何元政课题组揭示粘附类受体CD97/G蛋白复合物的冷冻电镜结构及其G蛋白偶联选择性的分子机制

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近日，哈工大生命科学中心何元政课题组解析了粘附类G蛋白偶联受体ADGRE5（CD97）与不同G蛋白复合物的冷冻电镜结构，阐明了CD97与Stalk信号肽之间的精准结合方式，揭示了其与G13蛋白偶联选择性的关键决定因素。该研究成果以《CD97与G蛋白偶联的激活结构研究》（Structural basis of CD97 activation and G-protein coupling）为题，发表于Cell Press细胞出版社旗下期刊Cell Chemical Biology上。

粘附性GPCR（aGPCR）是GPCR家族中成员数目第二多的亚家族，在多种生理过程及疾病的发生发展中都发挥着重要作用，如其突变或表达异常与与生殖、神经发育或神经行为障碍、肿瘤、肌肉骨骼疾病等直接相关。与其GPCR家族其他成员相比，aGPCR是一类结构与功能都比较特殊的一类受体，其拥有复杂的多结构域的N端胞外区域以及可以发生自水解的GPCR蛋白酶自水解诱导（GAIN）结构域，其中包含保守的GPCR水解位点（GPS）。在外界刺激下，aGPCR在GPS位点发生自水解断裂形成产生α和β两个亚基，其中α亚基为细胞外区域（NTF），β亚基为包含七次跨膜螺旋区域（CTF），β亚基最N端的区域被称为栓系肽段（Stalk信号肽）。Stalk信号肽可作为激动剂进入到受体的跨膜结构域，使受体激活并招募下游G蛋白，这种方式被认为是aGPCR激活的主要机制。

CD97是最早发现的aGPCR，属于表皮生长因子亚家族成员，在体内参与多种免疫反应且与多种自身免疫疾病有关。CD97受体在多种恶性肿瘤中高度表达，曾被用作评估肿瘤恶性程度的指标。该受体在肿瘤发展过程中参与调控血管生成。由于其在免疫反应和肿瘤发展过程中的作用，CD97在免疫疾病和肿瘤治疗方面显示出了强大的潜力，成为靶向药物的关键焦点。尽管此前已有关于aGPCR的结构信息及其激活机制的报道，但作为该家族最初，且具有重要生理功能成员的CD97的结构目前尚未被解析。因此，解析CD97蛋白结构对于理解受体激活、G蛋白偶联选择性机制，以及为相关癌症、免疫疾病的治疗制提供理论指导有重要意义。

基于上述重要性，哈尔滨工业大学生命中心的何元政团队选择在生理条件下能发生自剪切的CD97作为研究对象，首先通过BRET功能和生化实验发现，CD97能够与下游Gq、Gs、G₁₃偶联，结合冷冻电镜技术解析了CD97与Gq、Gs、G₁₃的复合物三维结构，分辨率分别为2.89Å、3.10Å、3.10Å（图1）。研究人员结合结构分析及功能实验，揭示了stalk信号肽与受体之间的相互作用主要靠疏水作用来维持，且这种结合方式在aGPCR中是保守的。对已知结构aGPCR的stalk信号肽进行序列对比，进一步精确信号肽识别受体的关键氨基酸序列即“FXφφφ”模块，丰富该家族受体结构信息。将CD97与其他家族成员结构进行分析发现，配体结合口袋中存在一些高度保守的氨基酸位点：如F5972.64、F6233.40、W685ECL2、F6965.39、W7536.53和F7717.42，这些芳香残基构成了口袋高度的疏水环境以便更好容纳stalk信号肽（图2）。文章对CD97结构分析揭示了其TM6、TM7的弯曲是受体被激活的关键，特别是TM6的急剧弯曲是aGPCR家族激活的最显著特征。同时，该研究对CD97与不同G蛋白选择性偶联方式进行了详细的比较。结构模型比较分析发现，与其他G蛋白复合物相比，G13蛋白α亚基C端第5螺旋（αH5）能够深入到受体空腔中与TM3、TM5、TM6之间形成更紧密的联系。为了进一步证实该结论，研究人员通过BRET及报告基因功能实验证明了受体R736位点与G13蛋白αH5端的Q230G.H5.26之间有极性相互作用（图3）。该项研究揭示受体与G13蛋白偶联选择的关键因素，为设计靶向CD97受体的G13偏向性药物开发提供线索。

