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来源：BioArt
原标题：Nat Comm：Ray Stevens/宋高洁合作揭示全长GLP-1R的配体结合前构象
除传统的七次跨膜区域(Transmembrane domain, TMD)外， B家族受体还含有一个120-160个氨基酸残基的胞外结构域（extracellular doman, ECD）, ECD和TMD共同参与了多肽配体的结合以及受体的活化过程。GLP-1R（Glucagon Like Peptide-1 receptor）是B类GPCR受体家族的重要成员，当内源性多肽配体GLP-1活化GLP-1R后，会促进葡萄糖依赖性胰岛素释放，从而控制血糖；因此，GLP-1R一直是糖尿病药物治疗的重要靶点，已有多种GLP-1激动剂类似物成功研发并上市，且每年销售额达到几百亿美元之多。
上海科技大学iHuman研究所Raymond C. Stevens教授长期从事GPCR的结构与信号机理研究, 在基础研究及药物转化方面均成就斐然。早前在上科大工作期间宋高洁研究员就领衔解析了GLP-1R的跨膜区非激活态晶体结构【2】；与此同时，多个激动剂配体结合的活化态GLP-1R全长结构也陆续被解析【3-5】。但目前为止，仍缺乏对全长GLP-1R在结合配体前结构（特别是胞外域所处构象）的了解，这在一定程度上限制了对GLP-1R如何结合配体并活化的理解。
2020年3月9日， Stevens课题组与华东师范大学宋高洁研究员等再次合作在Nature communications上发表文章“Full-length human GLP-1 receptor structure without orthosteric ligands”， 成功解析了全长GLP-1R在结合配体前的非活化态结构并揭示胞外域的独特闭合构象。
在本项研究中，研究人员利用针对胞外域的一个非竞争性抗体来增加胞外域亲水性并增加晶体堆积界面，从而成功解析该复合物的3.2埃晶体结构。结构显示，在未结合配体情况下胞外域倒向跨膜区并且与跨膜区的第一和第三个胞外环发生弱相互接触，这种胞外域构象相比于之前的两个结合配体后的活化态受体结构分别发生了18和28埃的位移。受体在这种构象下无法结合内源性多肽因此为全长受体的非活化态构像。
上海科技大学iHuman研究所Raymond C. Stevens教授长期从事GPCR的结构与信号机理研究, 在基础研究及药物转化方面均成就斐然。早前在上科大工作期间宋高洁研究员就领衔解析了GLP-1R的跨膜区非激活态晶体结构【2】；与此同时，多个激动剂配体结合的活化态GLP-1R全长结构也陆续被解析【3-5】。但目前为止，仍缺乏对全长GLP-1R在结合配体前结构（特别是胞外域所处构象）的了解，这在一定程度上限制了对GLP-1R如何结合配体并活化的理解。
2020年3月9日， Stevens课题组与华东师范大学宋高洁研究员等再次合作在Nature communications上发表文章“Full-length human GLP-1 receptor structure without orthosteric ligands”， 成功解析了全长GLP-1R在结合配体前的非活化态结构并揭示胞外域的独特闭合构象。
在本项研究中，研究人员利用针对胞外域的一个非竞争性抗体来增加胞外域亲水性并增加晶体堆积界面，从而成功解析该复合物的3.2埃晶体结构。结构显示，在未结合配体情况下胞外域倒向跨膜区并且与跨膜区的第一和第三个胞外环发生弱相互接触，这种胞外域构象相比于之前的两个结合配体后的活化态受体结构分别发生了18和28埃的位移。受体在这种构象下无法结合内源性多肽因此为全长受体的非活化态构像。
通过在胞外域和跨膜区的结合界面设计二硫键突变实验证明了上述胞外域闭合构像的生理相关性。
与此同时，作者分别用负染电镜和分子动力学模拟实验证实了受体胞外域构象处于动态变化中，而晶体结构里揭示的闭合态构象是受体结合配体前能量较省的一种状态；一旦受到多肽配体存在的影响，可能通过两种途径转换到易于接受配体的活化态（附图1）。这项研究同时提示了ECD在B类受体中的功能多样性：一方面通过与多肽配体结合，使配体锚定到跨膜区并驱动跨膜区构象变化以招募下游G蛋白；另一方面，在没有多肽配体的条件下，ECD通过与跨膜区相互作用而稳定非活化构象，因此它同时可作为一个负调节因子，这与之前的多篇功能研究文献吻合。
研究人员同时将GLP-1R与其同家族蛋白胰高血糖素受体（GCGR）的非活化态结构进行了比较【6】，发现两种蛋白的胞外部分十分迥异，通过对比序列作者发现这很有可能是由于二者在stalk和ECL1上的残基性质差异造成的。上述分析提示B家族受体活化路径的多样性；同时，也为原子水平研发和优化药物提供结构基础和重要理论指导。
