上海药物所破解GPCR信号转导的磷酸化密码

　　中国科学院上海药物研究所研究员、国家“千人计划”特聘教授徐华强领衔的国际交叉团队经过联合攻关，再次利用世界上最强X射线激光，成功解析磷酸化视紫红质（Rhodopsin）与阻遏蛋白（Arrestin）复合物的晶体结构，攻克了细胞信号传导领域的重大科学难题。该项突破性成果于7月28日以封面文章形式发表于国际学术期刊《细胞》（Cell），上海药物所是第一完成单位。该项工作是徐华强合作团队延续发表在2015年《自然》（Nature）杂志里程碑式研究的又一重要突破。

　　生命的功能是信号传导密码来体现或来执行的，比如遗传的物质基础是DNA，它贮藏了生命的各种密码，其中最基本的一种是20种氨基酸编码。同样，GPCR信号通路需要“开”与“关”来调节，而“关”的信号就是由GPCR磷酸化密码来决定的。鉴定与解释GPCR磷酸化密码是当今细胞信号传导领域最重要的一个科学问题。

　　GPCR是目前最成功的药物靶标，迄今40%左右的上市药物是以GPCR为靶点。GPCR作为细胞信号转导的“信号兵”，是通过下游G蛋白和阻遏蛋白两条主要的信号通路转导跨膜信号。当受到外界信号刺激，GPCR激活G蛋白调节第二信使产生，进而“开放”下游信号传导。为了“关闭”这一信号，GPCR激酶（GRK）将GPCR尾部磷酸化。GPCR尾部一旦被磷酸化，就会激活阻遏蛋白并与之形成紧密结合复合物，进而介导信号“关闭”。因此，阻遏蛋白与GPCR的结合是协调整合GPCR下游信号网络的关键，而GPCR的尾部磷酸化则是破解GPCR招募并结合阻遏蛋白难题的关键密码。

　　徐华强领衔的交叉团队在2015年利用X射线自由电子激光技术，率先在《自然》杂志发表了视紫红质与阻遏蛋白复合物的晶体结构。该结构是继2011年人β2肾上腺素受体与Gs蛋白复合物晶体结构获得解析后，首个GPCR与Arrestin复合物的完整复合体结构，为揭示两者间的相互作用奠定了结构学基础。然而，GPCR与Arrestin的相互作用依赖于GPCR尾端氨基酸残基的磷酸化来介导，由于该结构不包含视紫红质尾部的高分辨率结构，因此GPCR通过其尾部磷酸化进而招募arrestin的分子机制仍然未知。此次发表于《细胞》的文章不仅提供了视紫红质和阻遏蛋白复合物整体组装的结构信息，更重要的是破解了GPCR招募阻遏蛋白的磷酸化密码——GPCR通过其尾部氨基酸的磷酸化招募并与阻遏蛋白结合，同时发现该密码对整个GPCR蛋白组具有普遍性。

　　该项目由徐华强和美国温安洛研究所Karsten Melcher合作主导完成。项目合作机构遍布全球，包括加拿大多伦多大学、斯克利普斯研究所、德国Desy自由电子激光科学中心、斯坦福大学、德国汉堡超快成像中心、加州大学洛杉矶分校、南加州大学、上海科技大学和范德堡大学等。

　　该研究获得国家“重大新药创制”重大专项、973、中科院战略性先导科技专项以及国际项目等基金的资助。

磷酸化视紫红质和阻遏蛋白复合物的高分辨率三维结构（蓝色所示为视紫红质的结构；黄色所示为阻遏蛋白的结构；灰色和红色球状结构为细胞膜磷脂；深蓝、蓝和红色小球所示为视紫红质的磷酸化氨基酸。图片来源：徐华强课题组）