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2023年12月8日清華大學(xué)藥學(xué)院劉翔宇課題組與中南大學(xué)湘雅醫(yī)院產(chǎn)科張衛(wèi)社課題組合作在Nature Communications以長(zhǎng)文形式在線發(fā)表了題為“Structures of human prostaglandin F2α receptor reveal the mechanism of ligand and G protein selectivity”的研究論文。該研究報(bào)道了前列腺素F2α受體(FP受體)與低選擇性配體卡前列素和高選擇性配體拉坦前列素（游離酸形式）結(jié)合G蛋白復(fù)合物的高分辨率冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，揭示了前列腺素和臨床藥物對(duì)FP受體的選擇性機(jī)制，以及與前列腺素受體相關(guān)的G蛋白偏向性的分子機(jī)制，為靶向FP受體的相關(guān)藥物研發(fā)奠定了分子基礎(chǔ)。
研究背景：
前列腺素是花生四烯酸的代謝產(chǎn)物，可分為PGF2α、PGE2、PGD2、PGI2、TXA2等。這些前列腺素分別通過(guò)作用于相應(yīng)的前列腺素受體亞型FP受體、EP受體（EP1-EP4）、DP受體(DP1、DP2)、IP受體以及TP受體在體內(nèi)發(fā)揮廣泛生理作用，比如心血管穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)、體溫調(diào)節(jié)、炎癥反應(yīng)等。不同的前列腺素受體亞型偶聯(lián)不同的G蛋白，其中FP受體、EP1受體、TP受體偶聯(lián)Gq， DP1受體、 EP2受體、 EP4受體和IP受體偶聯(lián)Gs，EP3偶聯(lián)Gi。不同的受體具有不同的組織分布。FP受體在女性生殖系統(tǒng)尤其是子宮平滑肌高表達(dá)，被配體激活后可引起強(qiáng)烈的子宮收縮。FP受體激動(dòng)劑卡前列素被廣泛用于產(chǎn)后出血的治療，尤其是難治性產(chǎn)后出血。卡前列素為FP受體的低選擇性激動(dòng)劑，可脫靶于EP3受體，導(dǎo)致發(fā)熱、高血壓等副作用，而FP受體的高選擇性激動(dòng)拉坦前列素，目前主要用于治療青光眼，由于其溶解性及較高的清除率，限制了其在產(chǎn)后出血方面的應(yīng)用（圖1a）。理解前列腺素及其類似物對(duì)于FP受體選擇性的分子機(jī)制，有助于產(chǎn)后出血藥物的開(kāi)發(fā)。
研究方法：
該研究利用冷凍電鏡技術(shù)解析了兩種臨床藥物卡前列素和拉坦前列素（游離酸形式）結(jié)合人類FP受體-G蛋白復(fù)合物結(jié)構(gòu)，分辨率分別為2.7?? 和3.2??（圖1b, c）。前列腺素PGF2α及其類似物在結(jié)構(gòu)上可分為α鏈、F環(huán)和ω鏈，以卡前列素為例介紹前列腺素與FP受體的結(jié)合口袋。從該結(jié)構(gòu)中，研究人員觀察到卡前列素α鏈、F環(huán)和ω鏈與FP受體互作形成三個(gè)亞口袋。α鏈主要通過(guò)極性作用與受體的Y922.65、T184ECL2和 R2917.40殘基互作，而ω鏈主要通過(guò)與受體M1153.32、 F18745.51、F2055.41、W2626.48、F2656.51 和 L2907.39殘基形成疏水口袋，上述殘基大部分在不同前列腺素受體亞型中是保守的。F環(huán)主要與S331.39、 T2947.43 、H812.54等殘基形成氫鍵網(wǎng)絡(luò)，且這些殘基在不同前列腺素受體亞型中是相對(duì)不保守的。
圖1 FP受體的功能以及卡前列素和拉坦前列素結(jié)合FP-G蛋白復(fù)合物整體結(jié)構(gòu)圖
