研究揭示血清素5-HT6受体高组成性活性的分子机制

来源:分子细胞卓越中心 | 2023-04-04 13:41:21 |


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《美国国家科学院刊》(PNAS)在线发表了中国科学院分子细胞科学卓越创新中心(生物化学与细胞生物学研究所)汪胜研究组和丛尧研究组完成的研究成果(Structural insights into constitutive activity of 5-HT6 receptor)。该研究通过解析血清素受体5-HT6-Gs复合物的结构,揭示了5-HT6受体不依赖于配体的高水平组成性活性的决定性因素,阐明了5-HT6受体高组成性活性的分子机制,并以结构为导向设计了受体特异性纳米抗体NB6A1,为剖析G蛋白偶联受体(GPCR)组成性活性的理论机制提供了重要信息。

血清素是重要的神经递质,在调节情感、认知、学习、记忆、疼痛等一系列生理活动中起着重要作用。血清素通过作用于血清素受体发挥功能。人体内的血清素受体一般7个家族(5-HT1-7)13种亚型,除了5-HT3是配体门控离子通道外,其余均是具有7次跨膜螺旋结构的GPCR。与多数血清素受体不同,5-HT6受体仅分布在中枢神经系统中,靶向该受体已被证明在治疗阿尔兹海默症、精神分裂症等神经精神疾病具有重要作用。此外,5-HT6受体表现出的不依赖于配体的高水平组成性活性,与神经元发育、新皮层径向迁移和人神经干细胞的自我更新有关。众所周知,多数受体均具有不同程度的不依赖于其配体的组成性活性,而这种组成性活性的确切机制仍未知。

本研究利用冷冻电镜技术,成功解析了血清素激活5-HT6受体与Gs蛋白形成复合物的高分辨率冷冻电镜结构。基于结构的解析,通过体外功能性实验,研究揭示了5-HT6受体不依赖于配体高组成性活性的结构决定因素,即钠离子结合口袋的破坏和G蛋白α亚基与受体的高效解离。

研究组的前期工作(Science,2017)和同期的系列研究表明,GPCR普遍存在钠离子结合位点,且该结合位点在整个A类GPCR中高度保守。钠离子与GPCR的结合一直以来被认为是维持受体处于非激活状态的关键因子。而该工作中的高分辨率冷冻电镜结构表明,5-HT6受体第280位的苏氨酸和第312位的天冬氨酸之间形成的氢键破坏了钠离子结合口袋,影响了5-HT6受体与钠离子的结合,使得受体更易于处于激活状态;GPCR激活后,G蛋白α亚基和βγ亚基分离,并进一步与受体解离,完成整个受体的激活过程。5-HT6受体第325位的精氨酸和G蛋白α亚基第378位的精氨酸之间产生的同电荷互斥作用,使得G蛋白α亚基能够快速从受体中解离,进而高效完成受体介导的下游信号激活过程。上述两方面因素的协同作用维持了5-HT6受体的高组成性活性。基于以上结构特征,汪胜研究组设计并筛选出5-HT6受体特异性结合的纳米抗体-NB6A1,通过体外功能实验验证了其能显著降低受体组成性活性,进一步确认了5-HT6受体组成性活性的结构基础,为后续探究GPCR组成性活性的理论机制提供了重要信息。

研究工作得到科技部、国家自然科学基金、中科院和上海市科学技术委员会等的资助,并获得国家蛋白质科学研究(上海)设施冷冻电镜系统、数据库与计算分析系统的支持。

5-HT6受体高组成性活性的结构决定因素

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