GABAB（γ-氨基丁酸B型受体）是一种抑制性神经递质受体，属于C家族G蛋白偶联受体（GPCR），由两个亚基组成：GABAB1和GABAB2。激活的GABAB受体使G蛋白异源三聚体解离为Gαi/o亚基和Gβγ二聚体。Gαi/o亚基降低腺苷酸环化酶活性，而Gβγ激活G蛋白偶联的内向整流钾通道（G protein-coupled inwardly-rectifying potassium channel，GIRK），使细胞内的钾离子外流，导致细胞膜的超极化，进而降低动作电位的频率，减少神经递质的释放。
为了避免受体在激动剂的持续刺激下处于过度激活状态，许多GPCR通过β-arrestin介导的脱敏反应终止G蛋白信号。β-arrestin结合处于激活状态并被磷酸化的GPCR，阻止G蛋白的进一步结合，同时介导GPCR的内吞。在体内，GABAB受体激活的GIRK通道电流在数秒后快速被关闭，而β-arrestin介导的脱敏反应所需时间比较长，通常在数分钟后，因此不能够解释GIRK通道的快速失活。来自德国Dr. Berhard Bettler实验室通过亲和纯化以及定量质谱方法发现KCTD家族（属于钾离子通道蛋白四聚体家族成员）可以与GABAB受体结合【1】，在受体激活后，KCTD将Gβγ从GIRK通道竞争下来，导致离子通道的快速关闭，但是KCTD识别GABAB受体以及其快速清除结合在GIRK通道上Gβγ的分子机制仍然不清楚。
2019年2月27日，哈佛医学院Andrew Kruse课题组郑三多博士等在Nature上在线发表题为Structural basis for KCTD-mediated rapid desensitization of GABAB signaling的研究论文。该研究结合X射线晶体学、电子显微镜、生化以及电生理等方法阐明KCTD识别GABAB受体以及Gβγ的分子机制，首次揭示除β-arrestin以外的GPCR信号脱敏机制, 为探索GABAB受体下游药物作用靶点提供新的思路，同时为研究其它GPCR信号快速脱敏机制提供重要指导。
KCTD蛋白主要含有N端的BTB结构域和C端H1结构域。通过体外pull-down方法发现GABAB2亚基的胞内C末端约30多个残基可以与BTB结构域结合，随后解析KCTD BTB结构域与GABAB2 C末端的晶体结构，结构显示BTB结构域形成环状非对称的同源五聚体结构，包围GABAB2亚基的C末端（图1b），
图1： a，KCTD与GABAB2的结构域组成；b，KCTD16 BTB结构域与GABAB2的C末端（876-913）的晶体结构。
随后体外pull-down实验发现KCTD12可以同时结合GABAB2以及Gβγ二聚体，但是不能结合Gαβγ三聚体（图2a）。负染电子显微镜实验发现KCTD的H1结构域形成对称的同源五聚体结构，结合五个拷贝的Gβγ（图2b）。为了深入了解它们相互作用的机制，解析KCTD12 H1结构域与Gβγ的晶体结构（图2c）。与电镜结果一致，KCTD-Gβγ复合物形成五次对称的同源五聚体结构，其中H1结构域形成类似β-propeller的结构，被五个拷贝的Gβγ紧密包围。每个H1亚基同时结合两个拷贝的Gβγ，参与相互作用的关键残基的突变导致KCTD失去抑制GIRK离子通道的能力。
图2，a, GST pull-down实验；b，KCTD-Gβγ复合物的凝胶过滤层析实验以及相应的电镜负染2D；c, KCTD12 H1结构域与Gβγ的晶体结构。
有趣的是与H1结构域结合的五个拷贝的Gβγ之间有相互作用（图2c），表明它们之间的结合具有协同性，而2013年诺贝奖获得者Roderick MacKinnon解析的GIRK-Gβγ晶体结构显示四个拷贝的Gβγ与GIRK同源四聚体结合【2】（图3），Gβγ之间是相互独立，没有直接相互作用。此外KCTD-Gβγ相互作用的亲和力要大于GIRK-Gβγ，这些为KCTD快速清除结合GIRK通道上的Gβγ提供重要的结构基础。
图3，GIRK与Gβγ的晶体结构2
该研究系统解释KCTD如何在时间和空间上精确调控GABAB信号转导（图4）：a，当GABAB受体被激活，Gβγ与Gα分离。由于本身的脂肪酸修饰，Gβγ仍然锚定在细胞膜上，所以可以快速与定位在细胞膜上的GIRK结合，激活GIRK；b，结合在GABAB2亚基C末端的KCTD在空间上与GIRK-Gβγ非常接近，KCTD与Gβγ结合的高亲和性以及协同性使它能够快速地清除结合在GIRK通道上的四个拷贝Gβγ，从而导致GIRK失活，随后结合GDP的Gα可以与Gβγ重新结合，进行新一轮的信号转导。
图4，KCTD介导GABAB受体脱敏的分子机制。
据悉，据悉本论文第一作者是哈佛医学院博士后郑三多，通讯作者是哈佛医学院的Andrew Kruse教授。
郑三多博士，2013年在北京生命科学研究所叶克穷实验室获得博士学位，2015年加入哈佛医学院Andrew Kruse实验室进行博士后研究，2019年6月即将担任北京生命科学研究所研究员，博士生导师。主要研究方向是神经系统中膜受体信号转导以及跨膜转运蛋白转运的分子机制，其研究成果主要发表在Nature (Zheng et al., 2019； Schmidt# and Zheng# et al., 2016)、Cell（Huang# and Zheng# et al., 2018）、PNAS（Zheng et al., 2018）和Genes & Development（Zheng et al., 2014）等学术期刊上。目前郑三多实验室正在筹建中，欢迎对他的研究领域感兴趣的博士后和研究生与他本人联系（邮箱：sanduo_zheng@hms.harvard.edu）
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-019-0990-0
参考文献
1. Schwenk, J. et al. Native GABA(B) receptors are heteromultimers with a family of auxiliary subunits. Nature 465, 231-235, doi:10.1038/nature08964 (2010).
2. Whorton, M. R. & MacKinnon, R. X-ray structure of the mammalian GIRK2-betagamma G-protein complex. Nature 498, 190-197, doi:10.1038/nature12241 (2013).
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