受体(mGlu1-mGlu8)。家族C GPCR的功能是专性同源或异源二聚体，内源性配体参与远离膜平面的细胞外结构域(ECD)，通常包括一个配体结合的Venus flytrap结构域(VFT)，在大多数情况下，通过一个富含半胱氨酸的结构域(CRD)连接到特征7TM束。这个家族的成员表现出明显的G蛋白偶联选择性。mGlu1和mGlu5激活包括Gq/11在内的多种G蛋白，而其他mGlu受体优先激活Gi/o。另一方面，CaSR主要激活Gq/11和Gi/o亚型。早期对洗涤剂溶解mGlu2、mGlu4和GABAB的结构研究表明，C家族GPCR采用一种独特的机制与Gi偶联，涉及细胞内环的重组，而不打开7TM束。然而，目前尚不清楚这种机制是否适用于其他G蛋白亚型，以及C家族受体如何实现G蛋白的选择性。脂质纳米圆盘中活性态CaSR和CaSR -G蛋白复合物的冷冻电镜结构（Credit: Nature）CaSR的一个显著特征是它与多种天然配体结合，包括多价阳离子(如Ca2+)、阴离子(如磷酸、l -氨基酸、多肽和多胺)。这些配体在不同生理条件下相对浓度的变化可以促进或抑制受体的激活，因此CaSR似乎是一个微调的信号平台，整合各种化学输入来引发其生理作用。CaSR是由合成的阳性和阴性变构调节剂(PAM和NAMs)靶向治疗的，它们分别增强受体的激活或失活。例如，cinacalcet是FDA批准的靶向CaSR的PAM药物，用于治疗继发性甲状旁腺功能亢进和甲状旁腺癌。虽然已经报道了人类CaSR与不同配体(包括Ca2+， l -色氨酸(Trp)和PAM或NAMs)结合的冷冻电镜结构，但其他配体(如多胺)的结合模式尚未表征。该研究试图建立CaSR激活和G蛋白亚型偶联的丰富机制框架。在脂质纳米盘中重构的人类CaSR的冷冻电镜快照，以及功能数据的补充，揭示了CaSR如何利用由脂质和精胺分子稳定的不对称界面激活一个原聚体中的G蛋白；Gi和Gq如何参与采用不同构象的相同受体元件；7TM PAM细胞如何诱导侧链重排促进G蛋白偶联；天然氨基酸色氨酸可以在没有外源PAMs的情况下与7TM束结合。原文链接https://www.nature.com/articles/s41586-024-07055-2责编|探索君排版|探索君文章来源|“iNature”End往期精选围观一文读透细胞死亡(Cell Death) | 24年Cell重磅综述（长文收藏版）热文Science最新发布：全世界最前沿的125个科学问题热文Nature | 2024年值得关注的七项技术热文Nature | 自身免疫性疾病能被治愈吗？科学家们终于看到了希望热文Nature | 癌症与神经系统的致命舞蹈