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鈣敏感受體CaSR是一種C家族GPCR，主要分布在人體的甲狀腺、甲狀旁腺、骨骼、腸道系統(tǒng)以及腎臟等器官中，它能感應(yīng)鈣離子的濃度，通過平衡鈣離子的吸收和外排從而維持人體中的鈣離子平衡。CaSR 的失活性突變會(huì)引起高血鈣疾病,而激活性突變會(huì)引起低血鈣疾病。CaSR除了能夠感受鈣離子外，它還能夠感受各種內(nèi)源的氨基酸，氨基酸衍生物、多肽以及多胺化合物等。有關(guān)CaSR的生理、病理、細(xì)胞以及生化研究已經(jīng)開展很多年，但是由于缺少全長(zhǎng)CaSR的三維結(jié)構(gòu)信息，其完整激活機(jī)制目前仍然不清楚，而且限制了靶向CaSR受體的相關(guān)藥物研發(fā)。

近日， 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部田長(zhǎng)麟教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合清華大學(xué)劉磊教授團(tuán)隊(duì)在CaSR的結(jié)構(gòu)與功能機(jī)制研究方面取得重要進(jìn)展，相關(guān)成果以題為“Structural Mechanism of the Human Calcium-Sensing Receptor Cooperatively Activated by Ca2+ Ions and L-tryptophan”的研究長(zhǎng)文形式發(fā)表在cell research雜志。該工作入選cell research 雜志四月封面文章（圖1）。

圖1 2021年Cell Research雜志第四期封面

（黃雯、陳磊、柏江竹設(shè)計(jì)制作）

該研究在國(guó)際上首次報(bào)道了人源全長(zhǎng)鈣敏感受體CaSR蛋白在四種不同條件下的冷凍電鏡三維結(jié)構(gòu)：不添加任何激動(dòng)劑的“apo”-CaSR的inactive狀態(tài)電鏡結(jié)構(gòu)；同時(shí)結(jié)合 L-Trp和 Ca2+兩種配體的active-CaSR結(jié)構(gòu)；單獨(dú)結(jié)合L-Trp的CaSR結(jié)構(gòu)；單獨(dú)結(jié)合Ca2+的CaSR結(jié)構(gòu)。通過結(jié)構(gòu)分析首次闡明了全長(zhǎng)CaSR受體的完整激活機(jī)制(圖2)：首先，L-Trp緊密結(jié)合在CaSR的VFT配體結(jié)合口袋中，誘導(dǎo)VFT從開放狀態(tài)變成關(guān)閉狀態(tài)；然后高濃度鈣離子結(jié)合到受體上，使二體CaSR胞外的VFT結(jié)構(gòu)域圍繞二體對(duì)稱軸開始發(fā)生扭轉(zhuǎn)；該扭轉(zhuǎn)通過剛性的CRD結(jié)構(gòu)域傳遞到TMD，使TMD單體互相靠近形成TMD二聚體；最終形成CaSR激活態(tài)構(gòu)象，為下游的G蛋白結(jié)合以及信號(hào)傳遞提供基礎(chǔ)。

圖2：鈣敏感受體CaSR在Ca2+和L-Trp兩種激動(dòng)劑的共同作用下的激活機(jī)制

由于CaSR是重要的藥物靶標(biāo)，目前靶向CaSR的藥物有三種：小分子藥物evocalcet和cinacalcet，多肽藥物Etelcalcetide。這三種藥物都是鈣擬劑，是CaSR的變構(gòu)激活劑，然而他們對(duì)CaSR的變構(gòu)調(diào)節(jié)機(jī)制目前還不是很清楚。本研究首次展示了全長(zhǎng)CaSR蛋白的高分辨三維結(jié)構(gòu)，特別是之前從未報(bào)道過的TMD結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)信息使得后續(xù)以CaSR-TMD為靶點(diǎn)的別構(gòu)調(diào)節(jié)藥物設(shè)計(jì)和開發(fā)變得更加高效和準(zhǔn)確。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的田長(zhǎng)麟教授、孫德猛特任副研究員和清華大學(xué)的劉磊教授為本文的共同通訊作者。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)特任副研究員凌盛龍、石攀、劉三玲和博士研究生孟憲禹為論文的共同第一作者。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)為論文第一單位。中科大合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心的集成影像中心、浙江大學(xué)冷凍電鏡中心和上?？萍即髮W(xué)冷凍電鏡平臺(tái)為電鏡數(shù)據(jù)收集提供了支持。論文封面藝術(shù)圖由中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)人文學(xué)院科技傳播系黃雯副教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)制作。

該研究工作獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金委、中國(guó)科學(xué)院、科技部和中國(guó)博士后科學(xué)基金會(huì)等項(xiàng)目支持。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41422-021-00474-0

（生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部、合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心、先進(jìn)光子科學(xué)技術(shù)安徽省實(shí)驗(yàn)室、科研部）