近日，上海科技大學(xué)iHuman研究所/生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院水雯箐課題組與中國(guó)科學(xué)院上海藥物研究所以及臨港實(shí)驗(yàn)室多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)展合作，在《科學(xué)》（Science）期刊發(fā)表題為“Noncanonical agonist-dependent and -independent arrestin recruitment of GPR1”的研究論文。該工作在解析趨化素受體GPR1的功能調(diào)控機(jī)制方面取得突破性進(jìn)展，首次闡明了阻遏蛋白（β-arrestins）調(diào)控GPR1信號(hào)的分子機(jī)制，拓展了對(duì)G蛋白偶聯(lián)受體非典型信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)與調(diào)控機(jī)制的理解。

趨化素是一類(lèi)重要的脂肪因子，在脂質(zhì)代謝、胰島素敏感性以及免疫細(xì)胞遷移中發(fā)揮關(guān)鍵作用，是肥胖、糖尿病及代謝性炎癥等疾病的重要潛在藥物靶標(biāo)。趨化素信號(hào)主要由兩類(lèi)受體共同介導(dǎo)：CMKLR1作為典型GPCR，主要依賴(lài)G蛋白信號(hào)通路驅(qū)動(dòng)脂質(zhì)代謝與炎癥反應(yīng)；而GPR1則屬于非典型GPCR，主要通過(guò)β-arrestins介導(dǎo)信號(hào)，促進(jìn)受體內(nèi)吞，清除過(guò)量趨化素。趨化素系統(tǒng)通過(guò)這種“經(jīng)典激活—非典型平衡”的雙重機(jī)制，在代謝與炎癥調(diào)控中發(fā)揮核心作用，但其結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)與分子機(jī)制至今尚未明確。

研究團(tuán)隊(duì)利用單顆粒冷凍電鏡技術(shù)，解析了GPR1在多種功能狀態(tài)下與β-arrestins的復(fù)合物結(jié)構(gòu)，包括與趨化素及β-arrestin 1或β-arrestin 2結(jié)合的形式，以及關(guān)鍵的無(wú)激動(dòng)劑結(jié)合的GPR1–β-arrestin 1復(fù)合物。結(jié)果顯示，在趨化素存在下，β-arrestin 1表現(xiàn)出顯著的構(gòu)象可塑性，其指狀環(huán)（finger loop）與C-edge采用從“預(yù)結(jié)合”到“穩(wěn)定結(jié)合”的多種結(jié)合模式，呈現(xiàn)出動(dòng)態(tài)的招募過(guò)程。相比之下，β-arrestin 2與GPR1結(jié)合時(shí)，主要采取一種有助于受體內(nèi)吞和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的結(jié)合模式。

尤為重要的是，在不與趨化素結(jié)合時(shí)，GPR1的構(gòu)象處于非激活態(tài)，但能通過(guò)一種全新的模式與β-arrestin1結(jié)合。鑒于GPCR信號(hào)傳導(dǎo)中受體C末端的磷酸化修飾是招募β-arrestin的關(guān)鍵步驟，通過(guò)磷酸化質(zhì)譜分析發(fā)現(xiàn)，GPR1的C端區(qū)域存在較高的本底磷酸化水平，且修飾位點(diǎn)形成一個(gè)獨(dú)特的“磷酸化條形碼”，這使得GPR1無(wú)需激動(dòng)劑激活，即可預(yù)先具備β-arrestin識(shí)別的分子基礎(chǔ)，從而促進(jìn)受體對(duì)β-arrestin的招募，并啟動(dòng)受體內(nèi)吞。

此外，脂質(zhì)組親和質(zhì)譜分析發(fā)現(xiàn)，兩種內(nèi)源性脂肪酸（棕櫚油酸和棕櫚酸）可能通過(guò)介導(dǎo)非激活態(tài)GPR1與β-arrestin 1的結(jié)合，促進(jìn)GPR1的自發(fā)性?xún)?nèi)吞，提示該類(lèi)脂分子對(duì)于GPR1清除非激活型趨化素發(fā)揮調(diào)控作用。研究人員進(jìn)一步檢測(cè)脂肪細(xì)胞中的脂質(zhì)含量，發(fā)現(xiàn)在高脂環(huán)境下CMKLR1促進(jìn)脂肪代謝，降低了脂質(zhì)積累，而GPR1通過(guò)清除非激活型趨化素促進(jìn)CMKLR1激活，從而輔助脂質(zhì)代謝?；谏鲜霭l(fā)現(xiàn)，研究團(tuán)隊(duì)提出了GPR1功能調(diào)控的“磷酸化編碼-脂質(zhì)輔助”模型：預(yù)先存在的磷酸化條形碼負(fù)責(zé)啟動(dòng)識(shí)別，而內(nèi)源性脂質(zhì)則作為變構(gòu)穩(wěn)定劑鞏固結(jié)合，二者協(xié)同確保了GPR1“清道夫”功能的高效執(zhí)行。

這項(xiàng)研究首次揭示了GPR1作為“清道夫受體”的分子全貌，該受體通過(guò)阻遏蛋白偏向性信號(hào)和脂質(zhì)輔助的內(nèi)吞機(jī)制精細(xì)調(diào)控趨化素信號(hào)穩(wěn)態(tài)。同時(shí)，提出了趨化素受體CMKLR1和GPR1對(duì)脂質(zhì)代謝的協(xié)同調(diào)控機(jī)制。這些發(fā)現(xiàn)不僅拓展了對(duì)于GPCR信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)理的認(rèn)識(shí)，也為肥胖、代謝性炎癥等疾病的精準(zhǔn)干預(yù)提供了新的線(xiàn)索和潛在靶點(diǎn)。

研究論文的第一作者包括臨港實(shí)驗(yàn)室博士生蔡恒、國(guó)科大杭州高等研究院博士生林曉文、趙樂(lè)琛和副研究員何茂洲、上?？萍即髮W(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2023級(jí)博士生余潔和iHuman研究所副研究員張冰潔，以及中國(guó)科學(xué)院上海藥物研究所博士生馬元娣。中國(guó)科學(xué)院上海藥物研究所吳蓓麗研究員、臨港實(shí)驗(yàn)室朱亞研究員、中國(guó)科學(xué)院上海藥物研究所趙強(qiáng)研究員、上?？萍即髮W(xué)生命學(xué)院/iHuman研究所水雯箐教授與中國(guó)科學(xué)院上海藥物研究所謝岑研究員為共同通訊作者。

論文鏈接： https://doi.org/10.1126/science.adt8794

GPR1與阻遏蛋白的復(fù)合物結(jié)構(gòu)示意圖。趨化素受體GPR1在脂肪代謝和炎癥反應(yīng)中發(fā)揮重要作用，是肥胖和炎癥的潛在藥物作用靶點(diǎn)。圖中GPR1與阻遏蛋白的不同的復(fù)合物結(jié)構(gòu)用蛋白質(zhì)表面圖表示，GPR1為橙色，β-arrestin 1和β-arrestin 2分別為藍(lán)色和綠色，激活型趨化素和非激活型趨化素分別為淺藍(lán)色和灰色。（圖片由中國(guó)科學(xué)院上海藥物研究所吳蓓麗研究組提供）