2024年11月28日，自然-通讯（Nature Communications）在线发表了刘剑峰课题组题为 “Structural basis of orientated asymmetry in a mGlu heterodimer”（ 代谢型谷氨酸受体异源二聚体定向不对称性的结构基础）的研究论文。
G 蛋白偶联受体（GPCR）异源二聚体由两个不同的GPCR亚基组成，不同亚基间通过别构调控其构象变化诱导的下游的G蛋白结合，具体调控机制还不清楚。GPCR C家族中的代谢型谷氨酸（mGlu）受体亚家族中的8种受体以同源二聚体形式调节神经突触传递和神经元兴奋性。近年研究表明mGlu受体亚家族8种受体也可以形成16种异源二聚体。刘剑峰课题组前期工作通过基于纳米抗体检测GPCR表达与活性新方法，发现mGlu2-4异源二聚体在脑组织中高比例表达 （Nature Chemical Biology., 2022）。mGlu受体的同源二聚体和异源二聚体，都仅通过其中一个亚基非对称结合G蛋白。有趣的是，尽管mGlu2同源二聚体也能结合G蛋白，而在mGlu2-4异二聚体中只有mGlu4能结合G蛋白，这种定向不对称性的机制还不清楚。
刘剑峰课题组和浙大基础医学院张岩教授课题组合作，使用冷冻电镜技术解析了多种状态mGlu2-4异源二聚体的结构，并通过半胱氨酸交联技术对mGlu2-4二聚体跨膜区构象重排进行了验证，发现其跨膜区在非活性状态下呈现出TM5-TM5的作用界面，在激活状态时，其界面重新排列为TM6-TM6或TM6-TM7，发现了TM6/TM6-7界面是受体激活的标志性特征。进一步研究还发现，胞内区ICL2的关键氨基酸在mGlu4和G蛋白结合中起到了关键作用，揭示了mGlu2-4异源二聚体定向不对称的作用机制。此外，单分子FRET实验证明选择性只结合mGlu2或mGlu4亚基的激动剂LY379268和L-AP4，只能够部分增加mGlu2-4异源二聚体激活，其效果不及同时结合mGlu2和mGlu4亚基的谷氨酸的激活效果，解释受体部分激活的分子机制。最后，还发现了正向变构小分子VU015504的结合位点与胞外区ECL2接近，呈现一种全新的结合口袋，为未来开发新的变构类药物提供了新的药理学假说。
该项工作首次系统阐述了异源二聚体mGlu2-4受体的定向非对称激活机制：在非激活状态下，mGlu2-4受体两个亚基的胞外区VFT都处于开放状态，跨膜区TM保持TM5-TM5互作界面；在中间态，特异激动剂分别只结合在mGlu2或mGlu4亚基，导致对应的VFT关闭，而另一个亚基的VFT保持打开状态时，其跨膜区保持TM4-TM4或者 TM4-TM5界面；在激活状态下，两个亚基的VFT结合谷氨酸而导致VFT关闭并进一步促进TM重排，形成TM6-TM6/7互作界面。mGlu4亚基的TM内部氨基酸以及跨膜区的胞内段ICL2顶端的关键氨基酸，使其更容易选择性结合Gi蛋白，最终定向不对称激活下游信号通路（图）。
图：mGlu2-4异源二聚体激活模型
该工作是浙大-华科大细胞信号转导联合实验室成立以来合作的又一项重要成果。该工作也进一步验证了刘剑峰课题组之前发现的C族GPCR异源二聚体如GABAB受体（Nature, 2021; Cell Research, 2020; Nature Communications，2019）的非对称激活模式，提示GPCR异源二聚体定向非对称性激活的普遍性。华科大生命科学与技术学院博士生黄维竹，晋楠、博士后申仓松博士、副教授许婵娟博士、浙江大学基础医学院博士生郭嘉、助研席昆博士为该论文共同第一作者。华科大生命科学与技术学院刘剑峰教授，浙大基础医学院张岩教授和法国功能基因研究所 PIN JP教授为共同通讯作者。该研究工作得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金项目的支持。
文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-54744-7
