细胞主要通过其表面的膜受体感受外界信号。许多膜受体能够感受多种胞外信号,其中一些营养物质受体甚至能够同时感受多种不同的营养物质。钙离子敏感受体是一种典型的感受多种营养物质的G蛋白偶联受体,它能被阳离子、L型氨基酸及多胺等物质激活和调节。钙离子敏感受体通过控制甲状旁腺激素的分泌维持机体钙离子稳态,并参与骨骼代谢等多种生理过程。钙离子敏感受体的遗传突变和一些针对钙离子敏感受体的自身免疫抗体被发现与血钙紊乱相关的疾病有关。针对这些疾病,现今有多种靶向钙离子敏感受体的药物正处于研发过程中,其中已有三种用于治疗甲状旁腺功能亢进的正向变构调节剂药物获批上市。由于活细胞外环境复杂,研究单一营养因子激活或调节营养物质受体的分子基础仍具有挑战性。对钙离子敏感受体来说,虽然有众多针对该受体的功能研究已经发表,受体胞外区的晶体结构也已被解析,但钙离子敏感受体的激活机制仍不明晰。功能性的钙离子结合位点、氨基酸在受体激活过程中的真正作用及受体在激活过程中的构象变化等问题仍有待研究。本研究中首先基于时间分辨的荧光共振能量转移技术构建了钙离子敏感受体构象变化的生物感应器,并以此探究了钙离子敏感受体氨基酸结合区、半胱氨酸富集区与跨膜区的构象变化,发现活细胞中全长受体的构象变化与已发表的胞外区晶体结构呈现的构象变化之间存在重要差别。其次,该钙离子敏感受体构象变化感应器不依赖细胞因而可在提取的细胞膜中进行,这种兼容非细胞环境的特性使检测环境得以被更好地控制,故可通过透析去除结合在受体上的来自环境的营养物质,清楚研究单一物质对受体活性的调控作用。研究结果证明,钙离子即使在不含氨基酸的情况下就足以稳定受体的激活构象,而绝大部分L型氨基酸可在受体表达或细胞培养过程中就结合到受体上,虽然无法直接激活受体,但可作为正向变构剂起调节作用。这些发现也阐释了血钙紊乱疾病患者体内相关遗传突变的分子机制。另外,本研究鉴定了两个氨基酸结合位点附近的、对受体激活十分重要的钙离子的结合位点,并基于这些位点提出了钙离子和氨基酸在胞外结合区中协同作用的模型,两者之间相互作用促使受体更好地感受钙离子浓度的变化。最后,本研究发现了氯离子也可与氨基酸结合口袋相结合,并作为正向变构调节剂参与到受体激活过程中。综上所述,本研究展示了钙离子敏感受体不同结构域在激活过程中的构象变化,揭示了氨基酸和氯离子的正向变构调节作用,鉴定了功能性的钙离子结合位点。这些发现阐明了钙离子敏感受体整合不同类型的营养物质信号来维持机体稳态的机制,丰富了对钙离子敏感受体激活的分子机制的认识,为开发能够同时触达受体不同功能域的新型双位配体奠定基础。本研究也将拓展对其它感受营养因子的G蛋白偶联受体如同族的鲜味受体和甜味受体的认识,为在可控环境中研究不同营养物质在受体激活中的功能提供研究策略和基于构象变化的研究方法。