G蛋白偶聯(lián)受體（G protein-coupled receptor, GPCR）是人類最大的一類膜受體超家族，人體內(nèi)目前已發(fā)現(xiàn)超過800種GPCR，分布于各種細(xì)胞組織，參與幾乎所有生命過程。GPCR能夠響應(yīng)細(xì)胞外界的各種刺激，其信號(hào)分子與GPCR胞外部分的配體結(jié)合口袋結(jié)合，引起受體胞內(nèi)側(cè)構(gòu)象變化，暴露受體與胞內(nèi)效應(yīng)蛋白的相互作用位點(diǎn)，放大信號(hào)形成級(jí)聯(lián)反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。GPCR激活G蛋白是其發(fā)揮功能的主要方式，根據(jù)Gα亞基的不同，G蛋白主要分為Gi/o、Gs、Gq和G12/13等四類。值得一提的是近86%的GPCR主要通過調(diào)控腺苷環(huán)化酶的Gs/Gi/o發(fā)揮作用。然而受體選擇性識(shí)別下游G蛋白的機(jī)制極其復(fù)雜，一直是GPCR領(lǐng)域內(nèi)懸而未決的難題。

2024年4月23日，浙江大學(xué)/浙江中醫(yī)藥大學(xué)陳忠課題組，浙江大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院張巖/沈慶亞課題組、浙江大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院胡薇薇課題組、浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院章敏課題組和山東大學(xué)/北京大學(xué)孫金鵬課題組合作在《Advanced Science》雜志上發(fā)表了題為“Molecular Determinant Underlying Selective Coupling of Primary G-protein by Class A GPCRs”的研究論文，該研究以高分辨率組胺受體H2R-Gs和H3R-Gi信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)復(fù)合物結(jié)構(gòu)為啟發(fā)，基于機(jī)器學(xué)習(xí)研究分析GPCR-G蛋白復(fù)合物結(jié)構(gòu)組學(xué)，揭示了包含組胺受體在內(nèi)的A類GPCR的TM5/TM6胞內(nèi)結(jié)構(gòu)特征決定其下游主要G蛋白信號(hào)的選擇性，進(jìn)一步加深了對(duì)GPCR下游信號(hào)選擇性的理解。

組胺（histamine）是一種重要的神經(jīng)遞質(zhì)和神經(jīng)調(diào)質(zhì)，主要由組胺能神經(jīng)元合成并釋放。組胺能神經(jīng)元起源于下丘腦結(jié)節(jié)乳頭核（tuberomammillary nucleus，TMN），廣泛地投射至全腦，對(duì)多種腦功能發(fā)揮調(diào)節(jié)作用，如睡眠覺醒、學(xué)習(xí)記憶、攝食行為等。組胺存在四種受體，有意思的是其不同受體分別主要偶聯(lián)不同的下游G蛋白信號(hào)，具有顯著的選擇性。為了研究不同組胺受體選擇性結(jié)合不同G蛋白的分子機(jī)制，張巖課題組與長(zhǎng)期研究組胺受體的陳忠/胡薇薇課題組以及孫金鵬課題組分別解析了高分辨的H2R-Gs和H3R-Gi信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)復(fù)合物結(jié)構(gòu)。H2R-Gs/H3R-Gi復(fù)合物不僅揭示了H1R/H2R配體選擇性的分子機(jī)制和H3R與單胺類受體均不一致的、特殊的配體結(jié)合口袋，其偶聯(lián)下游Gs或Gi蛋白時(shí)TM5/TM6展現(xiàn)了截然不同的結(jié)構(gòu)特征，為后續(xù)破譯受體G蛋白選擇性提供了重要線索。

