Urotensin-II受体结构解析：揭示独特激素识别与Gq蛋白偶联机制

本研究通过冷冻电镜技术解析了激动剂P5U结合的人Urotensin-II受体(UTR)与miniGq蛋白复合物的高分辨率结构，揭示了UTR独特的环状肽识别机制和非经典激活开关F2746.51的作用，为心血管疾病药物研发提供了关键结构基础。

　　

在心血管疾病研究领域，Urotensin-II (U-II)一直被誉为最强效的血管收缩肽，其作用比内皮素-1还要强一个数量级。然而这种强大的生物活性分子却像一个神秘的黑匣子——科学家们知道它的强大作用，却不清楚它如何与靶点受体精确结合，更不了解激活后如何引发下游信号传导。这种认知空白严重阻碍了相关心血管药物的开发进程。

人类Urotensin-II受体(UTR)属于A类G蛋白偶联受体(GPCR)家族，主要通过与G_q蛋白偶联来调控血管收缩等生理功能。当U-II系统功能失调时，会导致高血压、心力衰竭、肾脏疾病和糖尿病等多种严重疾病。尽管制药界多年来一直尝试开发靶向UTR的药物，但缺乏结构信息的指导使得这些努力收效甚微，就连已进入临床试验的拮抗剂帕洛苏兰也最终折戟沉沙。

面对这一挑战，上海科技大学生命科学与技术学院的研究团队在《Journal of Biological Chemistry》上发表了突破性研究成果。他们采用单颗粒冷冻电镜(cryo-EM)技术，成功解析了UTR与高效激动剂P5U和工程化miniG_q蛋白形成的复合物结构，分辨率达到3.23埃。这一成就为理解UTR的激活机制和G蛋白偶联特异性提供了前所未有的分子细节。

研究团队运用了多项关键技术：利用杆状病毒-昆虫细胞表达系统共表达UTR-miniG_q融合蛋白与Gβγ二聚体；采用去垢剂LMNG/CHS从细胞膜中提取蛋白复合物；使用Nb35纳米抗体和TALON IMAC树脂进行复合物稳定化和纯化；通过冷冻电镜技术采集数据并重构三维结构；利用分子对接分析研究配体-受体相互作用；采用IP₁积累实验检测受体激活功能；通过流式细胞术测定受体细胞表面表达水平。

研究结果揭示了多个重要发现：

整体结构特征方面，研究成功解析了P5U-UTR-miniG_q复合物的冷冻电镜结构，显示UTR具有典型的七次跨膜螺旋结构(TM1-TM7)，所有胞外环(ECL1-ECL3)和部分胞内环(ICL1和ICL2)清晰可见。ECL2呈U形构象，由C123^3.25和C199^ECL2之间的保守二硫键稳定。三个ECL共同形成了一个开放的配体结合口袋，用于容纳环状肽P5U。

配体识别机制方面，研究发现P5U通过其中间环状片段与受体结合，这与大多数线性肽通过N端或C端插入受体的方式截然不同。P5U的侧链F6、W7、K8和Y9与受体的TM2-3、TM5-7及所有三个ECL形成广泛相互作用。其中D130^3.32突变完全消除了P5U诱导的UTR激活，表明该残基在配体识别和激活中起关键作用。

配体特异性比较方面，研究通过比较UTR与生长抑素受体(SSTRs)的结构，揭示了配体特异性的结构基础。虽然U-II和SST肽都含有保守的FWK motif，但P5U中的Y9与SST中的T7差异导致它们与受体形成不同的相互作用网络，这解释了为什么octreotide能够激活UTR但效力较低。

激活机制方面，研究发现UTR采用非经典的激活开关机制。与大多数GPCR中W^6.48作为toggle switch不同，UTR中的F274^6.51承担了这一功能。TM6中段形成环状结构，由W275^6.52和F271^6.48之间的疏水相互作用稳定。功能实验显示F274A突变显著降低P5U效力，而F271A影响相对较小。

G蛋白偶联特性方面，结构比较发现UTR与Gα_q的偶联方式与SSTR2存在明显差异。UTR的Gα_q α5螺旋插入更深，且朝向TM5偏移约10度。UTR通过两个主要界面与Gα_q相互作用：一是Gα_q α5螺旋与UTR的TM2-7区域形成疏水作用和氢键；二是ICL2与Gα_q αN-α5裂隙之间的相互作用。

研究结论和讨论部分强调，这项工作首次揭示了UTR在近原子分辨率下的三维结构，阐明了其独特的配体识别和激活机制。发现F274^6.51作为非经典toggle switch的重要性，以及UTR与G_q蛋白偶联的特异性界面，为理解UTR信号转导提供了结构基础。这些发现对开发选择性UTR调节剂具有重要意义，特别是针对心血管疾病的治疗策略。研究还揭示了U-II和SST肽家族之间的交叉反应性，增进了对这类GPCR配体特异性的理解。尽管取得了这些突破，由于缺乏apo-UTR结构，UTR激活过程中的完整构象变化仍有待进一步研究。这项研究为靶向UTR的药物设计提供了宝贵的结构见解，有望推动治疗心血管疾病的新药研发。