揭示强效血管收缩肽P5U激活人尿紧张素II受体（UTR）的独特机制与Gq偶联特异性结构基础

本研究通过冷冻电镜技术解析了激动剂P5U结合的人尿紧张素II受体（UTR）与miniGq蛋白复合物的高分辨率结构（3.23 ?），揭示了UTR非经典的F2746.51 toggle switch激活机制、独特的环状肽识别模式及其与生长抑素受体（SSTR）的配体特异性差异，为心血管疾病药物研发提供了关键结构依据。

　　

尿紧张素II（Urotensin-II, U-II）被誉为迄今发现的最强效哺乳动物血管收缩肽，其收缩效力比内皮素-1高一个数量级。这种由11个氨基酸组成的环状肽通过激活G蛋白偶联受体（GPCR）家族中的尿紧张素II受体（UTR），在心血管调节、神经系统功能及代谢平衡中发挥关键作用。然而，U-II在不同物种、血管床甚至个体间表现出显著差异的生物学效应——它既能引起强烈血管收缩，又可能通过同时收缩和舒张不同血管区域导致净血压变化不明显。这种复杂性的背后，隐藏着UTR激活机制与信号转导途径的结构基础未知这一根本问题。

由于缺乏UTR的结构信息，针对该受体的药物开发陷入困境。虽然已有强效激动剂P5U（比天然U-II强效20倍）和拮抗剂palosuran被开发，但后者在临床试验中未能成功。解决这一难题的关键在于从原子层面揭示UTR如何识别配体、如何激活下游G_q蛋白信号通路，以及为何它与结构相似的生长抑素受体（SSTR）之间存在配体交叉反应性却又保持特异性。

为此，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。他们通过冷冻电镜技术首次解析了P5U激活的UTR与miniG_q蛋白复合物的高分辨率结构，并结合功能实验揭示了UTR独特的激活机制和配体识别特性。

研究主要采用了以下关键技术方法：利用昆虫细胞系统共表达UTR-miniG_q融合蛋白与Gβγ亚基；采用LMNG/CHS去垢剂提取膜蛋白并通过亲和层析、尺寸排阻色谱纯化复合物；使用冷冻电镜单颗粒分析技术解析3.23 ?分辨率结构；通过IP₁积累HTRF检测评估受体突变体的功能变化；利用流式细胞术分析受体表面表达；采用分子对接模拟配体-受体相互作用。

整体结构特征

研究人员成功解析了P5U-UTR-miniG_q复合物的冷冻电镜结构，全局分辨率为3.23 ?。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-ICL2）均清晰可见。ECL2通过C123^3.25与C199^ECL2之间的保守二硫键稳定呈U形构象，三个ECL共同形成开放的配体结合口袋以容纳P5U环状肽。值得注意的是，两个胆固醇半琥珀酸酯（CHS）分子结合在受体TMD外表面，但功能实验表明它们对UTR激活并非必需。

P5U的识别机制

与大多数线性肽不同，P5U通过其环状中间段插入受体跨膜域，而非N或C末端。P5U侧链与受体TM2-3、TM5-7及所有三个ECL形成广泛相互作用，其中F6、W7、K8和Y9四个关键残基贡献了主要结合能。功能实验显示D130A突变完全 abolishes P5U诱导的UTR激活，Y100A、I107A、F127A等突变也显著降低受体活性，证实了这些残基在配体识别中的关键作用。

UTR与SSTR的配体特异性

尽管U-II和生长抑素（SST）同属γ亚家族GPCR，且存在交叉激活现象，但结构比较揭示了它们的配体特异性基础。P5U中的Y9与UTR的I107^2.60、F127^3.29和D130^3.32相互作用，而SST-14和临床药物octreotide中的相应位置为苏氨酸（T），这种侧链大小差异导致它们与不同受体的相互作用模式不同，解释了为什么octreotide对UTR的激活效力较低。

UTR的激活机制

与大多数A类GPCR使用W^6.48作为toggle switch不同，UTR中的F271^6.48侧链向外延伸，而F274^6.51占据了典型toggle switch的空间位置。功能实验证实F274A突变显著降低P5U效力，而F271A影响相对较小，确立了F274^6.51作为UTR toggle switch的特殊地位。P5U虽不直接与F274^6.51相互作用，但通过Y100^2.53、F131^3.33和W277^6.54等芳香族氨基酸将激活信号传递至F274^6.51，再通过保守的PIF、ERY和NPxxY微开关引发受体全面激活。

G蛋白偶联特性

与G_q偶联的SSTR2结构比较显示，UTR的Gα_q α5螺旋插入更深且向TM5偏移10°，αN螺旋也有10.9°逆时针旋转。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形成疏水作用和氢键网络；二是ICL2的L156插入Gα_q αN/α5裂隙并与多个残基形成疏水相互作用。功能实验验证了M86^2.39、R148^3.50等界面残基对G_q偶联的重要性。

这项研究首次揭示了UTR的激活机制和配体识别特性，发现了非经典的F274^6.51 toggle switch，阐明了UTR与SSTR的配体特异性差异的结构基础，并详细描绘了UTR与G_q蛋白的独特偶联模式。这些发现不仅深化了对U-II信号转导机制的理解，而且为开发选择性UTR调节剂治疗心血管疾病、肾脏疾病和糖尿病等U-II信号失调相关疾病提供了精准的结构模板。该研究突破了过去因缺乏结构信息而导致的药物开发瓶颈，为靶向UTR的 therapeutics开发开启了新篇章。