新的研究结果将两种先进的成像技术结合起来，以探索一种常见的粘附G蛋白偶联受体（aGPCR）的整体结构。其中包括研究其漫长而复杂的细胞外部分如何与位于细胞膜中的跨膜部分相互作用。细胞外部分的不同位置和运动似乎在激活受体中起着关键作用。
大约35%的美国食品和药物管理局批准的药物靶向G蛋白偶联受体（GPCRs），这些受体是位于细胞膜内并促进细胞之间通信的蛋白质。粘附G蛋白偶联受体（aGPCRs）是人类中第二大类这类受体。顾名思义，它们帮助细胞相互粘附，并在体内传递信号。
这些受体参与众多生物过程，包括组织生长、免疫反应和器官发育。aGPCR的功能失常可能导致各种疾病，如癌症、神经系统疾病和生长异常。尽管它们在身体功能中扮演着重要角色，但由于它们的巨大体积、复杂性以及与其研究相关的挑战，目前尚无药物获得批准专门靶向aGPCR。
芝加哥大学的研究团队成功结合了两种先进的成像技术，研究一种常见的aGPCR的完整结构。这包括理解其扩展的细胞外区域与嵌入细胞膜中的跨膜部分之间的相互作用。似乎细胞外片段的不同位置和运动对激活受体至关重要。
“这为粘附GPCR的药物靶向开辟了新途径，因为我们正在展示细胞外区域与跨膜部分之间的通信，”芝加哥大学生物化学与分子生物学副教授、该研究的高级作者Demet Araç博士表示，该研究发表于本月的自然通讯上。
记录新的图像和配置
aGPCR的细胞外部分从细胞膜延伸到周围环境，使其能够与其他细胞的分子和受体相互作用。它由多个结构域组成，包括G蛋白偶联受体自我蛋白水解诱导（GAIN）结构域，该结构域可以分裂成两个部分。
传统上，人们认为细胞外的配体与细胞外结构域之一结合，施加的力量使GAIN结构域与仍附着于跨膜部分的对应缚合激动剂（TA）分离。当TA被分离时，它可以操作并与跨膜区域结合以触发信号。然而，越来越多的生化证据表明，许多aGPCR的功能并不依赖于这一切割过程。分离GAIN结构域也是一种不可逆的动作，使得受体处于持续激活状态，这对细胞可能是有害的。在某些情况下，细胞可能需要切换受体的开和关，这暗示着需要替代的激活机制。
Araç的实验室花费了11年时间来揭示全长aGPCR的结构，旨在理解如何将信号从外部环境传递到细胞内部。这些受体因其细胞外区域复杂多样的配置而难以完全研究。研究生Szymon Kordon博士主导了这项研究，继续之前学生的工作，以捕捉Latrophilin3的完整结构图像，这一aGPCR对大脑突触的发展至关重要，并与注意力缺陷多动障碍和某些癌症相关。
Kordon和Araç改善了Latrophilin3的生成和纯化过程，并获得了初步的电子显微镜图像，尽管他们在捕捉受体的清晰图像时遇到了一些障碍。他们与芝加哥大学生物化学与分子生物学的杰出教授Antony Kossiakoff博士合作，创建了一种合成抗体，可以附着在aGPCR上。这种抗体为细胞外区域提供了稳定性，并赋予其独特的形状，使Kordon能够使用冷冻电子显微镜（cryo-EM）捕捉完整的受体结构，这是一种将细胞和分子冻结以获得瞬时图像的先进成像技术。生成的图像代表了已知的完整aGPCR的第一种结构。
冷冻电子显微镜图像显示，受体的GAIN结构域相对于细胞膜采用了几种不同的位置。每个位置与跨膜区域形成不同的接触点。研究人员推测，这些不同的配置可能作为与细胞之间通信的替代方式，而不必一定要分离GAIN结构域。因此，他们与西北大学的分子生物科学副教授Reza Vafabakhsh博士及西北大学的博士后研究员Kristina Cechova博士合作进行第二系列实验，以监测细胞外区域的运动。
Cechova及其团队应用了福斯特共振能量转移（FRET）成像，这种技术量化邻近分子之间的能量转移。通过将荧光标记物附着在aGPCR的细胞外和跨膜区域的特定点，他们能够跟踪受力时的运动变化。他们的观察验证了他们关于不同配置功能的假设。
“不同的构象状态与受体的不同信号活性相关，”Kordon表示。“这证明了这些构象在细胞信号传递中的功能重要性。”Kordon于2024年毕业，并因其对这一研究的贡献获得芝加哥大学生物化学与分子生物学系的最佳论文奖。
一种新的激活受体的方法
Araç指出，随着对aGPCR结构和功能的更清晰理解，有潜力像靶向其他受体一样来靶向它们。研究人员可以工程化抗体，像本研究中使用的那样，为成像目的稳定受体，但设计用于操控其活性。考虑到aGPCR具有独特的形状和结构，这些抗体可能会非常精确。鉴于在人类中已识别出33种不同的aGPCR，这为探索打开了众多途径。
“这可能代表了将来对粘附GPCR的药物靶向，”Araç解释道。“好处在于细胞外区域彼此显著不同，使药物靶向最小化与其他受体的不良交互，并减少副作用。”
