Cell ：寻找孤儿GPCR的多肽配体

来源：BioArt

撰文 | 秋枫

肽激素和神经肽是一类非常普遍的信号分子，它们能在多种生理过程中激活相应的细胞表面受体。比如，超过85种内源多肽或者蛋白来源的药物靶向了51种不同的蛋白质，其中一半属于GPCR【1】。现如今，多肽激活GPCR的生理作用在临床实验中正获得越来越多的关注【2】。然而，许多内源性多肽还没有找到其激活的靶标，同时超过100种GPCR也还没有明确的配体，这些还没发现配体的GPCR被称为孤儿受体（orphan receptors）【3】。

去孤儿化（deorphanization），即为孤儿受体寻找同源配体，已经成为现代药物研发过程中一个主要的工作【4】。然而，近些年来，去孤儿化的速度在减缓。此外，孤儿受体往往具有未知的信号途径，需要通过混合使用G蛋白以及β-arrestin检测方法来确定细胞的反应。但是，并不是所有的GPCR都能有效的与G蛋白结合或者诱导β-arrestin的招募，因此，这些检测方法可能错过许多真实的受体-配体结合事件。而因为GPCR这种多维度的信号特质以及一些配体偏向性激活某一个信号途径的能力，我们需要通过多种互补的测定方法去有效的研究孤儿受体。

2019年11月1日，来自丹麦哥本哈根大学的David E. Gloriam课题组在Cell杂志上发表了长文Discovery of Human Signaling Systems: Pairing Peptides to G Protein-Coupled Receptors，他们通过序列和结构分析获得人类多肽-受体信号的一般特征，并根据这些特征挖掘人类基因组中的潜在多肽配体，通过这一思路，他们对A类GPCR家族进行了筛选，最终为5个孤儿受体鉴定出了同源配体。

研究人员首先分析了341个肽或者蛋白配体以及174个非肽配体的作用机制。研究人员总结发现，配体介导的生理功能主要是通过GPCR来实现的，而GPCRs与它们的配体结合的模式，有的是通过特定的一对一方式来实现的，即一个GPCR有且仅有一个同源配体，而有的GPCR则通过多对多的方式来发挥不同的功能。总体来说，相比非肽配体，肽配体具有更大的分子量，也具有更强的结合GPCR的能力。另外，同源的肽配体与受体往往会发生协同进化，不过人类受体比配体在进化上更保守。

接下来，研究人员对已知的肽配体以及其同源受体信息进行总结分析，发现肽配体的N端一般含有一个信号肽能促进其向细胞外的分泌。同时，配体肽上还含有一个酶水解位点，而其序列也是配体肽前体上最保守的一段序列。而对受体的分析则显示，能被配体肽激活的受体，其第二个胞外环上的β片层具有独特的序列保守性。此外，主成分分析显示肽配体和受体之间具有明显的分离状态。而与平均无活性结构有最大偏差的残基位置位于1-5跨膜螺旋的胞外部分以及前两个胞外环上。另外，相比于非肽激活的受体，肽激活受体的结合空腔大了3倍。

根据以上原则，研究人员从人类基因组中筛选出了120条具有潜在受体激活功能的多肽，加上43条还未发现受体的兔源多肽以及55条A类GPCR的肽配体，组成了一个包含218条肽的文库。与此同时，研究人员选择了一个A类GPCR受体文库，其中包含21条与多种疾病相关的孤儿受体。而对多肽和受体文库的鉴定，研究人员选择了三个互补的正交测定平台，涵盖了GPCR激活的多个方面。这三个平台分别是动态质量分布检测、受体内化分析以及β-arrestin招募分析。

研究人员通过这三个平台对多肽文库和受体文库进行了系统的筛选，三个平台对多肽/GPCR靶标的检测有很大差异：受体内化为24/6，β-arrestin招募为57/21，而质量分布则为75/18。不过，BB3（bombesin receptor 3）、GPR1、GPR15、GPR55以及GPR68在多个平台中鉴定出了其相应配体。研究人员发现，神经元B多肽可能是BB3的内源配体；而骨蛋白一个新的剪切变体是GPR1的激动剂；来自基因C10orf99的C端的一条由11个氨基酸组成的多肽能够激活GPR15，GPR15与Gi/o结合抑制了cAMP的产生；有6个多肽能促进GPR55的内化和质量分布；3个多肽能促进GPR68依赖的质量分布反应。

总之，本研究通过分析已知的多肽-受体结合模式，利用生物信息学与实验鉴定出了5个孤儿GPCR受体的相应配体，这种实验方法能够大批量鉴定孤儿受体的同源配体，这无论是对于我们理解GPCR信号通路，还是研发新药都起到了非常重要的推动作用。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.10.010

参考文献

1、 Wishart, D.S., Feunang, Y.D., Guo, A.C., Lo, E.J., Marcu, A., Grant, J.R., Sajed, T., Johnson, D., Li, C., Sayeeda, Z., et al. (2018). DrugBank 5.0: a major update to the DrugBank database for 2018. Nucleic Acids Res. 46 (D1), D1074–D1082.

2、 Hauser, A.S., Attwood, M.M., Rask-Andersen, M., Schioth, H.B., and Gloriam, D.E. (2017). Trends in GPCR drug discovery: new agents, targets and indications. Nat. Rev. Drug Discov. 16, 829–842.

3、 Laschet, C., Dupuis, N., and Hanson, J. (2018). The G protein-coupled receptors deorphanization landscape. Biochem. Pharmacol. 153, 62–74.

4、 Civelli, O., Reinscheid, R.K., Zhang, Y., Wang, Z., Fredriksson, R., and Schio¨ th, H.B. (2013). G protein-coupled receptor deorphanizations. Annu. Rev. Pharmacol. Toxicol. 53, 127–146.