G 蛋白偶联受体（GPCR）异源二聚体由两个不同的GPCR亚基组成，不同亚基间通过别构调控其构象变化诱导的下游的G蛋白结合，具体调控机制还不清楚。GPCR C家族中的代谢型谷氨酸（mGlu）受体亚家族中的8种受体以同源二聚体形式调节神经突触传递和神经元兴奋性。近年研究表明mGlu受体亚家族8种受体也可以形成16种异源二聚体。刘剑峰课题组前期工作通过基于纳米抗体检测GPCR表达与活性新方法，发现mGlu2-4异源二聚体在脑组织中高比例表达（Nature Chemical Biology, 2022）。mGlu受体的同源二聚体和异源二聚体，都仅通过其中一个亚基非对称结合G蛋白。有趣的是，尽管mGlu2同源二聚体也能结合G蛋白，而在mGlu2-4异二聚体中只有mGlu4能结合G蛋白，这种定向不对称性的机制还不清楚。近日，华中科技大学生命科学与技术学院、分子生物物理教育部重点实验室刘剑峰教授团队联合浙江大学医学院、良渚实验室张岩教授团队在于Nature Communications杂志在线发表Structural basis of orientated asymmetry in a mGlu heterodimer研究论文。他们使用冷冻电镜技术解析了多种状态mGlu2-4异源二聚体的结构，并通过半胱氨酸交联技术对mGlu2-4二聚体跨膜区构象重排进行了验证，发现其跨膜区在非活性状态下呈现出TM5-TM5的作用界面，在激活状态时，其界面重新排列为TM6-TM6或TM6-TM7，发现了TM6/TM6-7界面是受体激活的标志性特征（图1）。图1：mGlu2-4异源二聚体不同状态冷冻电镜结构
a，mGlu2-4异源二聚体与竞争性拮抗剂LY341495和CPPG结合的结构模型。b-c，mGlu2-4异源二聚体在两种中间状态下的结构模型，其中mGlu2激动剂LY379268与mGlu2亚基结合（b），mGlu4激动剂L-AP4与mGlu4亚基结合（c），使得对应亚基的VFT处于关闭状态。d，mGlu2-4异源二聚体结合Glu和mGlu4正向变构剂VU0155041，以及Gi3蛋白三聚体的复合物结构模型，其中两个Glu分子稳定了mGlu2和mGlu4 VFT的闭合状态。
进一步研究还发现，胞内区ICL2的关键氨基酸G667和A668在mGlu4和G蛋白结合中起到了关键作用。当这两个氨基酸被突变成具有更大侧链的色氨酸时，mGlu2-4中的mGlu2亚基也获得了偶联G蛋白的能力；该突变在mGlu2同源二聚体中同样具有增强mGlu2亚基偶联G蛋白的效应，揭示了mGlu2-4异源二聚体定向不对称的作用机制。图2：mGlu2-4异源二聚体ICL2构象变化及关键氨基酸在G蛋白结合中的作用
a，mGlu2-4G复合体中mGlu4亚基与mGlu2G-4复合体（PDB：8JD5）中mGlu2亚基的ICL2构象的比较。b，mGlu2-4异源二聚体及相关突变体中Glu诱导的钙流反应曲线。c，（b）图中钙流反应的最大效应值（Emax）。d，不同mGlu类型的ICL2顶部四个残基的序列比对。e，mGlu2-2同源二聚体野生型或相关突变体中Glu诱导的钙流反应曲线。f，（e）图中对应的pEC50值。
此外，单分子FRET实验证明选择性只结合mGlu2或mGlu4亚基的激动剂LY379268和L-AP4，只能够部分增加mGlu2-4异源二聚体激活，其效果不及同时结合mGlu2和mGlu4亚基的谷氨酸的激活效果，解释受体部分激活的分子机制。最后，还发现了正向变构小分子VU015504的结合位点与胞外区ECL2接近，呈现一种全新的结合口袋，为未来开发新的变构类药物提供了新的药理学假说。该项工作首次系统阐述了异源二聚体mGlu2-4受体的定向非对称激活机制：在非激活状态下，mGlu2-4受体两个亚基的胞外区VFT都处于开放状态，跨膜区TM保持TM5-TM5互作界面；在中间态，特异激动剂分别只结合在mGlu2或mGlu4亚基，导致对应的VFT关闭，而另一个亚基的VFT保持打开状态时，其跨膜区保持TM4-TM4或者TM4-TM5界面；在激活状态下，两个亚基的VFT结合谷氨酸而导致VFT关闭并进一步促进TM重排，形成TM6-TM6/7互作界面。mGlu4亚基的TM内部氨基酸以及跨膜区的胞内段ICL2顶端的关键氨基酸，使其更容易选择性结合Gi蛋白，最终定向不对称激活下游信号通路（图3）。华科大生命科学与技术学院博士生黄维竹，晋楠、博士后申仓松博士、副教授许婵娟博士、浙江大学基础医学院博士生郭嘉、助研席昆博士为该论文共同第一作者。华科大生命科学与技术学院刘剑峰教授，浙大基础医学院张岩教授和法国功能基因研究所PIN JP教授为共同通讯作者。文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-54744-7制版人：十一
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