近日，中國科學技術大學生命科學與醫學部教授田長麟課題組首次解析了人源鈣敏感受體（Ca2+Sensing Receptor，CaSR）與下游信號傳導蛋白Gq的高分辨三維復合物結構，結合細胞信號轉導和核磁共振（NMR）揭示了CaSR蛋白受激動劑、正向別構調節劑等分子非對稱激活的分子機制，相關研究成果以Structural insights into asymmetric activation of the calcium-sensing receptor-Gq complex為題在線發表在《細胞研究》（Cell Research）上。
鈣離子敏感受體（CaSR）是C家族G蛋白偶聯受體（GPCR）的一員，廣泛分布于甲狀旁腺、腸道、骨骼和腎臟等組織器官中。CaSR感應血液中鈣離子的濃度，并通過平衡鈣離子的吸收和外排從而維持人體中的鈣離子平衡。由于鈣離子參與信號傳遞、凝血、肌肉收縮、骨骼生成等眾多重要生理活動，CaSR維持血鈣穩定對人體生命活動至關重要，其功能異常將會導致各種疾病。
CaSR是人體中非常重要的藥物靶標蛋白，目前已經有多個正向變構調節劑藥物成功獲批上市，它們分別結合在CaSR受體不同的靶點上：小分子藥物cinacalcet和evocalcet結合在跨膜結構域，多肽藥物Etelcalcetide結合在胞外VFT結構域，小分子藥物Upacicalcet則結合在胞外的芳香族氨基酸結合口袋中。CaSR激活的分子機制研究將進一步助力靶向該受體的藥物研發。
針對CaSR這一重要的藥物靶標蛋白，該團隊開展了長期系統性研究，2021年在國際上首次解析了全長CaSR蛋白的三維結構，揭示了受體在鈣離子和芳香族氨基酸兩種激動劑協同作用下，從非活性構象轉變成活性構象的結構機制。在此之后，國際上多個團隊分別發表了CaSR受體在無配體、多個配體或別構調節劑結合的三維結構，分別提出了對稱激活假說以及非對稱激活假說。然而，由于缺少CaSR與下游信號蛋白G蛋白三聚體的復合物高分辨結構，其完整的激活機制仍然缺失。
經過近2年多努力，田長麟團隊再次獲得了CaSR-Gq復合物的高分辨冷凍電鏡三維結構，結合細胞信號轉導和NMR等實驗揭示了CaSR在激活狀態下結合Gq并啟動下游信號傳導的非對稱激活機制。CaSR-Gq復合物結構也是目前第一個C家族GPCR與Gq結合的三維結構，揭示了其獨特特點：（1）有別于A家族或B家族GPCR的Gq蛋白結合模式，其中Gq蛋白的α5螺旋沒有插入CaSR胞內側的跨膜螺旋深處，而是結合在受體胞內側的一個非常淺的口袋中（主要由受體胞內loop和TM3胞內末端組成）；（2）CaSR-Gq的結合模式與mGLuR-Gi, GABAB-Gi復合物的差異，體現了Gq與受體的特異性結合界面。
該團隊結合冷凍電鏡與NMR技術，首次揭示了正向別構調節藥物分子cinacalcet在受體信號復合物中的多樣結合模式：cinacalcet以伸展（extended）和彎曲（bent）兩種不同的構象，分別結合在二聚體CaSR受體的兩個跨膜結構域的胞外側結合口袋中，其中只有結彎曲-cinacalcet的跨膜結構域的胞內能夠偶聯下游信號蛋白Gq。和其他GPCR（包括A家族、B家族、C家族等）類似，CaSR僅結合一個下游信號蛋白，且CaSR-Gq復合物整體處于非對稱構象，而且受體的局部跨膜結構域也處于非對稱構象，cinacalcet以兩個完全不同的構象結合在兩個跨膜結構域中。同時，CaSR單獨受體（不含Gq蛋白）與cinacalcet的三維結構表明，盡管cinacalcet在兩個跨膜結構域中都處于bent構象，但是CaSR受體本身仍然是處于非對稱構象。
綜合前期研究成果，研究人員提出了完整的CaSR非對稱激活機制，完善了人們對C家族GPCR激活機制的理解，同時為靶向CaSR的精準調控藥物研發提供了重要理論基礎。
相關研究工作得到國家自然科學基金、科學技術部、中國科學院和安徽省自然科學基金的資助。