? ? ? ? 在生物進(jìn)化過程中，人類為了更好地適應(yīng)自身生活的環(huán)境，進(jìn)化出了包括聽覺、視覺、嗅覺、觸覺、味覺、痛覺、癢覺等多種感覺系統(tǒng)。由于感覺系統(tǒng)是人類感知外界的基本反應(yīng)，也是生物體與外界交流及自我保護(hù)的基礎(chǔ)，因此關(guān)于感覺系統(tǒng)的探索長(zhǎng)期以來是科學(xué)家的研究熱點(diǎn)。

　　中國科學(xué)院上海藥物研究所徐華強(qiáng)課題組和山東大學(xué)孫金鵬課題組長(zhǎng)期致力于與感覺相關(guān)的GPCR受體的研究。徐華強(qiáng)課題組解析了視桿色素和Arrestin嗎，G蛋白和GRK地復(fù)合物結(jié)構(gòu)，以及視覺感知的基礎(chǔ)。孫金鵬課題組則發(fā)表了與聽覺相關(guān)的受體VLGR1的研究成果，以及癢覺受體MGPRX2的研究。雖然近些年來研究黏附類GPCR與機(jī)械力的作用關(guān)系已取得一定成果，但黏附類受體感知機(jī)械力的作用機(jī)制尚不清晰。

　　4月13日，上海藥物所徐華強(qiáng)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合山東大學(xué)孫金鵬團(tuán)隊(duì)以及德國Rudolf Schonheimer生物化學(xué)研究所Ines Liebscher團(tuán)隊(duì)，共同在Nature在線發(fā)表了題為Structural basis for the tethered peptide activation of adhesion GPCRs的最新研究成果，解析了感知機(jī)械力的黏附類受體GPR133、GPR114與下游蛋白Gs的復(fù)合物電鏡結(jié)構(gòu)，證明了受體感知機(jī)械力后通過Stachel序列激活受體，闡明了受體對(duì)Stachel序列（tethered peptide）的識(shí)別與受體自激活的機(jī)制。

　　“力”能決定細(xì)胞命運(yùn)，生命體對(duì)力的感知十分重要，機(jī)械力刺激驅(qū)動(dòng)許多生理過程，包括觸覺、痛覺、聽覺和平衡調(diào)節(jié)。在細(xì)胞生物學(xué)的發(fā)展過程中，人們逐漸意識(shí)到細(xì)胞可以感知機(jī)械外力傳遞的信號(hào)并做出多種生理變化，機(jī)械外力對(duì)于細(xì)胞的動(dòng)態(tài)以及機(jī)體的正常生長(zhǎng)運(yùn)行十分重要。例如，耳對(duì)風(fēng)力的感知，肺對(duì)氣體壓入的感知，皮膚細(xì)胞對(duì)按壓力的感知，這些生理過程均與機(jī)械力的感知密不可分。其中一些特化的細(xì)胞進(jìn)化成為專門感知機(jī)械力的“終端”，如觸覺受體Piezo家族蛋白能夠感知機(jī)械力，聽覺相關(guān)受體TMC在耳蝸毛細(xì)胞中通過機(jī)械力介導(dǎo)聽覺傳導(dǎo)，這些是普遍認(rèn)知的能夠感知機(jī)械力的離子通道受體。GPCR作為另一大類膜受體也能感知機(jī)械力，其對(duì)力的感知大多通過黏附類受體家族進(jìn)行，如GPR114、GPR133、GPR126、GPR56等，這緣于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和功能特征。黏附類受體（aGPCR）具有巨大的含有眾多結(jié)構(gòu)域的胞外端，胞外端參與受體與受體以及受體與細(xì)胞基質(zhì)間的相互作用，它與機(jī)械力的感知密切相關(guān)，然而黏附類受體感知機(jī)械力后如何激活并進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)尚不清楚。

