果蝇胰岛素受体结构与活化机制解析：三种DILPs诱导差异性构象与功能调控

《Nature Communications》：Structure and activation of the Drosophila insulin receptor by three Drosophila insulin-like peptides

本研究通过冷冻电镜技术解析了果蝇胰岛素受体（dmIR）与三种胰岛素样肽（DILP1/2/5）的复合物结构，揭示了不同DILPs通过诱导受体不对称/对称构象差异，调控自磷酸化水平与信号输出的分子机制，为理解单一受体介导多效性生理功能提供了结构基础。

　　

胰岛素/胰岛素样生长因子信号通路（IIS）在从酵母到哺乳动物的生理调控中高度保守。果蝇作为模式生物，仅表达一种胰岛素样受体（dmIR），却能通过结合7种不同的胰岛素样肽（DILPs）调控生长、代谢、衰老等多种生命过程。然而，不同DILPs如何通过与同一受体相互作用产生差异性信号输出，一直是领域内未解之谜。

为解决这一关键问题，美国德克萨斯大学西南医学中心、哥伦比亚大学及布朗大学的研究团队合作，在《Nature Communications》上发表了题为“Structure and activation of the Drosophila insulin receptor by three Drosophila insulin-like peptides”的研究论文。该研究通过冷冻电镜（cryo-EM）解析了近全长dmIR与DILP1、DILP2、DILP5的复合物结构，并结合细胞功能实验，首次揭示了不同DILPs通过诱导受体特异性构象变化，调控其活化效率的分子机制。

关键技术方法

研究采用昆虫Sf9细胞表达系统制备近全长dmIR蛋白（含激酶失活突变D1519N及N/C端截短），通过体外重构dmIR与合成DILPs的复合物，利用单颗粒冷冻电镜技术解析其高分辨率结构（分辨率3.6-4.4 ?）。功能验证通过转染dmIR野生型与突变体的293FT细胞模型，检测DILPs诱导的受体自磷酸化水平（Y1548/1549位点）。

研究结果

DILPs差异性激活dmIR

细胞实验表明，DILP5可诱导最高水平的dmIR自磷酸化，DILP2活性次之，DILP1的激活能力最弱，提示三者具有不同的受体活化效能。

DILP5诱导T形不对称构象

dmIR/DILP5复合物呈现T形不对称构象，三个DILP5分子分别结合于site-1（顶部）、site-1'（中部）和site-2（中部）。其中site-2结合的DILP5通过直接相互作用稳定site-1'结合，并强化受体胞外域间的非对称接触（如FnIII-3-FnIII-3'界面），从而维持高活性构象。

DILP2形成Γ形不对称构象

dmIR/DILP2复合物中仅有一个DILP2分子结合于site-1，其构象类似于希腊字母“Γ”。由于DILP2缺乏DILP5中参与site-1'结合的“DFR”基序及site-2结合关键残基，其诱导的受体构象稳定性较低，与DILP5相比活性减弱。

DILP1诱导对称与不对称构象共存

DILP1可同时诱导dmIR形成不对称（单配体结合）和对称（双配体结合）两种构象。对称构象中两个DILP1分子分别结合于site-1与site-1'，但FnIII-3域间距增大（约28 ?），导致膜近端区域灵活性增加，可能与较低活化水平相关。功能实验显示，DILP1与DILP5共同处理可通过占据site-2抑制对称构象形成，显著增强受体活化。

讨论与意义

本研究从结构与功能层面阐明了果蝇单一胰岛素受体通过差异性配体结合实现功能多样化的机制：DILP5通过三分子结合稳定高活性不对称构象，DILP2因结合位点受限形成低稳定性不对称构象，而DILP1则倾向于诱导低活性对称构象。这一发现为理解无脊椎动物IIS通路的功能多效性提供了分子蓝图，并提示受体构象动态平衡可能是调控信号特异性的关键。与哺乳动物IR（饱和配体下形成对称构象）和IGF1R（仅形成不对称构象）相比，dmIR展现出独特的构象调控策略，为胰岛素超家族受体的进化与功能分化研究提供了新视角。