2024年5月14日，中國科學院上海藥物研究所徐華強團隊聯(lián)合謝欣團隊和楊德華團隊，在Cell Research上發(fā)表了題為“Structural and functional evidence that GPR30 is not a direct estrogen receptor”的最新研究成果。研究團隊結(jié)合結(jié)構(gòu)生物學和生化、細胞實驗等多方面的證據(jù)，證明GPR30并非直接雌激素受體。這一發(fā)現(xiàn)不僅顛覆了之前的假設，也為學界對雌激素信號傳導機制的理解提出了新的挑戰(zhàn)和機遇。
雌激素作為一種關(guān)鍵激素，在人類生理學中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，涉及生殖功能、心血管健康和骨骼完整性等多個方面的生理過程。GPR30作為孤兒受體，曾被假定為G蛋白偶聯(lián)的雌激素受體，能夠直接與雌激素結(jié)合，從而解釋雌激素信號的非基因組效應和組織選擇性。這一假設引起了廣泛關(guān)注和討論，對人們理解雌激素的快速生物學作用產(chǎn)生了深遠影響。然而隨著研究的深入，一些研究結(jié)果對GPR30作為雌激素受體這一假設產(chǎn)生了質(zhì)疑。
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在該項研究中，研究人員首先利用單顆粒冷凍電鏡手段研究雌激素及其類似物與 GPR30 的直接結(jié)合。團隊解析了17β-雌二醇（E2）以及兩種報道的雌激素類似物氟維司群（fulvestrant）和G-1分別激活GPR30并結(jié)合下游G蛋白復合物的高分辨三維結(jié)構(gòu)。在得到的三個GPR30的結(jié)構(gòu)中，GPR30結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出典型的GPCR激活狀態(tài)，但結(jié)合口袋中卻沒有觀察到配體密度（圖 1a）。為此研究人員解析了GPR30在沒有配體結(jié)合狀態(tài)下的高分辨冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)比對結(jié)果表明，無論是否添加雌激素及其類似物，GPR30 的結(jié)構(gòu)高度相似（圖 1b）。值得注意的是，研究人員發(fā)現(xiàn) GPR30 配體結(jié)合口袋具有較強的親水性，富含負電荷的氨基酸殘基（圖 1c），這與容納疏水性雌激素配體的假設相沖突。此外，GPR30 的配體結(jié)合口袋明顯比類固醇相關(guān)配體的結(jié)合口袋大得多。這些實驗結(jié)果表明，GPR30可能不是一直以來認為的雌激素膜受體。
圖1，a，GPR30在雌激素及其類似物的存在下的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)和配體結(jié)合口袋；b，apo-GPR30的結(jié)構(gòu)；c，GPR30的配體結(jié)合口袋富含負電荷的氨基酸；d-e，放射性配體結(jié)合試驗（d）和細胞實驗（e）表明E2不能激活GPR30并引起下游信號變化。
同時，研究人員利用放射性配體結(jié)合試驗檢測E2或其衍生物是否能夠與GPR30直接結(jié)合。實驗結(jié)果表明，GPR30 與雌激素或者相關(guān)的配體，如他莫昔芬和雷洛昔芬，缺乏直接的相互作用（圖 1d）。并且即使在高濃度實驗條件下，E2 在過表達 GPR30 的細胞系中也無法引起 cAMP 或 IP1 的變化，這表明它不會激活GPR30并引起下游信號通路，而帶有多個正電氮原子為特征的小分子Lys05能夠激活GPR30并引起下游Gq通路信號變化（圖 1e），確認了親水性激動劑如Lys05是GPR30的真正激活劑。這些數(shù)據(jù)也進一步的表明，GPR30 不是雌激素受體。
圖2，a-b，Lys05-GPR30-Gq復合物的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)（a）和原子模型（b）；c，Lys05與GPR30相互作用的分子機制模式圖；d，功能試驗驗證關(guān)鍵氨基酸突變對Lys05激活GPR30的影響；e-g，Lys05與GPR30配體結(jié)合口袋的氨基酸的相互作用。
研究團隊進一步解析了Lys05激活GPR30的復合物高分辨結(jié)構(gòu)（圖 2a-b），結(jié)構(gòu)分析提供了Lys05識別GPR30受體，并與受體結(jié)合的分子機制，揭示了Lys05分子結(jié)構(gòu)中帶正電的氮原子是識別GPR30的關(guān)鍵因素（圖 2 c-g）。研究人員還探討了GPR30受體自激活以及配體激活的潛在機制，為理解GPR30的結(jié)構(gòu)藥理學研究提供基礎(chǔ)。
總體而言，該研究成果通過多種證據(jù)證明GPR30不是雌激素的直接受體，這將為更深入地了解雌激素的生物學功能提供了新的視角。同時GPR30在多種生理和病理過程中發(fā)揮著重要作用，包括心血管功能、炎癥反應、代謝調(diào)控等。對GPR30的深入研究將有助于更好地理解這些生理過程，為相關(guān)疾病的治療提供新的策略。
本研究中的冷凍電鏡數(shù)據(jù)由上海藥物所高峰電鏡中心和上海藥物所生物電鏡平臺收集。上海藥物研究所博士后劉恒、博士后郭世猛、助理研究員代安濤、上海藥物研究所博士畢業(yè)生徐沛雨（現(xiàn)為MIT博士后）為該論文的共同第一作者。徐華強研究員、謝欣研究員、楊德華研究員為共同通訊作者。該項研究獲得了包括中國科技部、國家自然科學基金、上海市科技重大專項、中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項等經(jīng)費的資助。
全文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41422-024-00963-y
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