圖1研究示意圖

許多GPCR能同時(shí)激活數(shù)條下游信號(hào)通路，其中主要偶聯(lián)的G蛋白信號(hào)通路因其卓越的結(jié)合效率和快速響應(yīng)的動(dòng)力學(xué)過程脫穎而出，成為其主要的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑。但由于GPCR與不同的G蛋白偶聯(lián)通常采用幾乎相同的構(gòu)象，且其與G蛋白互作界面上缺乏保守的基序，因此探究GPCR主要偶聯(lián)G蛋白選擇性的機(jī)制一直存在爭(zhēng)議。受組胺受體結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，研究者將已報(bào)道高分辨率結(jié)構(gòu)的13種主要偶聯(lián)Gs蛋白的GPCR和30種主要偶聯(lián)Gi/o蛋白的GPCR的TM5/TM6的結(jié)構(gòu)幾何學(xué)特征提煉出來，包括TM5的長(zhǎng)度、TM5胞內(nèi)端向TM6卷曲的角度、TM6的長(zhǎng)度和TM6激活后外擴(kuò)的角度等，發(fā)現(xiàn)TM5的長(zhǎng)度、TM5卷曲的角度和激活后TM6外擴(kuò)的角度與主要偶聯(lián)Gs和Gi/o的選擇性相關(guān)，而TM6的長(zhǎng)度與該選擇性缺乏顯著相關(guān)性。

為了對(duì)上述結(jié)論進(jìn)行更為系統(tǒng)深入的驗(yàn)證，張巖課題組引入了課題組內(nèi)部尚未發(fā)表的結(jié)構(gòu)，并結(jié)合GPCRdb中有關(guān)GPCR-G蛋白復(fù)合物預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)以豐富GPCR結(jié)構(gòu)組學(xué)，進(jìn)而評(píng)估G蛋白選擇性與受體TM5/TM6結(jié)構(gòu)特征的關(guān)系。然而，面對(duì)多維度及數(shù)量龐大的GPCR結(jié)構(gòu)組學(xué)，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)手段難以滿足研究需求，遭遇了巨大挑戰(zhàn)。為此張巖課題組與浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院章敏課題組攜手合作，利用集成學(xué)習(xí)、主成分分析、降維投影等機(jī)器學(xué)習(xí)方法，對(duì)受體TM5/TM6的結(jié)構(gòu)幾何學(xué)特征進(jìn)行了提取和統(tǒng)計(jì)分析。通過對(duì)這些特征的深入剖析，他們成功地對(duì)主要偶聯(lián)Gs和Gi/o的受體進(jìn)行了精確分類，并實(shí)現(xiàn)了高達(dá)91%的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率，充分證明上述三種特征在G蛋白選擇性中的核心作用，為相關(guān)領(lǐng)域的研究提供了新的思路和方法。根據(jù)機(jī)器學(xué)習(xí)產(chǎn)生的決策森林模型和降維后的決策邊界，研究者發(fā)現(xiàn)主要偶聯(lián)Gs蛋白的受體在TM5長(zhǎng)度、TM5卷曲角度以及TM6外擴(kuò)角度相對(duì)于主要偶聯(lián)Gi/o蛋白的受體具有顯著優(yōu)勢(shì)。

浙江大學(xué)/浙江中醫(yī)藥大學(xué)陳忠教授，浙江大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院張巖教授，山東大學(xué)/北京大學(xué)孫金鵬教授，浙江大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院胡薇薇教授和浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院章敏研究員為該論文共同通訊作者。浙江大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院/良渚實(shí)驗(yàn)室副研究員沈慶亞、浙江大學(xué)博士生唐新顏、山東大學(xué)博士生文鑫、浙江大學(xué)博士生程詩卓為本文共同第一作者。程詩卓為浙江大學(xué)“醫(yī)學(xué)+計(jì)算機(jī)”學(xué)科交叉培養(yǎng)項(xiàng)目博士生，完成了本研究涉及的機(jī)器學(xué)習(xí)相關(guān)工作。本研究得到科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家杰出青年科學(xué)基金以及浙江省“尖兵”“領(lǐng)雁”研發(fā)攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)等資助。