中科院上海药物所合作揭示配体和辅助蛋白协同调控黑素皮质素受体2的分子机理

(相关资料图)

G蛋白偶联受体（GPCR）的功能依赖于多种辅助蛋白的调控，如单次跨膜蛋白受体活性修饰蛋白1（RAMP1）别构调控B类GPCR的活性。黑素皮质素受体辅助蛋白家族(MRAP) 包括两个成员（MRAP1和MRAP2），其中MRAP1被认为是黑素皮质素受体 2 (MC2R)运输到质膜和产生活性的必要元件。相对RAMP1对B类GPCR的调控，科学界对MRAPs等辅助蛋白调控A类GPCR的机制知之甚少。

MC2R是在黑素皮质素受体(MCR)家族5个受体亚型中最为独特的成员，仅有其活性依赖于辅助蛋白MRAP1，且它对配体促肾上腺皮质激素（ACTH）具有选择特异性。早期研究表明，MRAP1 的 N 端是激活 MC2R的必要条件。此外，配体ACTH所包含的“信息”基序HFRW和“地址”基序KKRR，都被认为是 ACTH 结合MC2R所必需的，但MRAP1和ACTH如何协同激活MC2R的机理仍不清楚。

MC2R是调节应激反应的下丘脑-垂体-肾上腺 (HPA) 轴中的关键受体，在生理状态下刺激糖皮质激素生成和皮质醇分泌，其功能障碍会导致糖皮质激素不足疾病如家族性糖皮质激素缺乏症 (FGD)，或皮质醇过多症如先天性肾上腺增生症 (CAH) 和库欣综合征 (CS)。因此，揭示ACTH选择性识别MC2R 的分子机制，也将为理解多肽激素调控MC2R的生理过程，以及靶向MC2R的药物设计提供结构基础和新的思路。

2023年1月2日，中国科学院上海药物研究所徐华强团队联合临港实验室蒋轶和复旦大学王明伟团队，在Cell Research上发表了题为“Structural basis of signaling regulation of the human melanocortin-2 receptor by MRAP1”的研究论文。研究人员利用冷冻电镜技术首次解析了MC2R与MRAP1、ACTH及下游Gs蛋白复合物的三维结构，揭示了MC2R依赖MRAP1对ACTH特异的分子识别机制。

MRAP1以N端朝外的单次跨膜的形式结合在MC2R的TM5和TM6之间，ACTH以鱼钩的形状结合在MC2R的结合口袋上。通过与已有结构的MC1R及MC4R的配体结合口袋对比分析发现，MC2R结合ACTH的口袋在电荷性、亲疏水性上有所不同,且ACTH中“信息”基序HFRW与受体的结合方式也不同，导致ACTH在MC2R的结合口袋不稳定，而MRAP1的N端loop以一种安全带样的结合模式将ACTH稳定在结合口袋里进一步激活MC2R。

该研究阐释了MC2R依赖于MRAP1激活并且特异性识别ACTH的分子机制，揭示了一种新型的辅助蛋白调控G蛋白偶联受体功能的“安全带模型”。这些发现将加深人们理解GPCR辅助蛋白的作用机制，并对开发选择性MC2R药物提供了启示。

图1. MC2R的配体选择性及复合物冷冻电镜结构。a-b. 黑素皮质素受体配体的序列比较及对配体的选择性。c-d. ACTH-MC2R-Gs-MRAP1复合物冷冻电镜密度图及卡通示意图。e. 已有黑素皮质素受体结构的结构对比。

本研究中的冷冻电镜数据由中国科学院上海药物研究所冷冻电镜平台收集。上海药物所博士后罗平和复旦大学博士研究生冯文博为该论文的共同第一作者，蒋轶、徐华强和王明伟研究员为共同通讯作者，上海药物所为第一完成单位。该工作获得了包括国家自然科学基金委、科技部重大专项，以及上海市市级科技重大专项等资金的资助。

全文链接：https://www.nature.com/articles/s41422-022-00751-6