子科生物報道：2021年8月27日，中國科學(xué)院上海藥物研究所徐華強課題組聯(lián)合王明偉課題組，在Cell Research上發(fā)表了題為“Structural mechanism of calcium-mediated hormone recognition and Gβ interaction by the human melanocortin-1 receptor”的研究論文。研究人員利用冷凍電鏡技術(shù)，首次解析了黑素皮質(zhì)素受體1（MC1R）分別結(jié)合內(nèi)源性配體α-黑色素細胞刺激素（α-MSH）和合成多肽配體阿法諾肽（Afamelanotide）及SHU9119與下游Gs蛋白復(fù)合物的三維結(jié)構(gòu)，揭示了由鈣離子介導(dǎo)的配體識別的分子機制以及受體激活和G蛋白偶聯(lián)的通用機制。

　　黑素皮質(zhì)素是由促腎上腺皮質(zhì)激素（ACTH）和三種黑色素細胞刺激素（α-MSH、β-MSH和γ-MSH）組成的一類內(nèi)源性多肽激素，它們通過作用于黑素皮質(zhì)素受體（MC1R-MC5R）參與機體應(yīng)激反應(yīng)、能量平衡、免疫調(diào)節(jié)和色素沉著等生理活動。黑素皮質(zhì)素的分泌受到胃饑餓素、瘦素和胰島素等激素的調(diào)控。

　　鑒于黑素皮質(zhì)素系統(tǒng)在體內(nèi)的重要作用，目前已有多種黑素皮質(zhì)素多肽類似物被開發(fā)作為治療皮膚病、肥胖癥、厭食和2型糖尿病等疾病的潛在藥物。比如，α-MSH類似物阿法諾肽（Afamelanotide）和賽美拉肽（Setmelanotide）分別獲批用于治療紅細胞生成性原卟啉病和管理基因缺陷導(dǎo)致的肥胖人群的超常體重。

　　然而，由于缺乏對黑素皮質(zhì)素與其受體復(fù)合物結(jié)構(gòu)的認識，黑素皮質(zhì)素與五種黑素皮質(zhì)素受體之間相互作用的具體機制尚不清楚。比如環(huán)形多肽配體SHU9119作為MC1R和MC5R的部分激動劑，卻是MC3R和MC4R的拮抗劑，對黑素皮質(zhì)素系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究有助于加深學(xué)界對該家族配體差異活性分子機制的理解。

　　在本研究中，研究人員解析了MC1R在不同配體刺激下（α-MSH、Afamelanotide和SHU9119）分別偶聯(lián)Gs蛋白復(fù)合物的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，分辨率分別達到3.0 埃、2.7 埃和3.1 埃。結(jié)合結(jié)構(gòu)分析與功能實驗發(fā)現(xiàn)，MC1R在跨膜區(qū)胞外側(cè)形成一個較大的開口，以容納“U”形的多肽配體和鈣離子，黑素皮質(zhì)素高度保守的HFRW基序插入到跨膜區(qū)的中央并提供了與受體的主要相互作用（圖1a-d）。對HFRW基序的修飾改變了配體與受體之間相互作用的強弱，是配體差異活性的決定性因素，MC1R中的甲硫氨酸M128是將SHU9119從拮抗劑轉(zhuǎn)變?yōu)椴糠旨觿┑年P(guān)鍵氨基酸。同時，位于配體正性結(jié)合口袋中的鈣離子在該受體家族中高度保守，并介導(dǎo)配體與受體的結(jié)合。

　　此外，在Afamelanotide？MC1R？Gs復(fù)合物的三維重構(gòu)中，研究人員分出一類沒有Nb35抗體密度的復(fù)合物構(gòu)象。將該結(jié)構(gòu)與結(jié)合Nb35的結(jié)構(gòu)比較發(fā)現(xiàn)，Gs在沒有Nb35的情況下具有相對寬松的構(gòu)象，αN螺旋上移，Gβ距MC1R更近并與受體的Helix 8形成相互作用（圖1e）；將后者截短或者突變其與Gβ相互作用的氨基酸后大大減弱了受體偶聯(lián)G蛋白的能力，表明Helix 8與Gβ之間的相互作用在受體招募G蛋白中發(fā)揮重要作用。

圖1. MC1R識別α-MSH、Afamelanotide和SHU9119的分子機制。a-d MC1R的配體正性結(jié)合口袋；e Afamelanotide-MC1R-Gs-Nb35-scFv16與Afamelanotide-MC1R-Gs-scFv16復(fù)合物中受體與Gs蛋白作用界面的比較。

　　該研究為理解黑素皮質(zhì)素系統(tǒng)配體識別的分子機制提供了結(jié)構(gòu)模型，也為靶向黑素皮質(zhì)素受體的藥物設(shè)計提供了新思路。

　　這項工作的冷凍電鏡數(shù)據(jù)在中國科學(xué)院上海藥物研究所冷凍電鏡平臺收集。上海藥物所博士研究生馬山山和復(fù)旦大學(xué)研究生陳彥為該論文的共同第一作者。徐華強研究員和王明偉研究員為共同通訊作者。該研究的第一完成單位是上海藥物所，獲得了包括國家自然科學(xué)基金委、科技部重大科技專項和上海市重大科技專項等資金的資助。