游離脂肪酸由以羧酸為末端的碳?xì)滏溄M成，是人類和動物的主要能量來源，在許多細(xì)胞功能中扮演著重要的信號分子角色。中鏈脂肪酸是一類碳鏈長度為8-12個碳的羧酸，包括癸酸（C10）、十一酸（C11）和月桂酸（C12）以及它們的2-羥基或3-羥基形式（如3-OH-C12）。中鏈脂肪酸在能量代謝和炎癥等方面發(fā)揮著重要作用。研究顯示，3-OH-C12的產(chǎn)生與脂肪酸的β-氧化過程密切相關(guān)。當(dāng)該過程發(fā)生紊亂時，血漿中3-OH-C12濃度可升高到微摩爾級別。此外，研究發(fā)現(xiàn)3-OH-C12能夠調(diào)節(jié)促炎癥細(xì)胞因子IL-6的釋放，表明其在炎癥過程中的重要性。

GPR84是A類G蛋白偶聯(lián)受體（GPCR）的一員，可被包括3-OH-C12在內(nèi)的多個中鏈脂肪酸激活，但由于激動效力（potency）較低，中鏈脂肪酸是不是GPR84的內(nèi)源性配體存在爭議。GPR84主要在免疫細(xì)胞中高表達(dá)，包括外周的單核細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、中性粒細(xì)胞及大腦中的小膠質(zhì)細(xì)胞，并被確認(rèn)為促炎癥受體，是多種炎癥性疾病的潛在治療目標(biāo)，包括潰瘍性結(jié)腸炎、纖維化疾病、非酒精性脂肪性肝炎和急性呼吸窘迫綜合癥等。目前，已有多個GPR84拮抗劑如GLPG1205、PBI-4050和PBI-45471，在炎癥和纖維化疾病的動物模型中顯示出一定的治療效果，并已進(jìn)入臨床研究階段。

中國科學(xué)院上海藥物研究所研究員謝欣團(tuán)隊和南發(fā)俊團(tuán)隊，在GPR84受體的拮抗劑和激動劑的發(fā)現(xiàn)以及藥物開發(fā)中開展了大量的研究。開發(fā)的一類全新骨架的GPR84選擇性拮抗劑（化合物33，現(xiàn)被命名為BGT-004），口服可有效緩解炎癥性腸病模型小鼠的腸炎癥狀，療效優(yōu)于臨床一線藥物美沙拉嗪。BGT-004目前已完成系統(tǒng)性臨床前研究，將于近期提交正式IND申請，這展現(xiàn)了GPR84在病理生理中的重要作用。該團(tuán)隊通過對國家化合物樣品庫的大規(guī)模篩選發(fā)現(xiàn)一個GPR84激動劑ZQ-16，隨后針對ZQ-16的結(jié)構(gòu)優(yōu)化獲得了迄今為止活性最強(qiáng)的GPR84激動劑LY-237。該超強(qiáng)激動劑為穩(wěn)定GPR84與G蛋白復(fù)合物構(gòu)象提供了一種可能。

6月6日，上海藥物所徐華強(qiáng)/尹萬超團(tuán)隊和謝欣團(tuán)隊在《自然-通訊》（Nature Communications）上，發(fā)表了題為Structural insights into ligand recognition and activation of the medium-chain fatty acid-sensing receptor GPR84的最新研究成果。該研究利用冷凍電鏡技術(shù)解析了GPR84與小分子激動劑LY237及Gα_i蛋白的復(fù)合物結(jié)構(gòu)，分辨率為3.23埃（圖a）。而在未添加外源激動劑的GPR84與Gα_i蛋白復(fù)合物的結(jié)構(gòu)中，研究人員意外發(fā)現(xiàn)正構(gòu)結(jié)合位點(diǎn)存在小分子的密度（圖b）。通過小分子密度特征分析和功能實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證（圖b-c），研究推測該小分子可能是3-OH-C12，并猜測其為GPR84的內(nèi)源性配體。為進(jìn)一步證實(shí)這一猜想，科研人員在添加外源3-OH-C12情況下解析了GPR84-Gα_i蛋白復(fù)合物結(jié)構(gòu)，分辨率達(dá)到2.89埃（圖d），初步確證了3-OH-C12為GPR84內(nèi)源性配體。

