黏附类 G 蛋白偶联受体(adhesion G protein-Coupled Receptors,aGPCRs)在 GPCR超家族中是一类进化上比较古老的亚群,aGPCRs在生物体许多重要的生理过程中起到关键分子开关的作用,比如脑发育、神经发育、血管生成、水盐调节、炎症以及细胞命运决定等。黏附类GPCR的突变与特定的人类疾病有关,包括振动性荨麻疹、双侧额顶多发性微回、软骨形成、Usher综合征和男性不育。黏附类受体不同于其他家族GPCR的显著分子特征是具有巨大的胞外端和GAIN(GPCR autoproteolysis-inducing)结构域,黏附受体的胞外端参与受体与受体以及受体与细胞基质间的相互作用,它与配体识别,机械力的感知密切相关。GAIN结构域内部含有GPS自水解位点,可以将受体切割为NTF和CTF两个片段,受体CTF N端大约十几个氨基酸可以将受体激活招募下游G蛋白,这部分序列成为Stachel序列或栓系激动剂(TA,Tethered agonist)。尽管在aGPCR功能方面取得了重大进展,但aGPCR配体识别和激活的机制仍有待阐明。GPR97MG132浓度是高表达于免疫细胞中的aGPCR,糖皮质激素类抗炎药倍氯米松(BCM)被鉴定为GPR97的外源性配体。糖皮质激素是一类在临床上广泛使用的抗炎和免疫抑制剂,通过核受体调节基因转录发挥作用。科学家发现了糖皮质激素膜受体的存在,它介导糖皮质激素的快速作用,但糖皮质激素膜受体一直没有得到确证。本论文首先通过类固醇化合物筛选,发现了糖皮质激素能够特异性激活GPR97,其下游通过Gi/o信号介导快速作用;同时在肾上腺皮质细胞中发现糖皮质激素短时间刺激能够下调ACTH诱导的皮质醇快速分泌。因此确定了 GPR97为糖皮质激素膜受体。随后,采用单颗粒冷冻电镜技术分别对外源性配体倍氯米松(BCM)以及内源性配体氢化可的松(cortisol)激活GPR97后与Go形成的复合物进行了结构解析,最终获得了 BCM-GPR97-Go复合物3.1 ?分辨率结构,cortisol-GPR97-Go复合物2.9 A分辨率结构。在结构中发现糖皮质激素结合在GPR97七次跨膜正构结合位点口袋(orthosteric binding pocket),主要通过疏水作用和氢键与受体结合;GPR97激活机制比较特殊,和classA家族受体相比,没有保守的PIF、DRY和NPxxY基序,受体首先通过toggle switch W6.53识别配体,激活的受体借助新发现的UQC基序将TM3-TM5-TM6捆绑在一起,然后通过HLY基序介导与G蛋白结合。不仅如此,电镜结构还发现在Gα0的α5 helix C351位点处存在棕榈酰化修饰,这是GPR97-Go复合物中特有的,此修饰促进受体与G蛋白的偶联。糖皮质激素-GMCC950浓度PR97-Go复合物结构解析,证明了小分子配体可以直接与黏附类受体7次跨膜核心结合,激活受体。aGPCR与其他家族GPCR不同的一个重要特征是其能够依赖Stachel序列自激活。Stachel序列介导的aGPCR激活至少有三种不同的激活模式:ⅰ)Stachel序列在GPS处自水解后,NTF与CTF解离,Stachel序列暴露,然后与TMD相互作用,ⅱ)Stachel序列与TMD有预结合或间歇的相互作用,这种相互作用通过配体刺激或机械力稳定下来,ⅲ)Stachel序列与TMD接触通过GAIN结构域内部构象变化调节。每个假设都有实验支持,但也相互矛盾。接下来以medical mobile apps黏附受体GPR133和GPR114作为模型进行结构分析,探究Stachel序列介导的aGPCR激活机制。GPR133能够被自水解,参与胶质母细胞瘤的生长和胚胎转运,GPR114不可自水解,可被机械力激活。GPR133和GPR114依赖Stachel序列介导的激活作用招募下游Gs蛋白。利用冷冻电镜技术解析了 GPR133-CTF-Gs-Nb35和GPR114-CTF-Gs-scFv16的低温电镜结构,分辨率分别为3.1 ?和3.3 ?。GPR133-CTF和GPR114-CTF的Stachel序列形成的α螺旋结构被折叠在由7TM和ECL2包围的正构结合位点口袋内。确定了Stachel中的5个疏水氨基酸组成的保守HIM(Fss-03xφφφxφss-09)在Stachel序列与受体相互作用中起着核心作用。阐明了Stachel序列交叉激活和对受体的选择性。在GPR133-CTF和GPR114-CTF受体中都发现了保守切换开关W6.53,它可以感知Stachel序列的结合。Toggle switch W6.53 分别与 Q7987.49(GPR133)和 Y4957.49(GPR114)形成了保守的UQC基序。Q/Y7.49和保守的N5.50与P6.47/V6.47φφG6.50基序形成氢键网络,这些作用对稳定TM6和TM7的kink结构至关重要。在扭结下方,TM6和TM7末端的向外倾斜产生了一个更大的细胞质腔,从而促进了与Gs偶联。本论文研究发现了糖皮质激素膜受体GPR97,阐明了糖皮质激素被受体识别和激活受体机制,发现了黏附类受体配体与TM区结合激活受体的一种激活模式,提出了糖皮质激素可能通过GPR97发挥其所产生的副作用;通过解析GPR133、GPR114与Gs复合物结构,发现了Stachel与aGPCR识别激活作用模式。使我们对Stachel序列介导的aGPCR与Gs偶联机制有了深入了解,为优化Stahcel序列衍生多肽设计提供结构基础。