8月2日，中國科學(xué)院上海藥物研究所研究員徐華強(qiáng)、段佳和楊德華，在《自然》（Nature）上，發(fā)表了題為GPCR activation and GRK2 assembly by a biased intracellular agonist的最新研究成果，在國際上報(bào)道了第一個高分辨率GPCR——神經(jīng)降壓素受體（neurotensin receptor 1，NTSR1）與GRK2的復(fù)合物結(jié)構(gòu)，揭示了GRK2識別和調(diào)控GPCR的詳細(xì)分子機(jī)制，并通過結(jié)構(gòu)解析首次發(fā)現(xiàn)了一個全新的GPCR偏向性配體結(jié)合口袋，為臨床開發(fā)靶向GPCR的偏向性藥物分子開辟了全新的思路和途徑。 ??

G蛋白偶聯(lián)受體（G Protein-Coupled Receptors，GPCRs）是一類廣泛存在于人體細(xì)胞膜上的膜受體，是細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的重要調(diào)節(jié)分子。GPCRs參與調(diào)控人體幾乎所有的生命活動過程，從化學(xué)感知（包括視覺、嗅覺、味覺），到內(nèi)分泌分子相關(guān)的調(diào)節(jié)（包括神經(jīng)傳遞、免疫調(diào)節(jié)、代謝調(diào)節(jié)等）。人體基因組能編碼超過800個GPCRs。目前，F(xiàn)DA批準(zhǔn)上市的臨床藥物中，約三分之一的藥物作用于GPCRs發(fā)揮治療作用。GPCRs被認(rèn)為是新藥研發(fā)領(lǐng)域中最重要也是最有應(yīng)用前景的藥物靶點(diǎn)之一。

GPCRs在被配體激活后，主要通過下游的G蛋白或arrestin通路行使特定的生理功能。然而，GPCRs在招募arrestin蛋白之前，必須被GPCR激酶（GPCR Kinases，GRKs）識別和調(diào)控。GRKs能夠磷酸化GPCRs，促進(jìn)其招募arrestin蛋白，抑制其招募G蛋白。GRKs被認(rèn)為是調(diào)控GPCR兩條信號通路轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵分子。因此，在整個GPCR信號轉(zhuǎn)導(dǎo)領(lǐng)域存在三個最為關(guān)鍵的科學(xué)問題，分別是GPCRs如何識別和招募下游G蛋白、GPCRs如何識別和招募下游arrestin蛋白、GPCRs如何被GRKs識別和調(diào)控。?

2011年，美國斯坦福大學(xué)Brian K. Kobilka實(shí)驗(yàn)室解析了第一個GPCR——β腎上腺素能受體與Gs蛋白的復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)，揭示了GPCR與G蛋白識別的分子基礎(chǔ)。2015年，徐華強(qiáng)課題組利用自由電子激光首次解析了人視紫紅質(zhì)蛋白rhodopsin與arrestin1的復(fù)合物結(jié)構(gòu)，揭示了GPCR與arrestin蛋白識別的分子基礎(chǔ)，并進(jìn)一步解析了GPCRs招募arrestin蛋白的磷酸化密碼。然而，由于GPCRs與GRKs的結(jié)合短暫且高度動態(tài)，試圖獲得穩(wěn)定的GPCR-GRK復(fù)合物頗為困難，使得有關(guān)GPCRs與GRKs的結(jié)構(gòu)與功能研究進(jìn)展緩慢。

十年前，徐華強(qiáng)課題組展開了GPCR與GRK復(fù)合物的結(jié)構(gòu)研究工作，而鑒于GPCR與GRK之間的微弱相互作用，阻礙了進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)研究，因而亟待建立新的技術(shù)手段或方法來克服復(fù)合物不穩(wěn)定的難題。2017年，徐華強(qiáng)課題組和美國斯坦福大學(xué)Brian K. Kobilka實(shí)驗(yàn)室，均通過借助大量的生化實(shí)驗(yàn)、分子模擬、細(xì)胞試驗(yàn)等提出了GPCR識別GRK的分子模型。2021年，美國普渡大學(xué)John J. G. Tesmer實(shí)驗(yàn)室在《自然》上報(bào)道了第一個GPCR——視紫紅質(zhì)蛋白rhodopsin與GRK1的復(fù)合物冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，首次揭示了視覺GPCR識別GRK1的模式。然而，由于復(fù)合物整體密度較差，GRK1只有催化結(jié)構(gòu)域能被確定，且受體與GRK1相互作用界面的分子基礎(chǔ)仍不清晰。

GPCRs是一類重要的藥物靶標(biāo)。越來越多的研究發(fā)現(xiàn)，GPCR的兩條信號通路，即G蛋白和arrestin通路，與靶向GPCRs的藥物分子的療效和副作用相關(guān)。相比于傳統(tǒng)的GPCR激動劑或抑制劑能夠同時激活或抑制GPCR的兩條信號通路，選擇性激活（即偏向性激動劑）GPCR其中一條通路的藥物分子往往具有更好的療效和更低的副作用，因此開發(fā)偏向性藥物分子是靶向GPCR藥物研發(fā)的重要趨勢。然而，目前多數(shù)偏向性激動劑均是通過偶然篩選發(fā)現(xiàn)的，且作用機(jī)制不明確。GRKs是調(diào)控GPCR兩條信號通路轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵分子，GRKs被認(rèn)為是靶向GPCR偏向性藥物分子發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵一環(huán)。研究GRKs識別和調(diào)控GPCRs的分子機(jī)制，揭示偏向性激動劑介導(dǎo)GPCR的偏向性信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制，對于靶向GPCR的偏向性藥物發(fā)現(xiàn)具有重要的科學(xué)意義。

GPCRs與GRKs的微弱相互作用是阻礙GPCR-GRK復(fù)合物結(jié)構(gòu)研究的最大難點(diǎn)。因此，本研究中，段佳主要通過選擇合適的研究對象、引入NTSR1偏向性激動劑SBI-553、引入NanoBiT交聯(lián)技術(shù)、采用化學(xué)交聯(lián)技術(shù)四種策略，獲得了穩(wěn)定的GPCR-GRK復(fù)合物，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)解析。? ?

本研究是在徐華強(qiáng)課題組十年研究的基礎(chǔ)上，首次成功解析高分辨率的GPCR-GRK復(fù)合物結(jié)構(gòu)，揭示了GPCR信號轉(zhuǎn)導(dǎo)領(lǐng)域現(xiàn)存的最關(guān)鍵的科學(xué)問題之一，即GPCRs如何受GRKs識別和調(diào)控，這是細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的重要成果。徐華強(qiáng)課題組7月31日在《自然》上報(bào)道了B類GPCRs的新型G蛋白偏向性小分子激動劑，揭示了G蛋白偏向性配體的作用機(jī)制，結(jié)合本項(xiàng)研究，首次全面系統(tǒng)地揭示了兩種不同類型的偏向性激動劑介導(dǎo)受體偏向性信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的詳細(xì)分子機(jī)制，提高了科學(xué)家對GPCRs偏向性信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的認(rèn)知，為今后開發(fā)靶向GPCRs的偏向性藥物分子夯實(shí)了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、上海市市級科技重大專項(xiàng)、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)和國家自然科學(xué)基金等的支持。上海市高峰電鏡中心對數(shù)據(jù)的收集和處理提供了幫助。

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GPCRs信號轉(zhuǎn)導(dǎo)領(lǐng)域最關(guān)鍵的三個科學(xué)問題