清華新聞網(wǎng)5月19日電 近日，清華大學(xué)藥學(xué)院劉翔宇課題組與沈陽藥科大學(xué)無涯創(chuàng)新學(xué)院林斌課題組開展聯(lián)合研究，通過冷凍電鏡結(jié)構(gòu)解析、細(xì)胞信號實(shí)驗(yàn)和分子動(dòng)力學(xué)模擬，系統(tǒng)地揭示了P2Y2R激活的分子機(jī)制，涵蓋了配體識(shí)別、G蛋白選擇性以及由N端介導(dǎo)的自激活機(jī)制（圖1），為后續(xù)靶向P2Y2R的藥物設(shè)計(jì)和功能研究奠定了重要結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。
圖1.P2Y2R自激活及G蛋白選擇機(jī)制
ATP不僅作為生物體細(xì)胞內(nèi)的“能量貨幣”，還充當(dāng)細(xì)胞外一類重要的信號調(diào)節(jié)分子。自從1972年杰弗里·伯恩斯托克（Geoffrey Burnstock）首次提出ATP可作為細(xì)胞外信號分子后，科學(xué)家們逐漸在多種哺乳動(dòng)物組織和器官中都發(fā)現(xiàn)了由細(xì)胞外嘌呤和嘧啶介導(dǎo)的信號傳導(dǎo)現(xiàn)象，并認(rèn)為這對于調(diào)控細(xì)胞基本生命活動(dòng)具有重要意義。在已報(bào)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(yùn)、傷口愈合、炎癥反應(yīng)以及神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育中發(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(diǎn)而備受關(guān)注。然而，目前關(guān)于P2Y2R的結(jié)構(gòu)信息仍然缺乏，限制了我們對其配體識(shí)別和G蛋白選擇性機(jī)制的理解以及基于結(jié)構(gòu)的藥物合理設(shè)計(jì)。
該研究中解析了三種激活態(tài)P2Y2R的冷凍電鏡（Cryo-EM）結(jié)構(gòu)，包括ATP激活狀態(tài)下P2Y2R-Gq和P2Y2R-Go蛋白復(fù)合物，以及無配體狀態(tài)下（apo state）的P2Y2R-Gq蛋白復(fù)合物的高分辨率結(jié)構(gòu)（圖2, 圖3）。為了比較分析，研究人員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(jié)構(gòu)（圖2）。
圖2.ATP-P2Y2R-Gq, ATP-P2Y2R-Go和 UTP-P2Y4R-Gq復(fù)合物的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)
基于結(jié)構(gòu)信息，研究人員闡明了P2Y2R識(shí)別內(nèi)源配體ATP的分子機(jī)理，分析了P2Y2R與其他P2Y受體在配體識(shí)別方面的共性和差異。在P2Y2R正構(gòu)配體結(jié)合口袋中，ATP通過堿基朝上的方式與受體結(jié)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(shí)別P2Y2R而非P2Y4R的受體亞型選擇性機(jī)制。
細(xì)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(jié)合分子動(dòng)力學(xué)（MD）模擬與突變實(shí)驗(yàn)，研究人員闡明了P2Y2R如何通過胞內(nèi)側(cè)不同的結(jié)構(gòu)元件選擇性地激活特定G蛋白通路的分子機(jī)制。其中受體胞內(nèi)端ICL2（Intracellular loop 2）對于Gq蛋白的激活更關(guān)鍵，而ICL3（Intracellular loop 3）則對于Go的激活更關(guān)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(dòng)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(jié)合狀態(tài)下的P2Y2R和Gq蛋白復(fù)合物結(jié)構(gòu)，并用突變實(shí)驗(yàn)和分子動(dòng)力學(xué)模擬進(jìn)行驗(yàn)證，研究人員發(fā)現(xiàn)了P2Y2R的一種獨(dú)特激活機(jī)制：P2Y2R的N端部分序列形成helix構(gòu)象并占據(jù)其正構(gòu)配體結(jié)合口袋，從而引發(fā)受體自激活（圖3）。進(jìn)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(dòng)物中是保守的，并且不同于非哺乳動(dòng)物，暗示了P2Y2R中的自激活現(xiàn)象可能與哺乳動(dòng)物的復(fù)雜生理調(diào)節(jié)過程相關(guān)（圖1）。
圖3.P2Y2R N端誘導(dǎo)的受體自激活
相關(guān)研究成果以“P2Y2R自激活和G蛋白偶聯(lián)分子機(jī)制的結(jié)構(gòu)研究”（Structural insight into the self-activation and G-protein coupling of P2Y2 receptor）為題，于5月13日發(fā)表于《細(xì)胞發(fā)現(xiàn)》（Cell Discovery）。
清華大學(xué)藥學(xué)院劉翔宇研究員、沈陽藥科大學(xué)無涯創(chuàng)新學(xué)院林斌研究員為論文共同通訊作者。清華大學(xué)藥學(xué)院2021級博士生藍(lán)寶良和已畢業(yè)博士生張書豪為論文共同第一作者。研究得到國家自然科學(xué)基金委、北京生物結(jié)構(gòu)前沿中心、清華大學(xué)-北京大學(xué)生命科學(xué)聯(lián)合中心、清華大學(xué)自主科研計(jì)劃以及沈陽藥科大學(xué)中青年教師事業(yè)發(fā)展支持計(jì)劃的支持。清華大學(xué)冷凍電鏡平臺(tái)與水木未來冷凍電鏡平臺(tái)為冷凍電鏡數(shù)據(jù)收集提供了幫助。
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
供稿：藥學(xué)院
編輯：李華山
審核：郭玲
