胰高血糖素样肽受体的结构与功能研究

The glucagon like peptide-1 receptor (GLP-1R) is activated upon binding to its ligand glucagon like peptide-1 and in turn conducts signal transduction towards its downstream molecular components to initiate a series of physiological events such as enhancement of insulin production and lowering glucagon level, etc. GLP-1R has a large ectodomain on its N-terimal which can bind GLP-1 and then deliver it into transmembrane domain to induce global conformational change, thereby opening whole signaling pathway. Signal transduction pathway mediated by GLP-1R plays a critical role in control of blood glucose level since the structural basis for GLP-1 signaling can not only elucidate functional mechanism of class-B GPCR, but also provide guide on medicine development and optimization for type II diabetes.The present application is proposed to combine novel technologies in membrane protein crystallography with antibody engineering and high-throughput functional assay platform to investigate the structural basis for binding of GLP-1R to its natural ligands and/or its agonists/antagonists and rebuild a dynamic process for class-B GPCR activation by integrate structures of GLP-1R in different signaling states.

胰高血糖素样肽1受体（GLP-1R）可通过结合配基胰高血糖素样肽1进行激活并向下游进行信号转导，从而引发一系列的生理反应，例如胰岛素合成的提高、胰高血糖素水平下降等等。GLP-1R具有较大的细胞外结构域，该结构域在结合配基GLP-1后将其递送于跨膜区并引发整个分子变构，从而启动信号转导通路。GLP-1R介导的信号转导通路在生理血糖控制中具有重要作用，其进行信号转导的结构基础不仅可以阐明B类GPCR的功能机制，而且可为II型糖尿病的药物研发与优化提供指导。本研究拟结合新型膜蛋白结晶技术与抗体工程、高通量活性测定平台来阐明GLP-1R结合天然配基与激动剂/拮抗剂的结构基础，并根据不同状态下的三维结构重建B类GPCR激活进行信号转导的动态过程，同时进一步探索GLP-1R与其下游G蛋白形成复合物的分子机制。

本项目原本聚焦于人类胰高血糖素样肽1受体的结构解析工作，然而，本项目启动约五个月之后，该蛋白的多个构象结构已经由其它研究团队发表，因此，此后的工作为确保创新性和探索性，将目标调整为其它影响糖脂代谢的重要靶点分子的结构解析与功能分析工作。在此后的研究中，本项目成功地解析了影响甘油代谢和葡萄糖异生的甘油通道AQP7的晶体结构。人类甘油通道AQP7催化甘油从脂肪细胞中释放并以及胰岛、肌肉和肾小管细胞对甘油的摄取，并且由此而调节这些组织中的甘油代谢。AQP7在胰岛细胞中的表达降低可引起肥胖、胰岛素水平降低，最终引起糖尿病症状。我们利用晶体学方法，同时结合生化活性分析以及分子动态模拟技术，揭示了AQP7催化甘油跨膜运输的结构基础和动态过程。我们解析出的AQP7三维结构显示，AQP7与经典的水通道相比具有更为稳定和狭窄的芳香族-精氨酸过滤器（Ar/R过滤器），位于细胞外侧开口处的Ar/R过滤器附近我们发现了一个底物结合口袋，其中结合有一个甘油分子，该分子通过过滤器中的R229残基而稳定于此。分子动态模拟显示，甘油通过AQP7的过程中涉及到通道内多处局部结构的重排，包括Ar/R过滤器、位于通道中段的经典NPA基序以及位于细胞质一侧的门控结构。针对此前AQP7与其类似蛋白AQP10是在不同pH下分别具有活性的报道，我们利用同位素标记甘油分子进行了活性分析，发现这两种蛋白均能在生理pH下转运甘油，此前的报道可能是实验方法带来的误差，这为学术界正确了解甘油通道的调控机制提供了重要的证据。作为治疗肥胖和干预糖尿病的潜在靶点，AQP7结构的解析以及工作原理的初步阐明，为针对这一分子设计药物与干预方法提供了重要的理论基础。