g蛋白偶联受体是真核生物中最大的一类膜蛋白。它们在感知细胞外信号和介导细胞内信息转导中发挥重要作用，并参与调节各种生理过程。它们与人类疾病密切相关，是重要的药物靶蛋白家族。在GPCR与第二信使环磷酸腺苷(cAMP)相关的信号通路中，刺激性G蛋白(Gs)和抑制性G蛋白(Gi)主要用于区分细胞内不同的信号模式。了解受体对Gs和Gi信号通路的选择机制是GPCR和相关信号转导领域的长期科学问题。
5-羟色胺(5- HT)是人体中枢神经系统和周围神经系统的主要神经递质之一。它通过与5-羟色胺受体结合来调节食欲、记忆、认知、情绪调节和成瘾等生理过程，这也使5-羟色胺受体成为抑郁症、精神分裂症、偏头痛等疾病的重要治疗靶点。5-羟色胺受体家族是GPCR超家族中最复杂的亚家族之一，包括12个亚型。不同亚型的受体在人体内发挥不同的生理功能，并与不同种类的G蛋白偶联。其中，5-HT4、5-HT6和5-HT7受体主要与下游Gs蛋白偶联，5-HT1和5-HT5受体主要与下游Gi蛋白偶联。在相同的内源性配体5- HT被激活后，尚不清楚不同亚型的5-HT受体如何优先与下游G蛋白偶联来调节细胞反应。
近日，中国科学院上海药物研究所徐华强研究员团队与浙江大学张艳教授团队、丹麦哥本哈根大学David E. Gloriam教授团队等合作最新研究成果发表在《分子细胞》杂志上，标题为《血清素受体结构揭示的通过tm5-tm6开关的gpcrs steergi和GS选择性》。在血清素受体的结构和功能领域取得了另一项重要进展，成功解析了5- HT4、5-HT6、5-HT7受体与活化G蛋白(Gs蛋白)和5-HT4受体与抑制G蛋白(Gi蛋白)的复合物的三维结构。本研究系统揭示了小分子配体5-HT和5-CT识别5-羟色胺受体亚型的结构基础，阐明了5-羟色胺受体选择性偶联Gs蛋白和Gi蛋白的分子机制。
研究团队利用单粒子冷冻电镜技术对5-HT激活5-HT4和5-HT6形成的Gs复合物、5-CT激活5-HT7形成的Gs复合物和5-HT激活5-HT4形成的Gi复合物进行了结构重塑，最终分析了配体激活状态下不同蛋白质的四种复合物的结构，其中5-HT-5-HT4-Gs复合物结构的解析。5-HT-5-HT6-Gs复合结构的分辨率为3.3埃，5-CT-5-HT7-Gs复合结构的分辨率为3.2埃，5-HT-5-HT4-Gi复合结构的分辨率为3.2埃(图1)。研究小组将这三种Gs-偶联血清素受体与Gi-偶联血清素受体的结构进行了比较，并将它们与19种已发表的Gs-和Gi-偶联A类GPCRs结构进行了比较。他们发现跨膜螺旋TM5和TM6的长度被用作“大开关”来分别确定Gs和Gi受体的选择性，并且TM5-TM6长度的这种“大开关”被a类GPCRs-G蛋白的结构所共享。此外，TM5和TM6中的特定残基充当“微开关”来形成与Gs或Gi的特定相互作用。这些结果显示了A类GPCRs中Gs和Gi蛋白偶联选择性或杂交的共同机制(图2)。
为了探索G蛋白偏好血清素受体的假设，研究小组进行了两组实验来检验TM5和TM6的长度是GPCR区分Gs和Gi蛋白的关键因素的假设。在第一组实验中，5-HT1A受体的TM6末端螺旋断裂并延伸，或者5-HT4，5-HT7受体的TM5末端螺旋断裂并延伸。功能结果表明，这种修饰影响了5-HT4，5-HT7受体偶联Gs蛋白的能力，进而使5-HT1A受体由Gi偶联变为Gs偶联。这些结果支持了TM5和TM6长度的“宏观-”。在第二组实验中，Gi偶联的5-HT1A的TM5-TM6区域与Gs偶联的5-HT4和5-HT7受体的TM5-TM6区域交换。结果表明，嵌合受体5-HT1A (5-HT4_P5.50-P6.50)与野生型5-HT4具有相似的功能，即具有高组成型激活，几乎不受配体的调节。类似地，5-HT1A (5-HT7_P5.50-P6.50)显示出与野生型5-HT7相似的功能，并且cAMP积累由激动剂诱导。如果5-HT4和5-HT7的ICL3被5-HT1A取代，激动剂诱导的cAMP积累能力几乎丧失，类似于野生型5-HT1A受体。综上所述，团队从5-羟色胺家族受体入手，揭示了A类GPCRs的Gs与Gi蛋白偶联的选择性机制，拓展了5-羟色胺受体的配体识别基础。
徐华强团队长期致力于血清素家族受体的结构和功能研究，并取得了一系列系统的研究成果。2013年，该团队在《科学》杂志上首次报道了激动剂结合的5-HT1B受体的高分辨率晶体结构。2018年，第一个反向激动剂结合的5-HT1B受体的晶体结构发表在《细胞发现》上；2021年3月，在《自然》杂志上首次报道了5-HT1A、5-HT1D和5-HT1E受体的结构，揭示了磷脂PI4P和胆固醇调节受体功能的机制和受体的背景激活机制。2021年7月，在《细胞研究》中首次报道了5-HT1F受体的结构，揭示了偏头痛药物拉米坦对该受体的选择性结合机制。2022年5月，在细胞发现中首次报道了5-HT5A受体的结构。