图1. 全长GLP-1R的活化过程模型（左侧为本项研究测定的闭合态结构）
据悉，Stevens课题组的博士研究生吴凡为文章的第一作者，Stevens教授和宋高洁研究员为共同通讯作者。参与这项研究的还有郑州大学杨琳琳教授、中科院上海药物所王明伟教授、蒋华良教授，以及来自丹麦诺和诺德公司、美国南加州大学、上海科技大学的多位研究人员。
与此同时，作者分别用负染电镜和分子动力学模拟实验证实了受体胞外域构象处于动态变化中，而晶体结构里揭示的闭合态构象是受体结合配体前能量较省的一种状态；一旦受到多肽配体存在的影响，可能通过两种途径转换到易于接受配体的活化态（附图1）。这项研究同时提示了ECD在B类受体中的功能多样性：一方面通过与多肽配体结合，使配体锚定到跨膜区并驱动跨膜区构象变化以招募下游G蛋白；另一方面，在没有多肽配体的条件下，ECD通过与跨膜区相互作用而稳定非活化构象，因此它同时可作为一个负调节因子，这与之前的多篇功能研究文献吻合。
研究人员同时将GLP-1R与其同家族蛋白胰高血糖素受体（GCGR）的非活化态结构进行了比较【6】，发现两种蛋白的胞外部分十分迥异，通过对比序列作者发现这很有可能是由于二者在stalk和ECL1上的残基性质差异造成的。上述分析提示B家族受体活化路径的多样性；同时，也为原子水平研发和优化药物提供结构基础和重要理论指导。
图1. 全长GLP-1R的活化过程模型（左侧为本项研究测定的闭合态结构）据悉，Stevens课题组的博士研究生吴凡为文章的第一作者，Stevens教授和宋高洁研究员为共同通讯作者。参与这项研究的还有郑州大学杨琳琳教授、中科院上海药物所王明伟教授、蒋华良教授，以及来自丹麦诺和诺德公司、美国南加州大学、上海科技大学的多位研究人员。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-020-14934-5
参考文献
1.Graaf, C. et al. Glucagon-Like Peptide-1 and ItsClass B G Protein-Coupled Receptors: A Long March to Therapeutic Successes. Pharmacological reviews 68, 954-1013, doi:10.1124/pr.115.011395(2016).
2.Song, G. J. et al. Human GLP-1 receptortransmembrane domain structure in complex with allosteric modulators. Nature 546, 312-+, doi:10.1038/nature22378 (2017).
3.Zhang, Y. et al. Cryo-EM structure of theactivated GLP-1 receptor in complex with a G protein. Nature 546, 248-+,doi:10.1038/nature22394 (2017).
4. Jazayeri, A. et al. Crystal structure of the GLP-1receptor bound to a peptide agonist (vol 546, pg 254, 2017). Nature 548, doi:10.1038/nature23311 (2017).
5. Liang, Y. L. et al. Phase-plate cryo-EM structure ofa biased agonist-bound human GLP-1 receptor-Gs complex. Nature 555, 121-+,doi:10.1038/nature25773 (2018).
6. Zhang, H. N. et al. Structure of the full-lengthglucagon class B G-protein-coupled receptor. Nature 546, 259-+,doi:10.1038/nature22363 (2017).
来源：BioGossip BioArt
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzA3MzQyNjY1MQ==&mid=2652481923&idx=7&sn=099fa359e9b42f21a893cc507c807c5e&chksm=84e23a37b395b321f18185363a0b89f0684b150b872f39591c6df80894172425356e874aec2c#rd
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