研究揭示钙敏感受体CaSR非对称激活的分子机制

钙离子敏感受体（CaSR）是C家族G蛋白偶联受体（GPCR）的一员，广泛分布于甲状旁腺、肠道、骨骼和肾脏等组织器官中。CaSR感应血液中钙离子的浓度，并通过平衡钙离子的吸收和外排从而维持人体中的钙离子平衡。由于钙离子参与信号传递、凝血、肌肉收缩、骨骼生成等众多重要生理活动，CaSR维持血钙稳定对人体生命活动至关重要，其功能异常将会导致各种疾病。

CaSR是人体中非常重要的药物靶标蛋白，目前已经有多个正向变构调节剂药物成功获批上市，它们分别结合在CaSR受体不同的靶点上：小分子药物cinacalcet和evocalcet结合在跨膜结构域，多肽药物Etelcalcetide结合在胞外VFT结构域，小分子药物Upacicalcet则结合在胞外的芳香族氨基酸结合口袋中。CaSR激活的分子机制研究将进一步助力靶向该受体的药物研发。

针对CaSR这一重要的药物靶标蛋白，该团队开展了长期系统性研究，2021年在国际上首次解析了全长CaSR蛋白的三维结构，揭示了受体在钙离子和芳香族氨基酸两种激动剂协同作用下，从非活性构象转变成活性构象的结构机制。在此之后，国际上多个团队分别发表了CaSR受体在无配体、多个配体或别构调节剂结合的三维结构，分别提出了对称激活假说以及非对称激活假说。然而，由于缺少CaSR与下游信号蛋白G蛋白三聚体的复合物高分辨结构，其完整的激活机制仍然缺失。

经过近2年多努力，田长麟团队再次获得了CaSR-Gq复合物的高分辨冷冻电镜三维结构，结合细胞信号转导和NMR等实验揭示了CaSR在激活状态下结合Gq并启动下游信号传导的非对称激活机制。CaSR-Gq复合物结构也是目前第一个C家族GPCR与Gq结合的三维结构，揭示了其独特特点：（1）有别于A家族或B家族GPCR的Gq蛋白结合模式，其中Gq蛋白的α5螺旋没有插入CaSR胞内侧的跨膜螺旋深处，而是结合在受体胞内侧的一个非常浅的口袋中（主要由受体胞内loop和TM3胞内末端组成）；（2）CaSR-Gq的结合模式与mGLuR-Gi, GABAB-Gi复合物的差异，体现了Gq与受体的特异性结合界面。

该团队结合冷冻电镜与NMR技术，首次揭示了正向别构调节药物分子cinacalcet在受体信号复合物中的多样结合模式：cinacalcet以伸展（extended）和弯曲（bent）两种不同的构象，分别结合在二聚体CaSR受体的两个跨膜结构域的胞外侧结合口袋中，其中只有结弯曲-cinacalcet的跨膜结构域的胞内能够偶联下游信号蛋白Gq。和其他GPCR（包括A家族、B家族、C家族等）类似，CaSR仅结合一个下游信号蛋白，且CaSR-Gq复合物整体处于非对称构象，而且受体的局部跨膜结构域也处于非对称构象，cinacalcet以两个完全不同的构象结合在两个跨膜结构域中。同时，CaSR单独受体（不含Gq蛋白）与cinacalcet的三维结构表明，尽管cinacalcet在两个跨膜结构域中都处于bent构象，但是CaSR受体本身仍然是处于非对称构象。

综合前期研究成果，研究人员提出了完整的CaSR非对称激活机制，完善了人们对C家族GPCR激活机制的理解，同时为靶向CaSR的精准调控药物研发提供了重要理论基础。

相关研究工作得到国家自然科学基金、科学技术部、中国科学院和安徽省自然科学基金的资助。

图1 CaSR在激动剂、别构调节剂作用下与下游信号转导蛋白Gq的非对称结合模式