氧化还原伴侣肾上腺皮质铁氧还蛋白通过构象变化诱导类固醇生成细胞色素P450 11B2和11A1的底物结合

本研究针对Urotensin-II受体(UTR)的激活机制不明问题，通过冷冻电镜技术解析了P5U激活的UTR-miniGq复合物结构，揭示了非经典开关残基F2746.51在Gq偶联特异性中的关键作用，为心血管疾病药物研发提供了结构基础。

　　

在心血管生物学领域，Urotensin-II (U-II)一直被视为最有效的血管收缩肽之一，其效力甚至比著名的内皮素-1还要强一个数量级。这种由11个氨基酸组成的环状肽通过与其特异性受体——Urotensin-II受体(UTR)结合，在调节血压、心率以及心脏功能方面发挥着关键作用。UTR属于A类G蛋白偶联受体(GPCR)家族，主要通过与G_q蛋白偶联来传递信号。然而，尽管U-II/UTR系统在心血管生理和病理过程中的重要性日益凸显，科学家们对其分子层面的激活机制却知之甚少，这严重阻碍了针对该系统的药物研发进程。

问题的复杂性在于UTR与其他受体的交叉反应性。研究发现，U-II不仅能激活其天然受体UTR，还能激活生长抑素受体(SSTRs)；同样，生长抑素(SST)也能激活UTR。这种交叉反应性使得开发特异性药物变得异常困难。此外，传统的GPCR激活机制认为保守的W^6.48残基充当"触发开关"，但UTR是否遵循这一范式尚不清楚。更令人困惑的是，尽管U-II是强效血管收缩剂，但在不同物种、血管床甚至个体中却表现出高度可变的反应性，有时甚至几乎不影响血压。这些未解之谜促使研究人员深入探索UTR的激活机制。

为了解决这些关键问题，由Tianyu Gao、Chongzhao You、Yinglong Cao、Xiaofang Xu、Qingning Yuan、Shiyi Shen、H.Eric Xu和Jia Duan组成的研究团队开展了一项系统性研究，相关成果发表在《Journal of Biological Chemistry》上。研究人员采用多学科交叉的方法，结合结构生物学、细胞生物学和计算生物学等技术，首次解析了UTR与强效激动剂P5U复合物的高分辨率结构，揭示了这一重要受体家族的独特激活机制。

研究团队运用了几个关键技术方法：利用冷冻电子显微镜(cryo-EM)技术在3.23埃分辨率下解析了P5U-UTR-miniG_q复合物的三维结构；通过分子对接分析比较了UTR与SSTRs的配体特异性差异；采用IP₁积累测定法检测了UTR的G_q信号通路活性；使用流式细胞术量化了野生型和突变型UTR的细胞表面表达水平；利用High Five昆虫细胞系统进行膜蛋白表达和复合物制备。

整体结构特征

研究人员成功解析了P5U结合状态下UTR-miniG_q复合物的冷冻电镜结构，全局分辨率达到3.23埃。结构显示UTR具有典型的七次跨膜螺旋结构(TM1-TM7)，所有三个胞外环(ECL1-ECL3)和两个胞内环(ICL1和ICL2)都清晰可见。特别值得注意的是，ECL2通过C123^3.25和C199^ECL2之间的保守二硫键稳定成U形结构。三个ECL共同形成了一个巨大的开放配体结合口袋，恰好容纳P5U的环状肽结构。此外，研究还发现两个胆固醇半琥珀酸酯(CHS)分子结合在受体TMD的外表面，但功能实验表明CHS结合对UTR激活并非必需。

P5U与UTR的识别机制

与大多数线性肽以末端插入受体结合腔的方式不同，P5U作为一种环状肽，通过其中间环状段插入受体的跨膜结构域。P5U侧链向外延伸，与受体的TM2-3、TM5-7以及所有三个ECL形成广泛相互作用。特别重要的是，F6、W7、K8和Y9这四个残基负责大部分与UTR的相互作用。其中，F6与L200^ECL2、P201^ECL2、R206^5.33和Y283^6.60形成疏水和范德华相互作用；W7与F127^3.29、F131^3.33、W277^6.54、L276^6.53和L280^6.57形成广泛的疏水相互作用；Y9不仅与F127^3.29和I107^2.60形成疏水相互作用，还与D130^3.32形成极性相互作用。

