【PDB-101】2014年4月 结构生物学亮点：胰高血糖素受体【搬运·翻译】

    GPCR（G蛋白偶联受体）们的外貌五花八门，每个都得准确地识别属于自己的信号分子。近来，参与GPCR Network的PSI研究人员解明了胰高血糖素受体的结构。他们看到的不仅是它那标志性的七次跨膜螺旋结构，更是一大类识别短肽信号分子的GPCR共有的原子级结构细节。这个结构以及与它相似的促肾上腺皮质激素释放激素受体-1（ATP吐槽：这名字真长）的结构向我们展示了所谓“B类GPCR”与其他GPCR们的异同之处。

蛋白三明治

    B类GPCR的结构特征就是具有两个结构域。其中一个结构域就是个平平无奇的跨膜结构域（上图中绿松石色的部分），形成的一圈α螺旋看起来跟其他GPCR没什么两样，负责把激素（粉色）的结合和胞内G蛋白的激活偶联在一起；另一个结构域（深蓝色）位于受体的胞外部分，学界认为激素要先被它捕获，然后才转交给跨膜结构域结合。

一部分一部分来

    这些GPCR生得柔韧灵活，为结构研究带来了不小的挑战。为了研究它们，人们不得不动用“分而治之”的方法：把它们打碎成方便处理的小块，再对这些小块分别进行研究。研究者们已经得到了不少这类受体胞外结构域的结构，这些结构里有的只有胞外结构域自己，有的是它跟与它结合着的激素的合影。相比之下，跨膜结构域的结构要难搞得多，直到最近才有两个受体跨膜结构域的结构被解析清楚，这才使我们得以见到B类GPCR的全貌。这两个受体就是胰高血糖素受体（PDB条目4l6r）与促肾上腺皮质激素释放激素受体-1（PDB条目4k5y）。上图展示的是结合有胰高血糖素的完整胰高血糖素受体的模型，它的结构是PSI研究人员基于构象模拟、交联和突变研究得来的数据构建出来的。

激素类似物

    人们正在尝试用肽类激素的类似物调节它们的受体，为的是治疗像糖尿病这样的疾病。上图左侧展示了胰高血糖素样肽-1（粉色）与它受体的胞外结构域（蓝色）结合时的结构（PDB条目3iol）。就像胰高血糖素和它的受体一样，胰高血糖素样肽-1形成的α螺旋结构可能与受体的两个结构域都有相互作用。有一种从希拉毒蜥（Gila monster）的唾液中发现的短肽叫做exendin-4，它也与胰高血糖素样肽-1的受体结合，就像胰高血糖素样肽-1一样对胰岛素的释放起调控作用。不过，它的结构有一些特别的地方，比如一个特殊的色氨酸，它参与构成一个笼状结构（上图右，靠近最上方处）。这些结构特点有助于稳定它有活性的α螺旋构象。（ATP注：这个exendin-4的人工合成品已经是治糖尿病的药物了，药名叫艾塞那肽。）

一样，但不完全一样

    为了破解这些受体结构的难解之谜，研究者们不得不像对付其他GPCR一样祭出蛋白质工程的技术：首先切掉受体的胞外结构域，然后在肽链中间插入一个稳定的小蛋白，让它成为结晶的“借力点”。下图中两个B类GPCR（PDB条目4l6r和4k5y，下图左与中）都拥有熟悉的一束跨膜α螺旋结构，不过它们这圈α螺旋在顶上张得更开，形成更大的结合位点，这样才能容得下大个头的肽类激素。如果你想看一看这两个新结构和A类GPCR的结构有什么区别，请前往原网页查看可互动的JSmol文件。

GPCR结构（PDB条目4k5y、4l6r和2rh1）

    原网页的JSmol展示了2个B类GPCR和1个A类GPCR跨膜结构域的结构。注意B类GPCR的α螺旋在一侧张得更开，为的是形成用以容纳肽类激素的结合位点。（ATP注：其实上面这张图看得还挺清楚的，不过如果你想要360°无死角地欣赏这些小蛋白的话，可一定要去原网页玩一玩哦。）

    之前预告过的胰高血糖素受体来喽=w=下一期应该会是腺苷受体吧！我本来想除夕或大年初一翻译点东西助助兴的，没想到写有关RyR2的东西耽误了太多时间……不得不说想把RyR2的事用不像写综述的方法说清楚真的很让人头疼，尤其是这玩意儿的事本就不怎么清楚……

    好了，不说了，是时候扯些跟本篇主人公有关的事了！由于兴趣方向的问题，我对胰高血糖素受体的关注很少，之所以是很少而不是没有主要是因为它在心肌上也存在，可以通过激活cAMP-PKA通路增强心肌收缩力（话说刚好我正在写的有关于RyR2的东西就要讲到PKA）。这条信号通路的激活相对独立于β肾上腺素受体通路，所以当β受体阻断剂中毒引发心脏收缩功能障碍时，抢救措施之一就是注射胰高血糖素。不过呢，这点小小的缘分并不是我如此早地翻译这篇结构生物学亮点的理由，真正让我在翻完上篇后一眼相中了胰高血糖素受体的是它那独属于B类GPCR的鹤立鸡群的神奇长相。B类GPCR在结构上有两大特点，第一点是小巧可爱的胞外结构域，第二点则是宽广深长的配体结合位点。正文最后那张图特别能说明第二点，毕竟你不用特别认真地看就能发现，跟A类GPCR比起来，B类GPCR的上部就跟裂开了似的。事实上，B类GPCR的配体结合位点是已知所有GPCR中最宽、最深的，刚好适合容纳处于α螺旋构象中的短肽配体。

    当然了，只有配体结合位点还不够，毕竟那么长一条短肽可不会自己乖乖地掉进这个“坑”里，得有个家伙拉它一把才行。看完正文的你肯定知道，这个家伙就是B类GPCR的胞外结构域，一个辅助结合配体的额外抓手。细致的结构研究发现，当周围不存在配体时，B类GPCR的胞外结构域会扣在跨膜结构域头顶上，覆盖住跨膜结构域的配体结合位点，形成所谓的自闭“关闭”构象。当受体与配体结合并激活时，它的胞外结构域就向上、向外移动，自身与配体结合的同时暴露出跨膜结构域上的配体结合位点，形成“开放”构象。这一观察结果多少印证了正文中提到的假说：配体先被胞外结构域捕获，然后转交给跨膜结构域。

    因技术与能力限制，请前往原网页以查看原文中所有超链接以及可互动的JSmol文件。

    强烈推荐去PDB-101官网查看原文，顺便探索一下这个干货满满的科普平台。

作者：David S. Goodsell

原文网址：https://pdb101.rcsb.org/learn/structural-biology-highlights/glucagon-receptor

结构生物学亮点文章目录：https://pdb101.rcsb.org/learn/structural-biology-highlights/index

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封面图出处：Mattedi, G., Acosta-Gutiérrez, S., Clark, T., and Gervasio, FL. A combined activation mechanism for the glucagon receptor. Proc Natl Acad Sci USA 117, 15414-15422 (2020). DOI: 10.1073/pnas.1921851117