冷冻电镜解析PTH1R-Gq复合物结构揭示G蛋白偶联偏好性的分子机制

本研究针对甲状旁腺激素1型受体（PTH1R）在骨质疏松治疗中因Gq信号通路导致骨吸收副作用的关键问题，通过冷冻电镜技术解析了PTH1R-Gq复合物的两种构象，发现N1761.28糖基化对配体倾斜构象的稳定作用，并揭示了ICL2（细胞内环2）和α5h（G蛋白α5螺旋）在Gq信号特异性中的关键作用。该研究为开发选择性激活Gs信号通路的骨质疏松药物提供了结构基础，发表于《Nature Chemical Biology》。

　　

骨质疏松症的治疗长期面临一个矛盾：甲状旁腺激素（PTH）既能促进骨形成，又会通过G_q蛋白介导的信号通路引发骨吸收。这种双重效应源于PTH1R（甲状旁腺激素1型受体）对G_s和G_q蛋白的混杂性偶联。尽管已有研究揭示了G_s信号通路的结构基础，但G_q偶联的分子机制仍是未解之谜。这一认知空白严重阻碍了开发选择性激活G_s通路、避免骨吸收副作用的靶向药物。

为解决这一难题，东京大学等机构的研究团队在《Nature Chemical Biology》发表了突破性成果。他们通过冷冻电镜解析了PTH-PTH1R-G_q复合物的两种构象——直立状态和倾斜状态，分辨率分别达到2.8?和2.75?。研究发现，受体胞外区的动态变化与糖基化修饰共同调控G蛋白偶联偏好性，为设计信号通路选择性药物提供了精确的分子蓝图。

研究主要采用冷冻电镜结构解析、分子动力学模拟和细胞功能实验三大技术方法。通过工程化改造的嵌合型miniG_q蛋白和scFv16抗体稳定复合物，获得高分辨率结构；利用200ns分子动力学模拟验证构象稳定性；采用NanoBiT G蛋白解离实验和荧光显微技术测定配体解离动力学。

结构解析揭示构象动态
冷冻电镜结构显示，PTH1R-G_q复合物存在两种胞外构象：直立状态中TM1（跨膜螺旋1）缩短，而倾斜状态因N176^1.28糖基化与T178^3.30/R179^3.31形成氢键网络，使TM1延伸40°。分子动力学模拟证实，糖基化缺失会导致E177^1.29二级结构不稳定，促使受体回归直立状态。

糖基化调控配体滞留
荧光动力学实验发现，T175^1.27A/N176^1.28A/E177^1.29A三突变使PTH解离速率显著加快（慢组分占比从60%降至30%），说明糖基化通过稳定倾斜构象延长配体滞留。NanoBiT实验进一步显示，三突变体对G_q活性的抑制程度（logRAi降低1.5）远超G_s（降低0.7），证明G_q信号更依赖倾斜状态。

G_q结合扩大胞内腔
与G_s复合物相比，G_q结合使PTH1R的TM5/TM6胞内端外移3.3-4.4?，α5h更垂直插入受体核心。分子动力学显示，G_q复合物中TM5/6与α5h接触频率（<30%）显著低于G_s复合物（>80%），溶剂可及表面积增加20%，表明G_q结合形成更开放的胞内腔。

ICL2决定偶联偏好性
结构比较发现，G_q的R31^hns1.02/R32^hns1.03与E317^4.38形成极性相互作用，而F314^ICL2深插于TM3/TM4间的疏水口袋。功能实验证实，E317^4.38A突变使G_q活性降低70%，但对G_s无影响，说明ICL2是G_q信号的特异性锚定位点。

该研究首次阐明了PTH1R-G_q复合物的精细结构，提出“糖基化-构象动态-偶联偏好性”的级联调控模型：N176^1.28糖基化稳定倾斜构象，延长配体滞留，进而通过ICL2介导的特定相互作用优先激活G_q信号。这一发现不仅为理解B1类GPCR的G蛋白选择性提供了范式，更为设计骨形成选择性药物（如靶向糖基化位点或ICL2的小分子）开辟了新途径。研究揭示的机制可能推广至其他能偶联G_q/G_s的GPCR（如CRF2R），具有广泛的生理病理意义。

q复合物的冷冻电镜密度图（左：直立状态；右：倾斜状态）'>