aGPCR與Stachel序列相關的激活模式
Stachel序列與ADGRG2的相互作用模式
a. Stachel序列激活的ADGRG2-β-Gs復合物結構模型。b. Stachel序列成“U”型構型結合于ADGRG2七次跨膜螺旋形成的口袋中，并且沿底部開口方向分割為極性親水的上半部分和疏水的下半部分。c. Stachel序列的疏水部五個疏水氨基酸指狀形式和位置與受體五個疏水口袋直接相互作用。
發展aGPCR通用的肽拮抗劑改造策略
粘附類G蛋白偶聯受體（Adhesion G Protein-coupled receptor，aGPCR）是GPCR超家族中的一類，共33個成員，在組織發育、生殖、神經、心血管和內分泌等多方面發揮重要的調控作用，且aGPCR突變或表達異常與生殖、神經發育或神經行為障礙、腫瘤、肌肉骨骼疾病等疾病直接相關，但aGPCR激活機制尚不十分清楚，有效干預手段欠缺，為理解和研究粘附類受體的信號轉導和功能以及相關疾病防治帶來重大阻礙。
已有研究文獻表明，aGPCR可以感受外界多種不同信號刺激而具有截然不同的激活模式，例如可以被細胞內液體流動或者震動等機械力激活，被可溶的小分子或者蛋白配體激活等。與GPCR家族其他成員相比，aGPCR具有顯著的結構特征，包括復雜的多結構域的N端胞外區域（Extracellular region）以及可以發生自水解的GPCR蛋白酶自水解誘導（GPCR autoproteolysis-inducing, GAIN）結構域，其中包含保守的GPCR水解位點（GPCR proteolysis site，GPS）。絕大多數aGPCR成員可以自發在GPS位置發生自水解，產生α和β兩個亞基，其中α亞基為細胞外區域 (NTF)，β亞基為包含七次跨膜螺旋區域 (CTF)，水解后的NTF 與CTF在細胞表面保持非共價相連。aGPCR自水解后，其β亞基最N端的區域被稱為Stachel序列（德文中的“針刺”）。
近日，西安交大物理學院和機械結構強度與振動國家重點實驗室張磊教授團隊與山東大學、國家蛋白質中心等單位合作，采用冷凍電鏡技術在粘附類G蛋白偶聯受體激活通用機制方面取得重大進展。其相關研究成果于4月13日在線發表在《自然》（Nature）上。
除小分子配體直接激活之外，目前認為aGPCR與Stachel相關的激活主要分為三種模式（圖1）：（1）第一種模式，可溶性配體（小分子或細胞外蛋白）的結合引起細胞外結構域的構象變化，促進Stachel序列與aGPCR的7次跨膜區域（7TM）之間的相互作用；（2）第二種模式是在GPCR自水解位點（GPS, HLT）自水解之后，基質蛋白的結合或機械作用可能導致α亞基和β亞基的分離，這暴露了Stachel序列，Stachel與7次跨膜（7TM）束結合，最終以Stachel獨立的方式激活下游信號；（3）第三種模式是機械力誘導細胞外的結構域發生構象變化，使Stachel序列暴露，Stachel與7次跨膜（7TM）束結合并激活受體。
該論文共同第一作者西安交大張磊教授團隊博士研究生緱璐介紹，Stachel序列引起的粘附類GPCR激活作用一直是粘附類GPCR信號和功能的核心內容，雖然已有文獻報道Stachel序列與黏附類受體的功能發揮密切相關，然而Stachel序列如何與受體作用，調控受體激活狀態的通用機制仍未明晰。基于此，該聯合團隊通過冷凍電鏡技術解析了Stachel序列激活的ADGRG2-β-Gs和ADGRG4-β-Gs復合物結構，揭示了Stachel序列與aGPCR的直接作用機制。結果顯示，ADGRG2和ADGRG4的Stachel序列呈“U”型形態結合在受體七次跨膜螺旋形成的口袋中，并且沿“U”型開口和底部的中線分割，分為溶劑暴露的親水部分（Upper rim）和插入并與受體7TM形成強烈的疏水作用的疏水部分（Lowner rim）。Stachel序列的疏水部分五個疏水氨基酸Fss03，I/Vss05，Lss06，L/Mss07和Lss09呈手指狀形式并與受體五個疏水口袋接觸，又結合生物化學實驗，說明這種疏水作用模式是Stachel序列激活ADGRG2-β和ADGRG4-β所必需的。他們進一步的序列比較分析發現，aGPCR家族的Stachel序列上存在高度保守的F/Y/LXφφφXφ疏水結構基序（X代表任意氨基酸，φ表示疏水氨基酸）。同時結構模擬分析顯示，該疏水基序在其他aGPCR中以類似ADGRG2-β和ADGRG4-β的指狀作用模式和受體形成強疏水作用（圖2）。生化實驗也證明影響疏水作用的氨基酸突變可顯著降低aGPCR的激活能力。因此，本研究詳細闡明了Stachel序列激活aGPCR的通用機制，發現了5個疏水氨基酸呈手指狀分布，在Stachel序列介導的激活過程中起到了主要作用。因此，他們提出了aGPCR激活的“finger”模型激活模式，并命名為手指模型。
目前關于aGPCR家族的拮抗劑報道甚少，制約著aGPCR家族功能的研究和相關靶向藥物的開發。利用新開發的激動劑VPM-IP15，在W6.53附近的三個“手指”殘基做了一系列突變，在生化驗證中發現IP15中Fss03替換為D/E的負電改造可以消除ADGRG2的Gs活性，同時又與受體保持著高親和力，并且這兩個衍生肽可顯著抑制ADGRG2的激活活力，同時也能抑制ADGRG2介導的CFTR鈣流響應（圖3）。這種通過多肽激動劑進行負電改造獲得多肽拮抗劑的策略，如同在激活的手指模型的大拇指上帶了個戒指，決定性地改變了粘附類受體多肽地功能，且此方法在ADGRG4、ADGRG5和ADGRG6中也同樣適用。
另外，該研究針對Fss03進行極性改造，開發了一種aGPCR家族拮抗性短肽配體的通用改造方法，將極大推動aGPCR家族多肽拮抗劑的發展。
學科相關專家和論文審稿專家認為，本研究詳細闡明了aGPCR自激活的分子機制，根據所觀察到的Stachel基序激活機制，提出了aGPCR激活的手指模型，并在這個模型的基礎上，發展了aGPCR多肽激動劑/拮抗劑設計的通用方法，對靶向aGPCR的配體藥物研發有重要的參考價值和指導意義。
據了解，該項工作獲得了國家自然科學基金、中央高校基本科研業務費、中央高校建設世界一流大學（學科）和特色發展引導專項、西安交大青年拔尖人才支持計劃等資助，相關表征和測試得到了西安交大分析測試共享中心軟物質冷凍電鏡等平臺和大型設備的強力支撐。