《自然》:破解GPCR信号转导的磷酸化密码 激酶 开关

顾汉现

作者：徐华强等 来源：《自然》

发布时间：2017/7/28 15:01:25

中科院上海药物所破解GPCR信号转导的磷酸化密码

中国科学院上海药物研究所研究员、国家“千人计划”特聘教授徐华强领衔的国际交叉团队经过联合攻关，再次利用世界上最强X射线激光，成功解析磷酸化视紫红质（Rhodopsin）与阻遏蛋白（Arrestin）复合物的晶体结构，攻克了细胞信号传导领域的重大科学难题。该项突破性成果于7月28日以封面文章形式发表于国际学术期刊《细胞》（Cell），上海药物所是第一完成单位。该项工作是徐华强合作团队延续发表在2015年《自然》（Nature）杂志里程碑式研究的又一重要突破。

生命的功能是信号传导密码来体现或来执行的，比如遗传的物质基础是DNA，它贮藏了生命的各种密码，其中最基本的一种是20种氨基酸编码。同样，GPCR信号通路需要“开”与“关”来调节，而“关”的信号就是由GPCR磷酸化密码来决定的。鉴定与解释GPCR磷酸化密码是当今细胞信号传导领域最重要的一个科学问题。

GPCR是目前最成功的药物靶标，迄今40%左右的上市药物是以GPCR为靶点。GPCR作为细胞信号转导的“信号兵”，是通过下游G蛋白和阻遏蛋白两条主要的信号通路转导跨膜信号。当受到外界信号刺激，GPCR激活G蛋白调节第二信使产生，进而“开放”下游信号传导。为了“关闭”这一信号，GPCR激酶（GRK）将GPCR尾部磷酸化。GPCR尾部一旦被磷酸化，就会激活阻遏蛋白并与之形成紧密结合复合物，进而介导信号“关闭”。因此，阻遏蛋白与GPCR的结合是协调整合GPCR下游信号网络的关键，而GPCR的尾部磷酸化则是破解GPCR招募并结合阻遏蛋白难题的关键密码。

徐华强领衔的交叉团队在2015年利用X射线自由电子激光技术，率先在《自然》杂志发表了视紫红质与阻遏蛋白复合物的晶体结构。该结构是继2011年人β2肾上腺素受体与Gs蛋白复合物晶体结构获得解析后，首个GPCR与Arrestin复合物的完整复合体结构，为揭示两者间的相互作用奠定了结构学基础。然而，GPCR与Arrestin的相互作用依赖于GPCR尾端氨基酸残基的磷酸化来介导，由于该结构不包含视紫红质尾部的高分辨率结构，因此GPCR通过其尾部磷酸化进而招募arrestin的分子机制仍然未知。此次发表于《细胞》的文章不仅提供了视紫红质和阻遏蛋白复合物整体组装的结构信息，更重要的是破解了GPCR招募阻遏蛋白的磷酸化密码——GPCR通过其尾部氨基酸的磷酸化招募并与阻遏蛋白结合，同时发现该密码对整个GPCR蛋白组具有普遍性。

该项目由徐华强和美国温安洛研究所Karsten Melcher合作主导完成。项目合作机构遍布全球，包括加拿大多伦多大学、斯克利普斯研究所、德国Desy自由电子激光科学中心、斯坦福大学、德国汉堡超快成像中心、加州大学洛杉矶分校、南加州大学、上海科技大学和范德堡大学等。

该研究获得国家“重大新药创制”重大专项、973、中科院战略性先导科技专项以及国际项目等基金的资助。（来源：中国科学院上海药物研究所）

http://paper.sciencenet.cn/htmlpaper/20177281512552644538.shtm

http://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(17)30773-0



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顾汉现

概要
G蛋白偶联受体（GPCR）通过与抑制蛋白的相互作用部分介导多种信号传导，其结合通过G蛋白不依赖途径促进受体内化和信号传导。高亲和力的抑制蛋白结合需要受体磷酸化，通常在受体的C末端尾部。在这里，我们报道了视紫红质 - 抑制蛋白复合物的X射线自由电子激光（XFEL）晶体结构，其中视紫红质的磷酸化C末端与抑制蛋白的N-末端β链形成延伸的分子间β片。在视紫红质C末端尾残基T336和S338处检测到磷酸化。这两个磷酸残基与E341一起形成与抑制蛋白中三个带正电荷的口袋的静电相互作用的广泛网络，其类似于磷酸化的加压素-2受体尾与β-抑制蛋白-1的结合。基于这些观察，我们得出并验证了一组磷酸化代码，其作为通过GPCRs抑制蛋白磷酸化依赖性募集的常见机制。





磷酸化视紫红质和阻遏蛋白复合物的高分辨率三维结构（蓝色所示为视紫红质的结构；黄色所示为阻遏蛋白的结构；灰色和红色球状结构为细胞膜磷脂；深蓝、蓝和红色小球所示为视紫红质的磷酸化氨基酸。图片来源：徐华强课题组）