　　黏附類受體另一個(gè)顯著的結(jié)構(gòu)特征是含有GAIN（GPCR autoproteolysis-inducing）結(jié)構(gòu)域和GPS（GPCR proteolytic site）自水解位點(diǎn)，大多數(shù)黏附類受體GPS可以發(fā)生自水解反應(yīng)，將受體切割為NTF（N-terminal fragment）和CTF（C-terminal fragment）兩個(gè)片段，受體CTF N端大約十幾個(gè)氨基酸可以作為激動(dòng)劑將受體激活并招募下游G蛋白，該部分序列稱為Stachel序列或栓系激動(dòng)劑（TA, Tethered agonist）。aGPCR與其他家族GPCR不同的一個(gè)重要特征是其能夠依賴Stachel序列自激活。前期研究證明了小分子配體可以直接與黏附類受體7次跨膜核心結(jié)合并激活受體。但是黏附類受體自激活狀態(tài)下的作用機(jī)制仍不清楚。目前已報(bào)道的Stachel序列介導(dǎo)的aGPCR激活至少有三種激活模式（圖1）：（1）Stachel序列在GPS處自水解后，NTF與CTF解離，Stachel序列暴露，然后與TMD相互作用；（2）Stachel序列與TMD有預(yù)結(jié)合或間歇的相互作用，該作用通過配體刺激或機(jī)械力穩(wěn)定下來；（3）Stachel序列與TMD接觸通過GAIN結(jié)構(gòu)域內(nèi)部構(gòu)象變化調(diào)節(jié)。每個(gè)假設(shè)均有實(shí)驗(yàn)支持，但也相互矛盾。例如，GAIN結(jié)構(gòu)域的晶體結(jié)構(gòu)顯示Stachel序列被隱藏為無法與TMD相互作用的β折疊，這與某些能被Stachel序列激活的aGPCRs的高組成活性相沖突。因此Stachel序列如何激活受體尚不清楚。

　　針對(duì)上述兩個(gè)問題，科研人員以黏附類受體GPR133和GPR114作為模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，探究Stachel序列介導(dǎo)的aGPCR激活機(jī)制。GPR133GPS位點(diǎn)發(fā)生水解，在質(zhì)膜上發(fā)生NTF-CTF分離。GPR114不發(fā)生自水解，能夠感知機(jī)械力。

　　Stachel序列可以作為激動(dòng)劑激活GPR133, GPR114受體，招募下游Gs蛋白。生化實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，GPR133/GPR114去掉NTF后本底活性明顯高于全長(zhǎng)受體以及缺少Stachel序列的CTF結(jié)構(gòu)。通過體外合成受體Stachel序列刺激去掉Stachel序列的CTF片段，同樣證明Stachel序列能作為激動(dòng)劑激活受體。此外，研究發(fā)現(xiàn)，機(jī)械力通過調(diào)控Stachel與受體的結(jié)合來激活受體。研究人員對(duì)野生型以及GPR133 GPS位點(diǎn)突變（失去自剪切功能）受體分別進(jìn)行機(jī)械力檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)均可以感知機(jī)械力。研究還發(fā)現(xiàn)，將人NTF上的重要位點(diǎn)突變并沒有影響其機(jī)械力的感知效果，側(cè)面印證了機(jī)械力的作用方式是通過NTF的振動(dòng)構(gòu)象改變，使Stachel序列暴露，然后與受體進(jìn)行結(jié)合從而激活受體?；诖私Y(jié)果，研究將受體結(jié)合口袋中與Stachel相互作用位點(diǎn)進(jìn)行突變，發(fā)現(xiàn)機(jī)械力作用有不同程度的降低，因此得出結(jié)論——機(jī)械力是通過調(diào)控Stachel與受體的結(jié)合來激活受體（圖2）。

圖1.aGPCR依賴Stachel激活的三種假設(shè)模型

圖3.GPR133 GPR114結(jié)構(gòu)模型

來源： 上海藥物研究所