何元政课题组博士生王娜为本论文第一作者，何元政课题组博士生钱雨、夏瑞雪、祝鑫焱和本科生熊杨杰了该项研究工作。何元政研究员为本文的通讯作者。该研究受到国家自然科学基金和哈工大“双一流”基金等的资助。

图1 CD97/G蛋白复合物的冷冻电镜结构

图2 aGPCR家族配体口袋中保守的芳香氨基酸与柄肽的相互作用

图3 CD97/G13偶联的选择性

作者专访

Cell Press细胞出版社公众号特别邀请何元政研究员代表研究团队接受了专访，为大家进一步详细解读。

CellPress：

许多粘附类受体已被解析，为何还要对CD97进行研究？

何元政研究员：

CD97属于aGPCR家族表皮生长因子亚家族受体，是首个发现与癌症相关的aGPCR。在所有的aGPCR中，关于CD97在细胞迁移和侵袭中作用研究最多。

多项研究表明，CD97与肿瘤的侵袭有关。同时，CD97是唯一一个不仅可在免疫细胞表达的ADGRE家族成员，还可以在上皮和间充质来源的细胞中表达。CD97几乎在所有肿瘤细胞都有表达，其高表达与淋巴结转移、肿瘤浸润深度等都相关。如正常人上皮细胞中，CD97表达较低，而在直肠癌中，CD97表达水平明显增加且其表达位置也会发生改变。此外，有研究发现CD97的表达水平对白血病的评估非常关键，可作为急性淋巴细胞白血病微小残留病灶的有效标志物。因此，解析CD97结构为进一步了解其在免疫、肿瘤疾病中发挥的作用提供帮助，并为靶向CD97的药物开发提供理论基础。

CellPress：

与已解析的aGPCR结构相比，该项研究有何不同？

何元政研究员：

该项目进一步明确了柄肽（Stalk peptide）受体识别的关键保守模式序列(motif)，并从先前的“FXφφφXφ”精确到“FXφφφ”模块。同时通过对受体结合口袋分析发现，配体与受体之间的相互作用主要是由柄肽与结合口袋内的疏水芳香基团维持产生，且些芳香基团在aGPCR中具有相对保守性并被命名为“FφWφWF”模块。因此CD97结构的解析丰富了aGPCR家族受体的结构信息，为我们了解aGPCR提供了更多细节信息。

CellPress：

CD97选择性偶联G13具有哪些重要的生物学意义？

何元政研究员：

CD97是GPCR家族表达最广泛的成员之一，存在于多种细胞类型的细胞表面，如免疫细胞，上皮细胞等，其主要作用是促进肿瘤的迁移、侵袭和分化，这些都与G13的活力密切相关。有研究发现，CD55与CD97结合形成T细胞受体共刺激蛋白复合物，激活T细胞，进而促进肿瘤生长。2022年发表在Science的研究发现，在2型树突状细胞中，CD97可感知血红细胞上的CD55，而激活G13信号通路使得细胞避免流失在血液循环中。这一研究不仅扩宽我们对机械力敏感分子系统及粘附GPCR家族的认识，同时也证明了CD97选择偶联G13蛋白的重要生物意义，因此解析CD97与G13复合结构，揭示其选择性偶联决定因素，为设计靶向CD97受体的G13偏向性药物开发提供线索。

相关论文信息

论文原文刊载于CellPress细胞出版社

旗下期刊Cell Chemical Biology上

▌论文标题：

Structural basis of CD97 activation and G-protein coupling

▌论文网址：

https://www.cell.com/cell-chemical-biology/fulltext/S2451-9456(23)00275-1

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.chembiol.2023.08.003

作者简介

何元政

研究员

何元政，男，博士，研究员，博士生导师，主要聚焦于G蛋白偶联受体（G-protein coupled receptors， GPCR）的结构，信号传导和相应的疾病药物开发。在国际学术期刊上发表了超过30篇文章。

王娜

博士

王娜，女，2023年于哈尔滨工业大学获得博士学位，并获得优秀博士毕业生称号，研究方向膜蛋白结构与功能。近五年来，以第一作者在Nat Commun发表论文2篇，Cell Chem Biol发表论文1篇，Reprod Domest Anim发表论文1篇，参与发表文章10余篇。

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