解析人源葡萄糖依賴性促胰島素釋放多肽受體三維結構

　　葡萄糖依賴性促胰島素釋放多肽受體（Glucose-dependent insulinotropic polypeptide receptor， GIPR）屬于B1類G蛋白偶聯受體，在脂肪生成、胰島β細胞增殖和胰島素釋放等方面發揮重要作用，與2型糖尿病、肥胖癥和神經退行性疾病相關。該受體的內源性配體為葡萄糖依賴性促胰島素釋放多肽（GIP1-42），由John Brown在20世紀70年代分離而得。GIP1-42激活GIPR后，可調節餐后血糖濃度。在高血糖條件下，GIP1-42作用于胰島β細胞促進胰島素的分泌；在低血糖條件下，它刺激胰島α細胞釋放胰高血糖素，從而作為一種雙功能激素發揮維持血糖穩態的功能。近年來，GIPR和胰高血糖素樣肽-1受體雙重激動劑在2型糖尿病的臨床研究中表現良好，有望開辟新的治療方向。

　　近期，中國科學院上海藥物研究所王明偉、楊德華團隊攜手徐華強團隊在eLife上，發表了題為Structural insights into hormone recognition by the human glucose-dependent insulinotropic polypeptide receptor的研究論文。該研究報道了人源GIPR與GIP1-42和Gs蛋白復合物的高分辨率冷凍電鏡結構，揭示了GIPR的配體識別和信號轉導的分子機制，從而完成了與血糖調節密切相關的三個受體——胰高血糖素受體（2013）、胰高血糖素樣肽-1受體（2017）和GIPR三維結構的全解析，深化了學界對其在配體識別、受體激活和交叉反應等方面異同性的認識，為基于多重藥理學的藥物發現提供了結構信息。

　　為了增強GIPR與Gs蛋白形成的復合物之穩定性，研究人員采用NanoBiT系連技術，分別在GIPR和Gs蛋白上引入LgBiT和HiBiT（Peptide 86）以增加蛋白之間的相互作用，同時對受體進行單點突變以提高復合物的穩定性，反復優化實驗條件后，獲得了顆粒均一且性狀穩定的高質量蛋白復合物，通過在上海藥物所冷凍電鏡平臺進行多輪300 kV數據的收集和處理后，最終獲得分辨率為2.9？的三維結構（圖1）。該結構顯示，GIP1-42的N端插入到GIPR的跨膜域（Transmembrane domain， TMD）中，配體的C端則與胞外環1（Extracellular loop 1， ECL1）緊密相連。GIPR的ECL1與TM2和3一致向上，然后向內接近其TMD的中心（5-7？），使得GIP1-42較之胰高血糖素樣肽-1和胰高血糖素對應其各自受體向TM1分別位移了2.7？和3.3？。定點突變等實驗驗證了GIPR獨特的配體識別和受體激活機制，拓展了對B1類G蛋白偶聯受體結構與功能的理解。

　　對比胰高血糖素受體、胰高血糖素樣肽-1受體和GIPR的配體識別模式，研究人員發現，這三個受體均具有與配體共性區域結合的保守氨基酸殘基，其與各自內源性配體特異性識別主要依賴配體與受體上非保守殘基的選擇性結合。具體來說，基于序列相似性將多肽可分為四個片段：兩個保守的片段域（GIP1-42中第4-11和21-30位氨基酸）和兩個獨特的片段域（GIP1-42中第1-3和12-20位氨基酸）（圖2）。配體的N端（第1-3位氨基酸）與B1類受體的極性中心產生大量相互作用，例如，與Q3.37b具有氫鍵相互作用；Y1.47b與多肽的第三位氨基酸形成氫鍵（圖2）；多肽上第4-11位氨基酸與R7.35b形成鹽橋，與Y1.43bII-II重疊，與L2.71b、W5.36b和L7.39b形成疏水相互作用，以及和ECL2形成氫鍵等（圖2）；多肽上第12-20位氨基酸序列則差別較大，主要與ECL1、ECL2和TM1以及TM2相互作用（圖2）。受體為了能夠合理地結合不同長度的氨基酸側鏈，其TM1和ECL1會調整它們的構象以避免引起混亂，影響配體結合。胰高血糖素樣肽-1受體的ECL1與胰高血糖素樣肽-1之距離相比GIPR的ECL1與GIP1-42的距離更遠。然而，對胰高血糖素受體來說，胰高血糖素上的R18P（P代表多肽上的氨基酸）則排斥其受體。因此，受體特異性結合配體的區域可能就位于此，使得胰高血糖素樣肽-1和胰高血糖素均難以結合GIPR。至于配體的C端，三種多肽均與胞外域產生廣泛的疏水相互作用。