哈工大全媒體（生命 文/圖）12月23日，哈工大生命科學中心何元政課題組以題為“鞘氨醇1-磷酸受體1的啟用和偏向性機理的結構基礎”（Structural basis of sphingosine 1-phosphate receptor 1 activation and biased agonism）的科研成果發表於國際期刊《自然—化學生物學》（Nature Chemical Biology）上。該研究報道了人源鞘氨醇1-磷酸受體1/Gi複合物冷凍電鏡結構，揭示了內源性配體及藥物調節劑對鞘氨醇1-磷酸受體1產生偏向性訊號通路的結構基礎。
鞘氨醇1-磷酸（S1P）是細胞質膜上的鞘磷脂代謝物，可調節炎症反應、細胞遷移、血管生成、神經元和心臟發育。失調的S1P訊號與自身免疫、心血管和神經退行性疾病以及癌症相關。S1P主要透過與Gi蛋白偶聯受體S1PRs（S1PR1-5）結合發揮生理功能。由於S1P-S1PR1訊號在誘導淋巴細胞從淋巴器官遷出中起關鍵作用，S1PR1是治療多發性硬化症（MS，multiple sclerosis）的重要靶點。在機制研究上，與內源性配體S1P不同，藥物調節劑芬戈莫德（FTY720）和西尼莫德（BAF312）會啟用受體，並關聯β-arrestin偏向性訊號通路，誘導S1PR1在淋巴細胞內持續內化，導致淋巴細胞無法從淋巴結遷出，從而減緩炎症。然而藥物調節劑引起S1PR1偏向性啟用的構象差異仍不清楚。
何元政課題組首先透過冷凍電鏡技術解析了內源性配體S1P、藥物調節劑FTY720-P和BAF312分別與S1PR1-Gi結合的3種複合物結構。結構分析及功能資料表明，3種配體採用不同的機制結合受體，其中S1P和FTY720-P類似，它們的極性或帶電殘基位於結合口袋上方，疏水尾部位於疏水的結合口袋下方；BAF312主要透過廣泛的疏水作用與受體結合。與非活性結構的S1PR1相比，3種配體結合的S1PR1結構中都出現跨膜螺旋6（TM6）向外位移的構象變化，這表明受體啟用後其構象變化，從而形成Gαi結合位點。透過拮抗和啟用狀態的結構比較發現配體結合口袋中的W2696.48的位置和方向變化最大，在拮抗劑結合袋中，W2696.48的吲哚環垂直於膜平面，在激動劑S1P結合袋中，吲哚環向TM5翻轉約70度，而在FTY720-P和BAF312結合的受體結構中，W2696.48的側鏈處於S1P和拮抗劑結合結構的中間構象，這表明W2696.48吲哚環方向可以作為β-arrestin偏向性配體的感測器。結合功能分析和分子動態模擬學分析表明，β-arrestin偏向性配體透過其自身不同的結構改變了S1PR1的配體識別方式，引起受體PIF和NPxxY基序之間的廣泛相互作用，啟用S1PR1下游不同的訊號通路，其中W2696.48的中間翻轉以及F2656.44與N3077.49之間的相互作用是β-arrestin偏向性啟用受體的主要特徵。此外，該研究還發現S1PR1中的L2766.55和L2977.39是S1PR1特異性識別BAF312的關鍵位點。該研究為設計有效性和安全的新型β-arrestin偏向藥物以及受體亞型選擇性藥物提供了理論基礎。
該課題是哈工大生命科學中心與日本東北大學的合作專案。何元政課題組博士生徐珍媚、日本東北大學藥理學研究生院生田達也博士為並列第一作者，何元政課題組博士生錢雨、夏瑞雪參與了該課題的研究工作。哈工大生命科學中心公共平臺高階工程師郭長友、工程師張安琪合作參與了結構資料的收集工作。何元政研究員、日本東北大學藥理學研究生院井上飛鳥教授為本研究論文的共同通訊作者。
S1PR1/G蛋白複合物冷凍電鏡結構
S1PR1結構揭示了當前治療多重性硬化症藥物的分子機制
