近日,香港中文大學(深圳)生命與健康科學學院、科比爾卡創新藥物開發研究院杜洋教授研究組與美國匹茲堡大學張誠教授研究組合作在《Cell Research》發表了短文文章Cryo-EM structure of the AVP-vasopressin receptor 2-Gs signaling complex,首次報道了AVP激活的V2R與下游Gs蛋白復合物的冷凍電鏡結構,分辨率為2.8 ?。

《Cell Research》是《Nature》旗下中國本土創辦的生物醫學領域旗艦期刊,也是影響因子最高(20.507)的國產科技期刊。香港中文大學(深圳)生命與健康科學學院為第一單位,生命與健康科學學院科比爾卡創新藥物開發研究院訪問學生王雷和徐俊為該論文的共同第一作者,杜洋教授和張誠教授為共同通訊作者。

本研究的冷凍電鏡數據在香港中文大學(深圳)生命與健康科學學院科比爾卡冷凍電鏡中心收集。同時,得到了科比爾卡冷凍電鏡平臺柳正教授的支持與幫助。

加壓素(vasopressin,AVP)也稱為精氨酸抗利尿激素,是一種在下丘腦中合成釋放到血液中以維持體液穩態和血壓的環狀九肽。AVP被一類包括V1aR,V1bR和V2R的G蛋白偶聯受體(GPCR)識別1。盡管它們具有高度的序列相似性,但是這些受體具有特定的組織分布和功能。V1aR主要存在血管平滑肌中介導血管收縮,V1bR主要存在垂體中以抵抗焦慮壓力,V1aR和V1bR均與G蛋白Gq/G11偶聯。有趣的是V2R主要存在于腎臟遠端彎曲小管和集合管中通過與G蛋白Gs偶聯調控體液穩態。V2R功能障礙可導致許多疾病,包括功能喪失型的腎源性尿崩癥(NDI)和功能獲得型的抗利尿激素不適當綜合征(NSIAD)2。在V2R功能障礙的腎病患者中,已經報道了超過200種不同的V2R基因突變, 但是涉及疾病的V2R基因突變的分子機制仍然不清楚。由于V2R基因位于X染色體,因此相關疾病也常伴隨性染色體隱性遺傳3。作為加壓素受體家族的代表成員,V2R是治療腎功能障礙的熱門藥物靶點。盡管眾多研究機構已經在相關藥物開發方面做出了巨大努力,但是成就仍然有限。目前已上市的去氨加壓素(desmopressin,DDAVP)作為肽類V2R激動劑藥物可以治療原發性夜間遺尿癥,托伐普坦(Tolvaptan)是小分子V2R拮抗劑藥物用于治療NSIAD和低鈉血癥,但是他們都具有較嚴重的副作用。對V2R進行結構藥理學研究并揭示其配體作用機制,對理解配體結合特性、受體激活機理以及設計更高效安全的靶向加壓素受體治療腎功能障礙藥物具有重要科學意義和臨床應用價值。

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在復合物結構中,V2R表現為經典的七次跨膜螺旋結構;AVP由二硫鍵形成獨特環狀九肽結構,其環狀部分完全掩埋在V2R的帶正電荷的配體結合口袋中,而末尾線性部分延伸到受體胞外區域;Gs蛋白偶聯在受體胞內區域。由于尚無V2R的非活性結構,文章通過與同源性最高的催產素受體(Oxytocin receptor)4的非活性結構進行比對,推測了V2R的激活機制。AVP通過受體7TMs核心區域的構象變化激活V2R,該核心區域由TM6中間的非保守殘基Y6.44和TM7中不尋常的芳香簇扭轉區域組成。與其他GPCR-G蛋白復合物類似,Gαs的α5螺旋插入到V2R的細胞質空腔中使得V2R的TM6向外運動。此外,結構中V2R與Gs蛋白的偶合模式與其他已經報道的Gs偶聯的A類GPCR復合物結構的偶合模式明顯不同,包括受體的TM5和TM6變構幅度以及Gs的α5螺旋的插入方向,表明Gs與A類GPCR偶聯存在多樣性。文章還通過結構細節闡釋了一些基因突變引起相關疾病的分子機制,包括引起NDI疾病的F287L,M123R/K和引起NSIAD疾病的R137L突變。綜上所述,研究團隊通過高分辨結構詳細分析了AVP的識別和V2R的激活機制,為針對V2R的藥物設計提供了重要結構和理論基礎。

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原文鏈接:

https://doi.org/10.1038/s41422-021-00483-z

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參考文獻:

1. Holmes, C. L., Landry, D. W. & Granton, J. T. Science review: Vasopressin and the cardiovascular system part 1--receptor physiology. Crit Care 7, 427-434, doi:10.1186/cc2337 (2003).

2. Juul, K. V., Bichet, D. G., Nielsen, S. & Norgaard, J. P. The physiological and pathophysiological functions of renal and extrarenal vasopressin V2 receptors. Am J Physiol Renal Physiol 306, F931-940, doi:10.1152/ajprenal.00604.2013 (2014).

3. van den Ouweland, A. M. et al. Colocalization of the gene for nephrogenic diabetes insipidus (DIR) and the vasopressin type 2 receptor gene (AVPR2) in the Xq28 region. Genomics 13, 1350-1352, doi:10.1016/0888-7543(92)90067-3 (1992).

4. Waltenspuhl, Y., Schoppe, J., Ehrenmann, J., Kummer, L. & Pluckthun, A. Crystal structure of the human oxytocin receptor. Sci Adv 6, eabb5419, doi:10.1126/sciadv.abb5419 (2020).

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個人簡介

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杜洋教授現任香港中文大學(深圳)生命與健康科學學院助理教授、博士生導師,科比爾卡創新藥物開發研究院責任研究員。2011年于中國科學技術大學取得博士學位,之后赴美國斯坦福大學醫學院分子與細胞生理學系,師從2012年諾貝爾化學獎得主布萊恩·科比爾卡(Brian Kobilka)教授,從事G蛋白偶聯受體(GPCR)相關的博士后訓練和研究科學家聘用工作。期間獲授美國心臟協會(American Heart Association)全額博士后獎學金和斯坦福心血管研究所資助等。杜教授的主要研究方向是以β2腎上腺素受體(beta-2 adrenergic receptor)等重要藥物靶點的G蛋白偶聯受體(GPCR)為對象,研究其與下游信號分子復合物的結構、功能和分子藥理特性。

杜教授迄今已發表約50篇高質量SCI論文(13篇第一或通訊作者論文,含共同),包括在《Cell》《Nature》《Nature Comm.》《Cell Research》《JACS》等國際頂級期刊等報道的一系列突出的科研成果,并受邀為《Science》《Nature Comm.》等多種國際頂尖科學雜志審稿。杜教授于2021年起受聘為教育部特聘專家,已入選國家級、廣東省和深圳市等各級高層次人才項目。