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2025年5月13日，清華大學藥學院劉翔宇課題組與沈陽藥科大學無涯創(chuàng)新學院林斌課題組聯(lián)合在《細胞發(fā)現(xiàn)》（Cell Discovery）發(fā)表了題為“Structural insight into the self-activation and G-protein coupling of P2Y2 receptor” （P2Y2R自激活和G蛋白偶聯(lián)分子機制的結構研究）的重要成果。本研究通過冷凍電鏡結構解析、細胞信號實驗和分子動力學模擬，系統(tǒng)地揭示了P2Y2R激活的分子機制，涵蓋了配體識別、G蛋白選擇性以及由N端介導的自激活機制（圖1），為后續(xù)靶向P2Y2R的藥物設計和功能研究奠定了重要結構基礎。
ATP不僅作為生物體細胞內(nèi)的“能量貨幣”，還充當細胞外一類重要的信號調(diào)節(jié)分子。自從1972年Geoffrey Burnstock首次提出ATP可作為細胞外信號分子后，科學家們逐漸在多種哺乳動物組織和器官中都發(fā)現(xiàn)了由細胞外嘌呤和嘧啶介導的信號傳導現(xiàn)象，并認為這對于調(diào)控細胞基本生命活動具有重要意義。在已報道的嘌呤能受體中，P2Y2 receptor (P2Y2R) 能夠被ATP和UTP充分激活，其屬于G蛋白偶聯(lián)受體（簡稱GPCR），在調(diào)節(jié)血管舒張、離子轉(zhuǎn)運、傷口愈合、炎癥反應以及神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育發(fā)揮重要作用，并且P2Y2R也作為治療干眼癥和慢性炎癥疾病的有效靶點而備受關注。然而，目前關于P2Y2R的結構信息仍然缺乏，限制了我們對其配體識別和G蛋白選擇性機制的理解以及基于結構的藥物合理設計。
本研究中解析了3種激活態(tài)P2Y2R的冷凍電鏡（Cryo-EM）結構，包括：ATP激活狀態(tài)下P2Y2R-Gq和P2Y2R-Go蛋白復合物，以及無配體狀態(tài)下（apo state）的P2Y2R-Gq蛋白復合物的高分辨率結構（圖2, 圖3）。為了比較分析，作者還解析了同一亞家族（P2Y1-like）中與P2Y2R序列相似度最高的P2Y4R的激活態(tài)結構（圖2）。
圖2 ATP-P2Y2R-Gq, ATP-P2Y2R-Go和 UTP-P2Y4R-Gq 復合物的冷凍電鏡結構
基于結構信息，作者闡明了P2Y2R識別內(nèi)源配體ATP的分子機理，分析了P2Y2R與其他P2Y受體在配體識別方面的共性和差異。在P2Y2R正構配體結合口袋中，ATP通過堿基朝上的方式與受體結合（圖2），并且受體N端氨基酸殘基的序列特異性決定了ATP優(yōu)先識別P2Y2R而非P2Y4R的受體亞型選擇性機制。
細胞信號分析顯示，P2Y2R可以激活下游多種G蛋白亞型，其中主要包括Gq, Go, G12, G13等。結合分子動力學（MD）模擬與突變實驗，作者闡明了P2Y2R如何通過胞內(nèi)側不同的結構元件選擇性地激活特定G蛋白通路的分子機制。其中受體胞內(nèi)端ICL2（Intracellular loop 2）對于Gq蛋白的激活更關鍵，而ICL3（Intracellular loop 3）則對于Go的激活更關鍵（圖1）。
有趣的是，與一些A類GPCR相比，P2Y2R在沒有內(nèi)源性激動劑的情況下依然表現(xiàn)出較高的組成性激活活性。通過解析無配體結合狀態(tài)下的P2Y2R和Gq蛋白復合物結構，并用突變實驗和分子動力學模擬進行驗證，作者發(fā)現(xiàn)了P2Y2R的一種獨特激活機制：P2Y2R的N端部分序列形成helix構象并占據(jù)其正構配體結合口袋，從而引發(fā)受體自激活（圖3）。進一步通過序列比對發(fā)現(xiàn)，P2Y2R的N端特定序列特征在大部分的哺乳動物中是保守的，并且不同于非哺乳動物，暗示了P2Y2R中的自激活現(xiàn)象可能與哺乳動物的復雜生理調(diào)節(jié)過程相關（圖1）。
感謝清華大學冷凍電鏡平臺與水木未來冷凍電鏡平臺為冷凍電鏡數(shù)據(jù)收集提供了幫助。清華大學藥學院劉翔宇研究員、沈陽藥科大學無涯創(chuàng)新學院林斌研究員為本文共同通訊作者。清華大學藥學院在讀博士生藍寶良和已畢業(yè)博士張書豪為本文共同第一作者。本研究得到了國家自然科學基金委，北京生物結構前沿中心，清華大學-北京大學生命科學聯(lián)合中心，清華大學自主科研計劃以及沈陽藥科大學中青年教師事業(yè)發(fā)展支持計劃所提供的支持。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41421-025-00797-x?utm_source=rct_congratemailt&utm_medium=email&utm_campaign=oa_20250513&utm_content=10.1038/s41421-025-00797-x
