Nature | 张瑾团队揭示GPCR激活下游ERK信号通路的机理

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G蛋白偶联受体（GPCR）是人体细胞表面最大、最多样的一类受体，承担着细胞之间最基本的信息交流任务，进而广泛地参与人体生理或病理状态下的调节作用。因此，GPCR已经成为了药物开发领域的“宠儿”，有超过40%的在售药物都以GPCR为靶点。细胞膜表面的GPCR和其激动剂相结合，引起下游特定信号通路的激活，从而调节细胞的各种生命活动，包括细胞的生长和繁殖。

2022年10月26日，加州大学圣地亚哥分校（UCSD）的药理学院的Jin Zhang（张瑾）教授研究组和Roger Sunahana教授研究组合作，在Nature杂志上发表题为 Non-canonical β-adrenergic activation of ERK at endosomes 的文章，揭示了细胞内GPCR激活下游ERK信号通路的机理。

ERK蛋白激酶是负责调节细胞生长的重要分子，尽管此前的研究提示GPCR可以激活ERK信号通路，但是其中的具体调控机理还未被研究清楚。作者利用该实验室擅长的荧光分子探针技术，用针对ERK激酶活性设计的荧光探针EKAR4【1】，在活细胞内系统地研究了肾上腺素（adrenaline）激活β₂肾上腺素能受体（β₂AR，一种GPCR）后在不同亚细胞区域的ERK激酶的活性。通过定位在细胞膜、细胞质以及胞内体（endosome）的EKAR4，作者发现肾上腺素可以激活细胞质和胞内体的ERK活性，但无法激活细胞膜上的ERK活性，说明通过GPCR激活的ERK信号通路是区室化的（compartmentalized）。值得注意的是，表皮生长因子EGF可以激活细胞膜上的ERK活性。这些结果再次强调了信号通路的区室化的重要性。

既然肾上腺素无法通过GPCR激活细胞膜的ERK活性，那么细胞膜上的GPCR信号又是如何激活胞内体的ERK活性的呢？作者假设这个过程是通过β-arrestin介导的有活性的GPCR内吞【2】，从而激活胞内体的ERK激酶的。作者首先发现通过小分子抑制剂或者敲低β-arrestin来抑制细胞内吞作用以及敲除GPCR下游的重要分子G_s蛋白均可以有效抑制胞内体的ERK激酶活性，说明细胞内吞和下游活化的G_s蛋白在胞内体的ERK激酶活化过程中起了关键作用。作者接下来猜想胞内体的ERK激酶可能特异性地通过定位在胞内体上的G_s蛋白激活。为了验证这个猜想，作者应用纳米抗体（nanobody）和小分子肽段特异性地激活或者抑制胞内体上的G_s蛋白活性【3, 4】，发现它们可以分别增强或抑制胞内体上ERK激酶的活性，进一步说明肾上腺素激活的β₂AR介导的胞内体上的ERK激酶活性需要胞内体上定位的G_s蛋白。

作者接下来对胞内体上的G_s蛋白如何激活ERK激酶进行了探索。首先作者发现抑制ERK经典通路，如包括RAF和MEK在内的关键蛋白的活性，可以抑制肾上腺素激活胞内体的ERK活性。通过邻位链接技术（proximity ligation assay ，PLA），作者发现肾上腺素可以诱导RAF1和MEK1与G_s蛋白的相互结合（association），此外，在用纳米抗体激活胞内体G_s蛋白的情况下，RAF1和MEK1与G_s蛋白之间的相互作用增加更为显著。这些结果提示了胞内体上的G_s蛋白可能是通过直接招募下游关键分子来激活ERK通路的。

文章的最后作者探索了肾上腺素激活的胞内体ERK信号通路的生物学意义。利用定位在细胞核的ERKR4，作者观察到了细胞核内同样存在依赖于细胞内吞的ERK活性。实时荧光定量PCR实验显示，肾上腺素通过β₂AR激活的ERK通路特异性地促进了部分ERK调控的基因表达。同时，作者的实验显示抑制胞内体的G_s蛋白活性可以抑制细胞的生长，揭示了GPCR调控的ERK信号通路的生物学功能。

图表 1. GPCR介导的ERK激酶活化发生在胞内体上

这项研究带来了许多创新的发现。首先它挑战了传统观点，即GPCR介导的ERK活化发生在细胞膜上。据作者介绍，此前已经有研究检测到细胞内部也存在活化的受体，这项研究证明了β₂AR介导的ERK的活化发生在胞内体上，在此过程中胞内体上已经被激活的受体起到了关键作用。此外，根据教科书上的模型，GPCR可以通过两种方式激活下游信号通路：G蛋白和β-arrestin，其中β-arrestin此前被认为是通过作为支架蛋白来调控ERK活化的。这项研究证明β-arrestin在此过程中发挥的作用是帮助已被激活的β₂AR通过内吞作用转运到胞内体，进而胞内体上活化的G蛋白招募下游分子激活ERK。这种非典型的β-arrestin和G蛋白协同地调控下游信号通路的模型值得在其他GPCR受体的研究里进一步探索。这种新的GPCR信号通路的调控模式将为未来制药提供新的靶点。

文章第一作者为博士后Yonghoon Kwon，张瑾教授为通讯作者。

制版人：十一

1. Keyes, J. et al. Signaling diversity enabled by Rap1-regulated plasma membrane ERK with distinct temporal dynamics. eLife 9, (2020).

2. Luttrell, L. M., Roudabush, F. L. & Choy, E. W. Activation and targeting of extracellular signal-regulated kinases by β-arrestin scaffolds. Proceedings of the (2001).

3. Rasmussen, S. G. F. et al. Structure of a nanobody-stabilized active state of the β(2) adrenoceptor. Nature 469, 175–180 (2011).

4. Zhou, X. et al. Location-specific inhibition of Akt reveals regulation of mTORC1 activity in the nucleus. Nat. Commun. 11, 6088 (2020).

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