本研究清晰地展示了GPR84獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征，包括延長的TM5末端與下游Gα_i蛋白產(chǎn)生更廣泛的相互作用，胞外端獨(dú)特的ECL2與TM3及N端形成的二硫鍵組合導(dǎo)致配體結(jié)合口袋上方可被完全封閉等（圖e-f）。 GPR84跨膜區(qū)TM4/5之間的疏水氨基酸簇，形成一個阻斷墻，正好可以容納LY237及3-OH-C12的烷基尾，導(dǎo)致對烷烴鏈長度的精確選擇。而ECL2上R172的正電荷側(cè)鏈與LY237或3-OH-C12極性末端的相互作用對激動劑分子的錨定和穩(wěn)定頗為關(guān)鍵。為進(jìn)一步探究配體進(jìn)入GPR84結(jié)合口袋的路徑，研究應(yīng)用分子動力學(xué)模擬和突變功能實(shí)驗(yàn)，證明在激動劑配體的識別初期，GPR84通過胞外側(cè)的極性氨基酸（特別是R349和H352）的極性側(cè)鏈吸引帶負(fù)電的配體極性頭部，并通過受體胞外部分的構(gòu)象變化最終誘導(dǎo)激動劑配體進(jìn)入結(jié)合口袋。上述研究表明，ECL2不僅直接參與激動劑的結(jié)合，而且在配體從細(xì)胞外環(huán)境進(jìn)入受體正性結(jié)合口袋的過程中也起著關(guān)鍵作用。此外，針對GPR84激活機(jī)制的對比研究還發(fā)現(xiàn)了該受體獨(dú)特的“duel toggle switch”激活模式，即6.48保守位點(diǎn)取代殘基Y332與對應(yīng)3.36位N104的氫鍵互作，在響應(yīng)激動劑配體結(jié)合后的協(xié)調(diào)構(gòu)象變化可以促進(jìn)受體胞內(nèi)端DRY和NPxxY基序的構(gòu)象改變進(jìn)行Gα_i蛋白偶聯(lián)，這進(jìn)一步豐富了對A類GPCR激活機(jī)制的多樣性的理解。

本研究確證了3-OH-C12為GPR84內(nèi)源性配體，并促進(jìn)了科研人員對GPR84受配體識別和配體進(jìn)入機(jī)制以及受體激活和Gα_i蛋白偶聯(lián)機(jī)制的認(rèn)知，為GPR84生理功能研究及針對GPR84的藥物研發(fā)提供了重要參考。

研究工作得到上海市市級重大科技專項、國家自然科學(xué)基金、國家衛(wèi)健委重大科技專項、國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃、廣東省高水平新型研發(fā)機(jī)構(gòu)/廣東省高水平創(chuàng)新研究院等的支持。本研究中的冷凍電鏡數(shù)據(jù)由上海藥物所高峰電鏡中心收集。

論文鏈接

GPR84-Gα_i蛋白復(fù)合物的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)。a、LY237-GPR84-Gα_i復(fù)合物的冷凍電鏡密度圖及原子模型卡通示意圖；b、GPR84-Gα_i復(fù)合物在無外源配體添加狀態(tài)下的冷凍電鏡密度圖及原子模型卡通示意圖；c、不同長度碳鏈脂肪酸對GPR84的激活能力；d、3-OH-C12-GPR84-Gα_i復(fù)合物冷凍電鏡密度圖及原子模型卡通示意圖; e、GPR84受體胞外端獨(dú)特的二硫鍵組合示意圖；f、GPR84受體延長的TM5末端與下游Gα_i蛋白更廣泛的相互作用。