冷冻电镜解析人源腺苷酸环化酶9与Gαs复合物的结构机制及其调控意义

本研究通过冷冻电镜技术首次解析了人源腺苷酸环化酶9（hAC9）与Gαs复合物的高分辨率结构（2.7 ?），揭示了C2b结构域通过空间位阻抑制催化活性的分子机制，并发现跨膜区存在潜在脂质调控位点，为靶向AC9的药物设计提供了重要结构基础。

　　

腺苷酸环化酶（AC）是细胞信号转导的核心元件，通过催化生成第二信使cAMP调控多种生理功能。其中AC9作为唯一与胆固醇酯转移蛋白（CETP）抑制剂疗效相关的亚型，在哮喘、动脉粥样硬化等疾病中具有重要临床意义。然而，相较于牛源AC9（bAC9）的结构研究，人源AC9（hAC9）的结构解析长期空白，严重限制了靶向药物开发。更关键的是，AC9如何被Gαs激活、其跨膜结构域是否具有调控功能等核心科学问题尚未阐明。

为解决这些难题，日本的研究团队采用单颗粒冷冻电镜技术，成功解析了hAC9-Gαs复合物（2.7 ?）和hAC9单独结构（3.2 ?）。研究通过对比两种构象，首次在原子水平揭示了Gαs诱导的变构机制：Gαs结合促使C2a结构域的α2′-α3′螺旋位移，并通过E1073-N512盐桥拉动C1a结构域，最终使催化位点从封闭态转变为开放态。尤为重要的是，研究在跨膜区发现了一个由TM1-4构成的疏水口袋，其内的长条状密度提示可能存在调控性单酰基链，这与最新发现的AC3/5/9脂质激活现象相呼应。

关键技术方法包括：1）在Expi293F细胞中表达带GFP标签的hAC9全蛋白及截短体（hAC9ΔC）；2）利用Bac-to-Bac系统制备Gαs蛋白；3）采用300 kV冷冻电镜（JEOL JEM-Z320FHC）结合K3探测器采集数据；4）通过CryoSPARC和Relion进行三维重构与局部分析。

3.1. hAC9-Gαs复合物的冷冻电镜结构
研究获得了hAC9-Gαs复合物跨膜区（3.4 ?）和可溶区（2.7 ?）的分辨率。结构显示AC9包含12个跨膜段和C1/C2催化域，其中C2b结构域（Y1242-T1275）通过3个疏水作用和15个氢键占据催化位点，这种自抑制机制在脊椎动物中高度保守。

3.2. C2b结构域对催化位点的封闭作用
高分辨率图谱清晰显示，C2b通过F1245/Y1251等残基与催化域形成密集相互作用网络。这种"分子塞"机制解释了AC9基础活性低的原因，也为设计选择性调控剂提供了靶点。

3.3. Gαs激活诱导AC9构象变化
比较结构显示，Gαs结合使C2a的E1073-C1081区域形成稳定螺旋，并通过F1070-Y1075与Gαs的I207疏水相互作用。关键盐桥E1073-N512导致C1a的α4螺旋向Gαs侧位移3.5 ?，使催化残基D399/R487等重新排布，最终扩大ATP结合口袋。

3.4. 跨膜区的单酰基链样密度
在hAC9、hAC9-Gαs和hAC9ΔC的跨膜区均观察到长条状电子密度，其周围由TM1-4的V144/P148等疏水残基构成侧向开放的脂质通道。该特征在bAC8中因亲水残基替换而消失，提示AC亚型间存在差异化的脂质调控机制。

这项研究首次揭示了hAC9的精细结构和动态调控机制：Gαs通过变构效应解除C2b的自抑制，而跨膜区潜在的脂质结合位点可能成为新的药物靶标。研究成果不仅填补了人源AC9结构空白，更为开发针对哮喘、心血管疾病等的精准疗法提供了理论依据。论文发表于《Journal of Structural Biology》，为理解AC家族的结构-功能关系树立了新标杆。