最引人注目的是K8参与了一个动态的亲水相互作用网络，涉及Y100^2.53、D130^3.32和Y305^7.43，这一网络可能受生理pH下的局部pK_a变化调节。功能实验表明，D130A突变完全消除了P5U诱导的UTR激活，而该突变体仍保留约40%的组成性活性，说明D130^3.32在配体识别和激活中起关键作用。

UTR与SSTRs的配体特异性

研究人员通过比较UTR与生长抑素受体(SSTRs)的结构，揭示了配体特异性的分子基础。虽然U-II和SST属于同一γ亚家族的A类GPCRs，但它们的激活谱存在明显差异。关键区别在于P5U中的Y9与SST-14和奥曲肽中的T7之间的差异。在P5U-UTR结构中，Y9与I107^2.60、F127^3.29和D130^3.32相互作用，而在奥曲肽-UTR对接模型中，T7与T110^2.63和Y298^7.36相互作用。这种侧链组成的细微差异决定了受体-配体相互作用的特异性，为设计受体选择性药物提供了重要启示。

UTR的激活机制

与大多数A类GPCR中保守的W^6.48作为"触发开关"不同，UTR中的F271^6.48侧链向外延伸远离受体的TMD束，表明该残基不太可能充当"触发开关"。有趣的是，TM6的中部呈现非典型的α螺旋构象，形成了一个环状结构。在这个弯曲处，F274^6.51占据了与SSTR2中触发开关残基W269^6.48相似的空间位置，表明F274^6.51才是UTR中真正的触发开关。

功能实验支持了这一 assignment：F274A突变显著降低了P5U的效力，而F271A的影响相对较小。虽然P5U插入UTR的正构结合口袋，但并不与F274^6.51形成直接相互作用。进一步的结构分析揭示，一系列芳香族氨基酸包括Y100^2.53、F131^3.33和W277^6.54与P5U形成直接相互作用，并通过与M134^3.36、I138^3.40和I220^5.47的疏水相互作用网络将激活信号传递至F274^6.51。F274^6.51的旋转进一步诱导了UTR保守"微开关"(PIF、ERY和NPxxY)的构象变化，最终导致受体完全激活。

UTR的G蛋白偶联

研究人员比较了G_q偶联的UTR和SSTR2结构，揭示了UTR与G_q蛋白偶联的独特特征。虽然两者的Gα_q α5螺旋都通过TM3和TM5之间的间隙插入各自的胞质口袋，但结构叠加显示G蛋白构象存在显著差异。UTR中的Gα_q α5螺旋以更深的半螺旋插入口袋，并向TM5偏移10度。此外，当从细胞膜观察时，UTR的Gα_i αN螺旋相对于SSTR2的Gα_q螺旋呈现约10.9度的逆时针偏移。

UTR通过两个主要界面与Gα_q相互作用：第一个界面涉及Gαq的两亲性C末端α5螺旋，与UTR的TM2-7区域(除TM1外)广泛相互作用；第二个界面由受体ICL2和Gα_q αN与α5螺旋之间的空腔形成。功能分析支持了这些结构观察的重要性，关键界面残基的丙氨酸取代显著降低了P5U诱导的Gq激活效力。

研究结论和讨论部分强调，这项研究通过对P5U激活的UTR-miniG_q复合物的结构解析，揭示了UTR的独特激活机制和G_q偶联特异性。研究发现UTR使用非常规的F274^6.51作为触发开关，而不是保守的W^6.48，这一发现拓展了对GPCR激活机制的理解。同时，研究阐明了UTR与SSTRs之间的配体特异性差异，为设计选择性药物提供了结构基础。

该研究的重要意义在于：首先，提供了首个UTR激活状态的结构信息，填补了该领域的重要空白；其次，揭示了UTR的独特激活机制，特别是F274^6.51作为触发开关的新发现；第三，阐明了UTR与SSTRs的交叉反应性的结构基础，为开发高选择性药物指明了方向；最后，详细的G蛋白偶联界面分析为理解G_q信号转导特异性提供了新见解。

这些发现不仅推进了对U-II信号传导的理解，而且为开发治疗心血管疾病的选择性UTR调节剂奠定了坚实基础。由于U-II/UTR系统在高血压、心力衰竭和其他心血管疾病中的重要作用，这项研究具有重要的转化医学价值，为针对这一系统的药物研发提供了宝贵的结构指导。