生命与健康科学学院杜洋教授团队在《Cell Research》首次揭示人体加压素受体V2R激活机制
近日，香港中文大学（深圳）生命与健康科学学院、科比尔卡创新药物开发研究院杜洋教授研究组与美国匹兹堡大学张诚教授研究组合作在《Cell Research》发表了短文文章Cryo-EM structure of the AVP-vasopressin receptor 2-Gs signaling complex，首次报道了AVP激活的V2R与下游Gs蛋白复合物的冷冻电镜结构，分辨率为2.8 Å。
《Cell Research》是《Nature》旗下中国本土创办的生物医学领域旗舰期刊，也是影响因子最高（20.507）的国产科技期刊。香港中文大学（深圳）生命与健康科学学院为第一单位，生命与健康科学学院科比尔卡创新药物开发研究院访问学生王雷和徐俊为该论文的共同第一作者，杜洋教授和张诚教授为共同通讯作者。
本研究的冷冻电镜数据在香港中文大学（深圳）生命与健康科学学院科比尔卡冷冻电镜中心收集。同时，得到了科比尔卡冷冻电镜平台柳正教授的支持与帮助。
加压素（vasopressin，AVP）也称为精氨酸抗利尿激素，是一种在下丘脑中合成释放到血液中以维持体液稳态和血压的环状九肽。AVP被一类包括V1aR，V1bR和V2R的G蛋白偶联受体（GPCR）识别1。尽管它们具有高度的序列相似性，但是这些受体具有特定的组织分布和功能。V1aR主要存在血管平滑肌中介导血管收缩，V1bR主要存在垂体中以抵抗焦虑压力，V1aR和V1bR均与G蛋白Gq/G11偶联。有趣的是V2R主要存在于肾脏远端弯曲小管和集合管中通过与G蛋白Gs偶联调控体液稳态。V2R功能障碍可导致许多疾病，包括功能丧失型的肾源性尿崩症（NDI）和功能获得型的抗利尿激素不适当综合征（NSIAD）2。在V2R功能障碍的肾病患者中，已经报道了超过200种不同的V2R基因突变， 但是涉及疾病的V2R基因突变的分子机制仍然不清楚。由于V2R基因位于X染色体，因此相关疾病也常伴随性染色体隐性遗传3。作为加压素受体家族的代表成员，V2R是治疗肾功能障碍的热门药物靶点。尽管众多研究机构已经在相关药物开发方面做出了巨大努力，但是成就仍然有限。目前已上市的去氨加压素（desmopressin，DDAVP）作为肽类V2R激动剂药物可以治疗原发性夜间遗尿症，托伐普坦（Tolvaptan）是小分子V2R拮抗剂药物用于治疗NSIAD和低钠血症，但是他们都具有较严重的副作用。对V2R进行结构药理学研究并揭示其配体作用机制，对理解配体结合特性、受体激活机理以及设计更高效安全的靶向加压素受体治疗肾功能障碍药物具有重要科学意义和临床应用价值。
在复合物结构中，V2R表现为经典的七次跨膜螺旋结构；AVP由二硫键形成独特环状九肽结构，其环状部分完全掩埋在V2R的带正电荷的配体结合口袋中，而末尾线性部分延伸到受体胞外区域；Gs蛋白偶联在受体胞内区域。由于尚无V2R的非活性结构，文章通过与同源性最高的催产素受体（Oxytocin receptor）4的非活性结构进行比对，推测了V2R的激活机制。AVP通过受体7TMs核心区域的构象变化激活V2R，该核心区域由TM6中间的非保守残基Y6.44和TM7中不寻常的芳香簇扭转区域组成。与其他GPCR-G蛋白复合物类似，Gαs的α5螺旋插入到V2R的细胞质空腔中使得V2R的TM6向外运动。此外，结构中V2R与Gs蛋白的偶合模式与其他已经报道的Gs偶联的A类GPCR复合物结构的偶合模式明显不同，包括受体的TM5和TM6变构幅度以及Gs的α5螺旋的插入方向，表明Gs与A类GPCR偶联存在多样性。文章还通过结构细节阐释了一些基因突变引起相关疾病的分子机制，包括引起NDI疾病的F287L，M123R/K和引起NSIAD疾病的R137L突变。综上所述，研究团队通过高分辨结构详细分析了AVP的识别和V2R的激活机制，为针对V2R的药物设计提供了重要结构和理论基础。
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参考文献：
1. Holmes, C. L., Landry, D. W. & Granton, J. T. Science review: Vasopressin and the cardiovascular system part 1--receptor physiology. Crit Care 7, 427-434, doi:10.1186/cc2337 (2003).
2. Juul, K. V., Bichet, D. G., Nielsen, S. & Norgaard, J. P. The physiological and pathophysiological functions of renal and extrarenal vasopressin V2 receptors. Am J Physiol Renal Physiol 306, F931-940, doi:10.1152/ajprenal.00604.2013 (2014).
3. van den Ouweland, A. M. et al. Colocalization of the gene for nephrogenic diabetes insipidus (DIR) and the vasopressin type 2 receptor gene (AVPR2) in the Xq28 region. Genomics 13, 1350-1352, doi:10.1016/0888-7543(92)90067-3 (1992).
4. Waltenspuhl, Y., Schoppe, J., Ehrenmann, J., Kummer, L. & Pluckthun, A. Crystal structure of the human oxytocin receptor. Sci Adv 6, eabb5419, doi:10.1126/sciadv.abb5419 (2020).
个人简介
杜洋教授现任香港中文大学（深圳）生命与健康科学学院助理教授、博士生导师，科比尔卡创新药物开发研究院责任研究员。2011年于中国科学技术大学取得博士学位，之后赴美国斯坦福大学医学院分子与细胞生理学系，师从2012年诺贝尔化学奖得主布莱恩·科比尔卡（Brian Kobilka）教授，从事G蛋白偶联受体（GPCR）相关的博士后训练和研究科学家聘用工作。期间获授美国心脏协会（American Heart Association）全额博士后奖学金和斯坦福心血管研究所资助等。杜教授的主要研究方向是以β2肾上腺素受体（beta-2 adrenergic receptor）等重要药物靶点的G蛋白偶联受体（GPCR）为对象，研究其与下游信号分子复合物的结构、功能和分子药理特性。
杜教授迄今已发表约50篇高质量SCI论文（13篇第一或通讯作者论文，含共同），包括在《Cell》《Nature》《Nature Comm.》《Cell Research》《JACS》等国际顶级期刊等报道的一系列突出的科研成果，并受邀为《Science》《Nature Comm.》等多种国际顶尖科学杂志审稿。杜教授于2021年起受聘为教育部特聘专家，已入选国家级、广东省和深圳市等各级高层次人才项目。
