五羟色胺1B受体与Gi蛋白复合物的结构研究

The molecular mechanism of G protein-coupled receptor (GPCR)-G protein activation has been one of the major scientific problems. Many scientists have paid vast amount of efforts to characterize GPCR-G protein interaction. Most of G proteins and a few GPCR structures, tons of biochemistry, functional, and molecular simulation data have provided a pool of informatic clues for the GPCR-G protein interaction. However, GPCR signaling transduction mechanism remains challenging because of lack of GPCR/G protein complex structures. The crystal structure of β2-AR/Gs complex, which provide the structural basis for GPCR and Gs coupling, is the only one structure of the GPCR-G protein complex present yet. The elucidation of the molecular mechanism of Gi-coupled signaling pathway activation highly depends on the structure determination of GPCR and Gi protein complexes, which is also our target of this project. In our previous studies, we have solved structures of 5-HT1B receptor bound to agonist and antagonist respectively, and also the structures of dominant negative heterotrimeric Gαiβγ protein. Here, we will focus on structure determination of 5-HT1B/Gi complex. The complex structure will reveal the molecular mechanism of selectivity of 5-HT1B receptor binds to Gi protein, and activation of downstream Gi-dependent signaling pathway, thus laying a solid structural foundation for the development of GPCR-targeted drug.

GPCR激活下游G蛋白信号通路的分子机制是GPCR乃至整个生物学领域重大的科学问题之一。尽管大量生化、功能学和分子动力学模拟等数据为GPCR与G蛋白的相互作用提供了重要信息，且已有众多G蛋白和GPCR的结构获得解析，然而由于GPCR与G蛋白复合物结构的缺失，GPCR与G蛋白转导机制领域仍有众多问题凾待解决。迄今仅有一个GPCR与G蛋白复合物——β2-AR/Gs复合物的晶体结构被报道，该结构为Gs信号转导提供了关键的结构信息。GPCR激活Gi蛋白的分子机制等科学问题的阐明依赖于GPCR与Gi蛋白复合物高分辨率结构的解析。本项目拟在已分别获得5-HT1B受体激动和抑制构象的晶体结构，以及Gi显性失活突变体结构的基础上，解析5-HT1B/Gi蛋白复合物的高分辨率三维结构，揭示5-HT1B受体选择性结合Gi蛋白，激活下游Gi蛋白信号通路的分子机制，为GPCR靶向药物的研发奠定坚实的结构学基础。

五羟色胺（5-HT）和多巴胺构成了人体大脑两类最为重要的神经递质。5-HT通过结合13种5-HT受体，通过不同的下游G蛋白转导跨膜信号，调控人体几乎所有的神经系统行为。5-HT及其受体系统的紊乱是精神分裂和抑郁等神经系统疾病的重要诱因，因此5-HT受体是一类重要的抗神经精神类疾病的药物靶标。尽管已有多种药物成功应用于临床，但由于精细结构缺失，配体/药物与受体结合的精细分子机制尚不明确。本项目利用单颗粒冷冻电镜的手段，首次解析了一系列5-HT1受体亚家族成员，包括5-HT1A、5-HT1D、5-HT1E和5-HT1F受体，与小分子配体/药物激动剂和下游效应Gi蛋白共6个近原子分辨率的复合物结构，解决了5-HT受体研究领域一系列重要科学问题，包括：5-HT广谱激动5-HT各受体亚型的分子机制；小分子配体和治疗药物，包括治疗精神分裂症的药物阿立哌唑、BRL-54443和新一代抗偏头痛药物拉米替坦等分别选择性识别5-HT1A、5-HT1E和5-HT1F受体的分子机制，破解了配体识别5-HT受体选择性的分子密码；水分子模拟5-HT调控5-HT1A受体本底活性的分子机制；本研究首次发现了脂质分子PtdIns4P通过结合于5-HT1A受体与Gαi界面，调控受体活性的分子机制；胆固醇分子通过稳定脂质分子和间接调控阿立哌唑与5-HT1A受体结合，调控5-HT1A受体激活的分子机制等。这些工作不仅解决了长期存在于5-HT受体配体识别和功能调控领域的一系列重要科学问题，其所提供的配体/药物与靶标受体相互作用的细节信息也为指导靶向5-HT1受体亚家族成员的药物设计提供了重要的结构模板。