生物物理所等在GPCR別構調節機制研究方面取得進展

　　近日，《美國化學會志》期刊在線發表了中國科學院生物物理研究所王江云課題組與上海科技大學劉志杰和華甜課題組的研究論文。該研究首次通過基因密碼子擴展方法，在昆蟲細胞表達系統中實現含氟非天然氨基酸（3-三氟甲基-L-苯丙氨酸，mtfF）的插入，并成功用于大麻素受體CB1別構調節機制的研究。

　　氟原子由于具有對蛋白質環境變化高度敏感、100%天然豐度及沒有背景信號等特點，被廣泛用于蛋白質動態構象的研究。目前利用19F-NMR檢測蛋白質動態構象主要通過蛋白質的半胱氨酸標記含氟原子的基團，進而實現信號檢測。但是這需要在目標蛋白表面感興趣的標記位點存在可接近的半胱氨酸殘基，同時要將其他所有暴露在表面的半胱氨酸殘基突變掉，這將會影響蛋白質的結構穩定性。半胱氨酸介導的位點特異性標記對于含有少量半胱氨酸殘基的蛋白質來說是方便且通用的。然而，近2/3的人類GPCR含有超過10個半胱氨酸殘基，并且所有暴露于表面的半胱氨酸殘基的突變可能會對目標蛋白造成顯著的結構擾動。此外，隱藏在蛋白質疏水核心內的殘基不能通過這種方法進行標記。基于半胱氨酸標記方法局限性，發展簡單便捷的真核系統蛋白質氟探針標記方法對研究真核生物蛋白質構象十分重要。

　　大麻素受體CB1是人大腦里表達量最高的GPCR之一，調控多種重要的生理活動，是治療神經和精神類疾病、肥胖等的重要靶點。劉志杰/華甜課題組一直聚焦于大麻素受體結構與功能的系統性研究，在過去幾年中成功解析了大麻素受體CB1和CB2在拮抗狀態、類激活和激活狀態下的三維結構，揭示了正構調節配體對大麻素受體的作用機制。為了進一步探究別構調節劑對CB1的調控機理以及不同配體如何對GPCR的動態構象進行調控等科學問題，王江云課題組與劉志杰/華甜課題組以及iHuman研究所核磁共振實驗室副研究員劉東升合作，利用基因密碼子擴展方法，首次獲得真核細胞內識別含氟非天然氨基酸的mtfF-氨酰-tRNA合成酶，在昆蟲細胞中實現CB1構象變化敏感位點的標記。借助上海科技大學iHuman研究所核磁共振平臺，探究了不同正構配體以及別構調節劑Org27569對CB1的動態構象變化的調控，首次發現了Org27569和激動劑如何在CB1激活過程中協同穩定以前未被識別的前激活狀態。

　　通過團隊的密切合作和不懈努力，使用19F-NMR破譯了受體的動態過程和多態性，同時結合X-射線晶體學方法，揭示了別構調節劑Org27569對CB1的獨特調控機理，提出了CB1的激活和別構調節模型，尤其是Org27569和膽固醇分子在CB1激活過程中扮演的角色。基因編碼的非天然氨基酸mtfF方法的建立可廣泛用于GPCR動態構象變化研究的標記系統，也可以用于其它真核蛋白質動態構象的研究。

　　該研究得到國家自然科學基金委和國家高技術研究發展計劃資助項目的支持。

　　論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c06847

基因編碼3-三氟甲基-L-苯丙氨酸研究CB1的動態構象

CB1的激活和別構調節機制