5羥色胺家族部分受體的配體識別和G蛋白選擇調控機制

　　G蛋白偶聯受體（GPCRs）是真核生物中最大的一類膜蛋白，在感知胞外信號和介導胞內信息轉導中發揮了重要作用，并參與調控多種生理過程，與人類疾病密切相關，是重要的藥物靶標蛋白家族。GPCR與第二信使環磷酸腺苷相關的信號通路中，主要通過刺激型G蛋白（Gs）和抑制型G蛋白（Gi）來區分細胞內不同的信號傳遞方式。了解受體對Gs和Gi信號通路的選擇性機制是人們在GPCR和相關信號轉導領域長期關注的科學問題。

　　5-羥色胺（serotonin, 5-HT）是人體中樞神經系統和周圍神經系統的主要神經遞質之一，其通過結合5-羥色胺受體發揮調控食欲、記憶、認知，情緒調節和成癮等生理過程，這也使5-羥色胺受體成為抑郁癥、精神分裂癥、偏頭痛等疾病的重要治療靶點。5-羥色胺受體家族是GPCR超家族中最復雜的亞家族之一，其包含12種亞型，不同亞型的受體在人體中發揮不同的生理功能，并且與不同種類的G蛋白偶聯。其中5-HT4、5-HT6和5-HT7受體主要偶聯下游Gs蛋白，5-HT1和5-HT5受體主要偶聯下游Gi蛋白。對于在同一內源性配體5-HT激活后，不同亞型的5-羥色胺受體如何偏好地偶聯下游G蛋白來調控細胞應答還不清楚。

　　近日，中國科學院上海藥物研究所研究員徐華強團隊，聯合浙江大學教授張巖團隊以及丹麥哥本哈根大學教授David E. Gloriam團隊等，在Molecular Cell上以GPCRs steer Gi and Gs selectivity via TM5-TM6 switches as revealed by structures of serotonin receptors為題發表最新研究成果，取得了5-羥色胺受體結構和功能領域又一重要進展，成功解析了5-HT4、5-HT6、5-HT7受體與激活型G蛋白（Gs蛋白）和5-HT4受體與抑制型G蛋白（Gi蛋白）結合的復合物三維結構。該研究系統性地揭示了小分子配體5-HT和5-CT識別5-羥色胺受體亞型的結構基礎，并闡明了5-羥色胺受體選擇性偶聯Gs蛋白和Gi蛋白的分子機制。

　　研究團隊采用單顆粒冷凍電鏡技術分別對5-HT激活5-HT4、5-HT6形成的Gs復合物、5-CT激活5-HT7形成的Gs復合物和5-HT激活5-HT4形成的Gi復合物進行了結構重塑，最終解析了4個在配體激活狀態下與不同蛋白的復合物結構，其中5-HT-5-HT4-Gs復合物結構的分辨率為3.1埃，5-HT-5-HT6-Gs復合物結構的分辨率為3.3埃，5-CT-5-HT7-Gs復合物結構的分辨率為3.2埃，5-HT-5-HT4-Gi復合物結構的分辨率為3.2埃（圖1）。該團隊將所獲的這三種Gs偶聯的5-羥色胺受體與Gi偶聯的5-羥色胺受體進行了結構比較，并與已發表的19種Gs和Gi偶聯的A類GPCRs結構進行比較。他們發現，跨膜螺旋TM5和TM6長度作為“macro-switch”來分別確定受體對Gs和Gi的選擇性，且這種TM5-TM6長度的“macro-switch”由A類GPCRs-G蛋白結構共享。此外，TM5和TM6中的特定殘基充當“micro-switches”與Gs或Gi形成特定的相互作用。這些結果展示了A類GPCRs的Gs和Gi蛋白偶聯選擇性或混雜的共同機制（圖2）。

　　為探究G蛋白偏好5-羥色胺受體的假設，該團隊進行了兩組實驗來檢驗TM5和TM6的長度是GPCR區分Gs和Gi蛋白的關鍵因素的假設。第一組實驗是將5-HT1A受體的TM6末端螺旋斷裂且TM5螺旋延伸或5-HT4、5-HT7受體的TM5末端螺旋斷裂且TM6螺旋延伸，功能結果表明這種改造影響了5-HT4、5-HT7受體偶聯Gs蛋白的能力，然后將5-HT1A受體由原來Gi偶聯轉變成了Gs偶聯，這些結果支持TM5和TM6長度的“macro-switch”是G蛋白選擇性的關鍵。第二組實驗是將Gi偶聯的5-HT1A的TM5-TM6區域與Gs偶聯的5-HT4和5-HT7受體的TM5-TM6區域互換。研究結果表明，嵌合受體5-HT1A (5-HT4_P5.50-P6.50)與野生型5-HT4具有相似的功能，即具有高組成型激活且幾乎不受配體調節。同樣，5-HT1A (5-HT7_P5.50-P6.50)顯示出與野生型5-HT7相似的功能，在激動劑誘導下進行的cAMP積累。如果將5-HT4和5-HT7的ICL3替換為5-HT1A，在激動劑誘導下進行的cAMP積累的能力幾乎喪失，類似于野生型5-HT1A受體。綜上所述，該團隊以5-羥色胺家族受體為切入點揭示了A類GPCRs的Gs、Gi蛋白偶聯選擇性機制，并擴展了5-羥色胺受體的配體識別基礎。

　　徐華強團隊長期致力于5-羥色胺家族受體的結構與功能研究，并取得了一系列系統性研究成果。2013年，該團隊于在Science上首次報導了激動劑結合的5-HT1B受體的高分辨率晶體結構；2018年，在Cell Discovery發表了首個反向激動劑結合的5-HT1B受體的晶體結構；2021年3月，在Nature上首次報道了5-HT1A、5-HT1D、5-HT1E受體的結構，并揭示了磷脂PI4P（PtdIns4P）和膽固醇調節受體功能的機制和受體的本底激活機制；2021年7月，在Cell Research上首次報道了5-HT1F受體的結構，并揭示了偏頭痛藥物拉米替坦對該受體的選擇性結合機制；2022年5月，在Cell Discovery上首次報道了5-HT5A受體的結構。

　　在前期研究基礎上，該研究不僅揭示了A類GPCR選擇性偶聯G蛋白的分子機制，首次報道5-HT4、5-HT6、5-HT7受體結構，使所有12種5-羥色胺受體亞型的結構均得到了解析。這些針對5-羥色胺受體的系統性研究豐富了人們對5-羥色胺系統的結構與功能認識，并為開發治療抑郁癥、精神分裂癥、偏頭痛等疾病的藥物提供了重要基礎。

圖1 5-HT4、5-HT6和5-HT7受體結構

圖2 5-羥色胺受體TM5、TM6對G蛋白選擇性偶聯的影響