a, FP受體的功能以及FP受體高選擇性激動(dòng)劑拉坦前列素和低選擇性激動(dòng)劑卡前列素的病理生理作用; b-c, 卡前列素(b)和拉坦前列素(c)結(jié)合FP-miniGs/q70iN復(fù)合物的冷凍電鏡整體結(jié)構(gòu)圖。
在了解配體與FP受體互作結(jié)合方式后，研究人員探究了內(nèi)源性前列腺素和臨床藥物在FP受體和EP3受體之間選擇性的分子機(jī)制。通過(guò)結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，內(nèi)源性前列腺素與受體互作的主要區(qū)別來(lái)自于前列腺素五元環(huán)周圍與受體的互作不同。通過(guò)點(diǎn)突變實(shí)驗(yàn)研究人員驗(yàn)證了內(nèi)源性前列腺素選擇性是源于五元環(huán)與FP受體S331.39、H812.54、Q1032.54殘基互作，同時(shí)揭示了F環(huán)相對(duì)于E環(huán)與受體互作時(shí)需要更大的空間。而臨床藥物拉坦前列素對(duì)于FP受體的選擇性主要來(lái)源于與苯環(huán)互作的殘基，結(jié)構(gòu)分析和點(diǎn)突變實(shí)驗(yàn)都支持FP受體殘基F2656.51在選擇性識(shí)別拉坦前列腺素中起到了關(guān)鍵作用。
另外，不同的前列腺素受體亞型偶聯(lián)不同的G蛋白。研究人員將FP-Gq蛋白復(fù)合物結(jié)構(gòu)與已解析的EP2-Gs復(fù)合物以及EP3-Gi復(fù)合物結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較，探究G蛋白選擇性分子機(jī)制。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)FP受體的TM6向外擺動(dòng)幅度最小，形成了較窄的G蛋白結(jié)合口袋。G蛋白α5螺旋的取向主要是通過(guò)FP受體的R5712.49 與G蛋白α5螺旋氨基酸VH5.26的C端羧基形成的鹽橋，受體殘基H14334.53與α5螺旋殘基NH5.19形成的氫鍵以及受體殘基H2446.30 與α5螺旋殘基 QH5.17形成的氫鍵來(lái)維持。有趣的是，FP受體的這三個(gè)殘基R5712.49、H14334.53和H2446.30在FP受體、EP2受體以及EP3受體之間是不保守的。將Gs和Gi置換Gq于FP受體胞內(nèi)的G蛋白結(jié)合口袋，可以發(fā)現(xiàn)FP受體殘基H2436.29 可能與Gs 的RH5.17 和RH5.21、Gi 的FH5.26 殘基沖突。因此本研究的結(jié)構(gòu)信息一定程度上揭示了前列腺素受體對(duì)G蛋白的選擇性分子機(jī)制。
總結(jié)：
總體而言，這項(xiàng)研究既揭示了前列腺素及其類似物對(duì)于FP受體的選擇性分子機(jī)制，也揭示了前列腺素受體對(duì)G蛋白的選擇性分子機(jī)制。這將為后續(xù)以FP受體為靶點(diǎn)的藥物開(kāi)發(fā)提供重要的研究基礎(chǔ)，尤其是開(kāi)發(fā)副作用更小的治療產(chǎn)后出血的藥物。
清華大學(xué)藥學(xué)院劉翔宇教授與中南大學(xué)湘雅醫(yī)院張衛(wèi)社教授為本論文共同通訊作者。中南大學(xué)湘雅醫(yī)院博士研究生呂秀清、清華大學(xué)藥學(xué)院博士研究生高凱旋以及中南大學(xué)湘雅醫(yī)院博士研究生聶佳為本論文共同第一作者。本研究中的冷凍電鏡數(shù)據(jù)在清華大學(xué)蛋白質(zhì)研究中心-冷凍電鏡平臺(tái)收集，此項(xiàng)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、北京生物結(jié)構(gòu)前沿研究中心和生命科學(xué)聯(lián)合中心的資助。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-43922-8
