清華新聞網(wǎng)12月18日電 近期，清華大學(xué)藥學(xué)院劉翔宇教授課題組與中南大學(xué)湘雅醫(yī)院產(chǎn)科張衛(wèi)社教授課題組合作研究，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受體的藥物研發(fā)提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。
前列腺素是一類(lèi)在動(dòng)物體內(nèi)產(chǎn)生的生理活性脂質(zhì)，它們來(lái)源于花生四烯酸，自1930年，第一個(gè)前列腺素被瑞典生理學(xué)家烏爾夫·馮·奧伊勒發(fā)現(xiàn)后，有數(shù)十種前列腺素被分離鑒定出來(lái)。它們都具有二十個(gè)碳原子，包括一個(gè)五元脂肪環(huán)，并根據(jù)五元脂肪環(huán)上取代基的不同將前列腺素分為D、E、F等不同類(lèi)型。不同種類(lèi)的前列腺素參與多種生理過(guò)程，如PGE2參與炎癥、PGD2與免疫反應(yīng)相關(guān)、PGF2α調(diào)節(jié)子宮平滑肌，而PGI2對(duì)循環(huán)系統(tǒng)有正調(diào)節(jié)作用。前列腺素的作用是多樣的，取決于其與特定受體的結(jié)合及所在的組織環(huán)境。
伴隨著越來(lái)越多的前列腺素被發(fā)現(xiàn)，另外一個(gè)謎題卻浮出水面：生物體如何識(shí)別不同種類(lèi)前列腺素間的微小差別？對(duì)相關(guān)選擇性機(jī)制理解有助于指導(dǎo)靶向前列腺素受體的藥物設(shè)計(jì)。
以該研究關(guān)注的FP受體為例，F(xiàn)P受體在女性生殖系統(tǒng)尤其是子宮平滑肌中高表達(dá)，被配體激活后可引起強(qiáng)烈的子宮收縮。FP受體激動(dòng)劑卡前列素是內(nèi)源性配體PGF2α的衍生物，被廣泛用于產(chǎn)后出血的治療，尤其是難治性產(chǎn)后出血。但是，卡前列素因可以脫靶激活EP3受體，導(dǎo)致發(fā)熱、高血壓等副作用。FP受體的高選擇性激動(dòng)劑拉坦前列素，同樣也是PGF2α的類(lèi)似物，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）。
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
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結(jié)合人類(lèi)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）。在FP受體中卡前列素和拉坦前列素被包埋在一個(gè)疏水的口袋中，只留有一個(gè)親水的基團(tuán)和五元脂肪環(huán)的極性取代基與FP受體形成極性的相互作用。清晰的原子分辨率結(jié)構(gòu)給選擇性謎題的解決帶來(lái)了嶄新的視角，揭示了卡前列素脫靶效應(yīng)的成因：與其他前列腺素受體相比，F(xiàn)P受體和EP3受體的配體結(jié)合口袋極為相似，這個(gè)口袋緊緊包裹了卡前列腺素，這種相似性大大降低了配體識(shí)別的能力，造成了卡前列腺素的脫靶和副作用。然而，這依然無(wú)法解釋前列腺素在受體間的選擇性問(wèn)題，更多的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)依然需要被研究者挖掘。
研究組首先將目光投向了前列腺素的五元環(huán)結(jié)構(gòu)上，這是前列腺素分類(lèi)的依據(jù)，同樣也是內(nèi)源性前列腺素最多變的結(jié)構(gòu)。通過(guò)對(duì)相關(guān)區(qū)域的仔細(xì)探查，研究者發(fā)現(xiàn)，前列腺素受體與配體產(chǎn)生極性相互作用的區(qū)域也集中在五元環(huán)的區(qū)域，這同樣也是前列腺素受體保守性最低最多變的區(qū)域。前列腺素選擇性機(jī)制的假設(shè)應(yīng)運(yùn)而生：前列腺素的五元環(huán)結(jié)構(gòu)與受體形成了氫鍵網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)極性殘基的變化識(shí)別五元環(huán)上不同的取代基。這個(gè)假設(shè)同樣被活性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，通過(guò)對(duì)位突變的實(shí)驗(yàn)，F(xiàn)P受體和EP3受體對(duì)配體的選擇性被輕易改變。
但是，新發(fā)現(xiàn)的選擇性機(jī)制依然無(wú)法解釋兩種臨床藥物之間的選擇性差別：拉坦前列腺素和卡前列素最主要的差別在遠(yuǎn)端，拉坦前列腺素以苯環(huán)作為末端，而卡前列腺素則更像內(nèi)源性配體，以甲基作為末端。末端區(qū)域遠(yuǎn)離先前發(fā)現(xiàn)的五元環(huán)極性口袋，這提示了還有新的選擇性機(jī)制未被發(fā)現(xiàn)。
通過(guò)對(duì)末端結(jié)合口袋的探查，研究組發(fā)現(xiàn)，在FP受體中，拉坦前列腺素的末端苯環(huán)與受體的三個(gè)苯丙氨酸形成了強(qiáng)烈的“π-π堆積”，但是在EP3受體中，這種“π-π堆積”卻被一個(gè)脂肪側(cè)鏈打破。π-π相互作用被打破會(huì)是配體選擇性的來(lái)源嗎？研究組進(jìn)一步進(jìn)行了對(duì)位突變的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明打破或補(bǔ)償這一對(duì)π-π相互作用徹底逆轉(zhuǎn)了拉坦前列腺素的選擇性，這說(shuō)明苯環(huán)與苯丙胺酸之間的π-π相互作用是拉坦前列腺選擇性的原因。至此，困擾人們多年的前列腺素選擇性機(jī)制也初步展示出它的廬山真面目。
另外，不同的前列腺素受體亞型偶聯(lián)不同的G蛋白。研究組將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，也初步揭示了前列腺素受體對(duì)不同G蛋白選擇性的分子機(jī)制。
總體而言，該研究既揭示了前列腺素及其類(lèi)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。
相關(guān)研究成果于12月8日以“人源前列腺素F2α（PGF2α）受體對(duì)配體及G蛋白選擇性的分子機(jī)制”（Structures of human prostaglandin F2α receptor reveal the mechanism of ligand and G protein selectivity）為題發(fā)表在《自然·通訊》（Nature Communications）期刊上。
清華大學(xué)藥學(xué)院教授劉翔宇與中南大學(xué)湘雅醫(yī)院教授張衛(wèi)社為論文的共同通訊作者。中南大學(xué)湘雅醫(yī)院博士生呂秀清、聶佳，清華大學(xué)藥學(xué)院博士生高凱旋為論文的共同第一作者。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。該研究得到國(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。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-43922-8
供稿：藥學(xué)院
題圖設(shè)計(jì)：趙存存
編輯：李華山
審核：周襄楠
