Nature：钙感受受体的变构调节与G蛋白选择性

摘要

摘要图
钙感受受体 (CaSR) 是一种家族C G蛋白偶联受体 (GPCR)，在维持系统性钙稳态中起关键作用。本研究通过低温电子显微镜和功能实验，揭示了CaSR在脂质纳米盘中的活化及其对Gi和Gq蛋白的特异性耦合。实验结果表明，Gi和Gq蛋白通过受体的7跨膜域 (7TM) 和关键蛋白-脂质相互作用诱导构象变化，从而形成不同的CaSR–G蛋白界面。此外，研究还发现天然多胺和药物分子可以通过多位点结合增强CaSR活性。这一研究为CaSR的G蛋白选择性和变构调节机制提供了新的结构框架。

关键词

  • 钙感受受体 (Calcium-sensing receptor, CaSR)
  • G蛋白选择性 (G-protein selectivity)
  • 变构调节 (Allosteric modulation)
  • 低温电子显微镜 (Cryo-electron microscopy, Cryo-EM)
  • 自旋轨道耦合 (Spin–orbit coupling)
  • 配体特异性 (Ligand specificity)

研究背景

钙感受受体 (CaSR) 是一种检测血清钙浓度并调节副甲状腺激素 (PTH) 分泌和肾脏钙排泄的关键分子。它在慢性肾病、家族性低尿钙性高钙血症等多种疾病中扮演重要角色。作为家族C GPCR的一员，CaSR具有独特的配体结合和G蛋白耦合特性。然而，CaSR如何实现对不同G蛋白 (Gi和Gq) 的选择性，以及天然和外源性配体如何通过变构机制调节CaSR功能，尚未完全清楚。本研究通过冷冻电镜和生物化学方法揭示了CaSR与G蛋白的相互作用及其活化机制。

创新点

  • 首次解析了CaSR与Gi和Gq蛋白的高分辨率复合物结构。
  • 阐明了CaSR的G蛋白选择性来源于7TM和胞内环的独特构象变化。
  • 揭示了多胺和外源性变构调节剂 (如cinacalcet) 在CaSR活化中的关键作用。

研究内容

本研究通过冷冻电镜解析了嵌入脂质纳米盘中的CaSR与Gi和Gq蛋白的复合物结构，并结合功能实验探讨其变构调节和G蛋白选择性机制。研究发现，CaSR通过胞内环 (ICL2) 和C末端的构象变化，与不同G蛋白形成特异性结合界面。Gi蛋白的结合伴随着TM3和ICL3区域的有序化，而Gq蛋白的结合则涉及C末端的构象重排。此外，研究表明，天然多胺如spermine通过稳定负电荷区域增强了CaSR的活性，而外源性变构调节剂cinacalcet通过诱导7TM的构象变化促进了G蛋白耦合。实验还揭示了CaSR在Gi和Gq蛋白结合状态下的7TM不对称性，以及不同配体如何在7TM中发挥调控作用。

图1
图 1 | 活化态 CaSR 和其 G 蛋白复合物在脂质纳米盘中的冷冻电镜结构。

(a) 结合 Cinacalcet (CINA) 的活化态 CaSR 冷冻电镜图像。
(b) 脂质纳米盘中的 CaSR–Gi 复合物冷冻电镜图像。
(c) 脂质纳米盘中的 CaSR–Gq 复合物冷冻电镜图像。
(d-e) 在 CINA 结合的 CaSR–Gi 结构中，7TM 的非对称构型和二聚体界面。两个平行于膜平面的视图展示了顶部 (d) 和底部 (e) 磷脂层以及胆固醇的位置。
(f) CaSR–Gi 复合物与活化态 CaSR (CaSR*) 的结构对比，显示两个 7TM 束的进一步压缩。

图2
图 2 | Spermine 在 CaSR 上的结合位点。

(a) 在 CINA 结合的 CaSR–Gi 复合物中，两个 Spermine 分子结合在 ECL–CRD 区域。图像显示了 Spermine 和磷脂的冷冻电镜密度，水分子（红色球体）位于 CRD 的 E604 和下方的 Spermine 分子之间。
(b) 在 CINA 结合的 CaSR–Gi 复合物中，Spermine 分子位于两个原型的 LB2 叶之间的结合位点。
(c) 通过突变分析 Spermine 结合位点。IP1 累积实验表明，与野生型（WT）相比，特定 CaSR 突变体对 Spermine 的功能性响应减弱。

图3
图 3 | CaSR 形成具有不同 ICL2 构型的细胞内口袋以与 Gαi 和 Gαq 结合。

(a) 活化态 CaSR 与 Gi 和 Gq 结合态的 7TM 束细胞内区域对比，显示 G 蛋白结合后 ICL2 和其他细胞内区域的结构重排。
(b) 基于 BRET 的 G 蛋白激活实验，识别在 ICL2 和 H8 中对 Gi 和 Gq 激活重要的残基。
(c) 在 CINA 结合的 CaSR–Gi 复合物中，ICL2、TM3 和 H8 与 Gαi 的 α5 螺旋的相互作用。
(d) 在 CINA 结合的 CaSR–Gq 复合物中，ICL2、TM3 和 H8 与 Gαq 的 α5 螺旋的相互作用。

图4
图 4 | CaSR C 端在 Gi 和 Gq 结合时采用相反的方向。

(a) 在 CINA 结合的 CaSR–Gi 复合物中，C 端与 Gαi 的相互作用界面，C 端（残基 878–887）显示为环状结构，方向由箭头指示。
(b) 在 CINA 结合的 CaSR–Gq 复合物中，C 端与 Gαq 的相互作用界面，C 端（残基 878–890）显示为 H8 延伸结构，方向由箭头指示。
(c) 基于 BRET 的功能性 G 蛋白激活实验显示，CaSR C 端中与 Gαq 结合的关键残基对 Gq 激活至关重要，但对 Gi 激活影响较小。

图5
图 5 | 在无 PAM 和 CINA 结合的 CaSR–Gi 复合物中的 7TM 调节位点。

(a) 脂质纳米盘中无 PAM 的 CaSR–Gi 复合物冷冻电镜图像。
(b) 无 PAM 的 CaSR–Gi 复合物中 7TM 的构型差异，显示 Trp 结合后 TM5 和 TM6 的运动。
(c) CINA 结合的 CaSR–Gi 复合物中 7TM 的构型差异，显示 CINA 结合诱导的 TM5 向外位移。

结论与展望

本研究首次揭示了CaSR的G蛋白选择性及其变构调节机制，指出了CaSR通过ICL2和C末端的构象变化实现对Gi和Gq蛋白的特异性耦合。研究还表明，多胺和变构调节剂通过稳定受体结构或诱导构象变化增强了CaSR活性。未来研究可进一步探索CaSR的配体特异性及其在疾病治疗中的潜力，特别是通过优化变构调节剂设计以实现特定G蛋白通路的选择性调控。

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原文标题：Allosteric modulation and G-protein selectivity of the Ca2+-sensing receptor

Nature 2024, 626, 1141–1148.

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