日前，来自斯克里普斯研究所（TSRI），中国科学院等机构的研究人员绘制并分析了人胰高血糖素G蛋白偶联受体受体的三维原子结构，这种受体主要存在于肝，肾细胞中，能用于调控血液中的葡萄糖水平，是潜在的II型糖尿病治疗药物的靶标。
这一研究成果公布在《Nature》杂志上，是G蛋白偶联受体（G protein-coupled receptor, GPCR）研究领域的又一重要成果。 GPCRs 是一类与G蛋白有信号连接的受体家族，调控着细胞对激素，神经递质的大部分应答，以及视觉，嗅觉，味觉等。目前药物市场上至少有一半的小分子药物是GPCR的激活剂或者拮抗剂，2012年诺贝尔化学奖就颁给了“G蛋白偶联受体”结构研究。
具有挑战性的G蛋白偶联受体
在过去的十年间，科学家们通过X射线结晶技术推导出了不少G蛋白偶联受体的结构，到目前为止，这些结构包括β2肾上腺素受体，A2A腺苷受体（活性和休眠状态），S1P1受体， CXCR4 趋化因子受体，D3多巴胺受体，组胺H1受体，kappa阿片受体，痛觉受体，5-羟色胺的受体5HT1b和5-HT 2B，和SMO平滑受体（F类受体），这些都是靶向各种人类疾病的重要的治疗靶标。
以上这些受体，除了SMO受体属于F类受体外，都属于“A类”G蛋白偶联受体，这类受体的结构和蛋白序列特征较为常见。而对于结构生物学家来说，“B类”G蛋白偶联受体更具有挑战性，其中包括胰高血糖素受体以及一些密切相关的蛋白质分子。
“这些受体与A类受体具有很大的不同，因为它们在细胞膜内外都有关键的功能结构域，因此来自A类受体的研究经验不完全适用于此类受体”，文章作者之一，Vsevolod Katritch 表示。
控制血糖的潜在方法
胰高血糖素受体和其相关的 GLP1 和GIP受体在人体葡萄糖调控过程中扮演了重要的角色，在禁食期间，通过被胰高血糖素激活，胰高血糖素受体能开启开关，释放肝脏和其他部位中储存的葡萄糖到血液中。因此调节胰高血糖素受体的活性，是控制血糖的一种方法。
此前曾有其它实验室报告过胰高血糖素受体小部分可溶区域（胞外结构域）的晶体结构。但是受体的关键部位结构尚不清楚。
在这篇文章中，研究人员经过多次尝试，终于获得了受体跨膜结构域可用于结晶研究的结晶结构。他们借助于来自A类GPCR研究中的一个关键创新技术，利用一个特殊的“融合蛋白”将分子抓紧在一起，最终获得了分辨率为3.4埃的三维结构。
人胰高血糖素受体7次跨膜区域结构及其与A型G蛋白偶联受体的比较
之后研究人员进行了分析，证明这种受体与A类GPCR存在两个关键的区别特征，其一是一个异常长的柄状片段，能连接跨膜区与最外层，把手样的结构域区域。另一个是跨膜区中的一个非常大的“口袋”，预计胰高血糖素肽的N-末端部分是停靠在这里。
“如果设计一种药物分子，紧贴到那个口袋中，那么这种分子就可能需要比正常靶向A类GPCR的药物要大”文章的作者Fai Yiu Siu说，一些制药公司正在努力开发专门针对这种结构及相关受体的药物。“因此他们设计的药物不能是肽，也许是更大一些的分子，与正常特征的其他药物不同。”
“我们的数据将改变当前针对胰高血糖素及其受体的药物设计的观点”，文章作者，Fai Yiu Siu博士表示。
TSRI教授，文章通讯作者之一 Raymond C. Stevens博士也表示，“这项工作由美国，中国和欧洲的研究人员密切合作完成，通过两年多来的努力，揭开了不同类别 GPCRs 的主要区别。”
完成结构拼图
这项研究的一个重点问题在于，当单个氨基酸发生突变后，受体的胰高血糖素结合特性会发生什么变化。研究人员针对100多个受体突变进行了分析，这项工作是在中科院上海药物研究所王明伟实验室完成的，王明伟研究员为文章的共同通讯作者。
研究人员将这些新数据与之前研究的数据结合在一起，利用计算机生化研究方法，发展了一个详细的模型，能用于分析全长胰高血糖素受体的工作方式。首先这种受体最外层的结构域会抓住胰高血糖素肽的一端，然后将另一端的肽插入到跨膜结构域的结合口袋中，锁定结构位置，并触发受体激活。“我们设法把各块拼图整合在一起，其中突变分析是关键的一部分”，Stevens说。
目前研究人员还在努力分析当受体与胰高血糖素结合后，胰高血糖素受体的结构，以及更高分辨率的结晶结构。
“这项研究获得的胰高血糖素受体的结构，为解析激素肽与此类受体结构方式打开了一扇新的门，这将有助于我们分析相关的受体结构，”Stevens说，“我们关于 GPCRs 的认识仍处于起步阶段，还需要针对每一个新的结构，利用不同的技术，对不同的功能状态仔细解析。”
原文检索：