G-蛋白偶聯(lián)受體（G protein-coupled receptor，GPCR）是細(xì)胞表面受體家族中最大的一類，調(diào)控著人體各種生命活動(dòng)且與疾病密切相關(guān)，有超過30%的藥物作用于GPCR。而B類GPCRs是一類重要的多肽激素受體，包括胰高血糖素受體（GCGR）、胰高血糖素樣肽-1受體（GLP-1R）、葡萄糖依賴性胰島素釋放多肽受體（GIPR）和甲狀旁腺激素受體1（PTH1R）等在內(nèi)的共15個(gè)激素受體。它們主要通過調(diào)節(jié)多肽類激素的信號傳導(dǎo)來調(diào)控多種生理功能，包括血糖調(diào)節(jié)、骨代謝、胃腸道功能、神經(jīng)調(diào)節(jié)和生長調(diào)節(jié)等，并涉及許多疾病的發(fā)病機(jī)制，如糖尿病、骨質(zhì)疏松癥和癌癥等，因此，B類GPCRs成為治療肥胖、糖尿病和骨質(zhì)疏松癥、抑郁、心血管疾病、癌癥等多種疾病的重要藥物靶點(diǎn)。然而，由于B類GPCRs的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和信號傳遞機(jī)制，針對這些受體的藥物開發(fā)尤其是小分子激動(dòng)劑藥物一直面臨挑戰(zhàn)。雖然一些針對B類GPCRs的多肽藥物已上市，包括用于治療2型糖尿病藥物GLP-1類似物以及骨質(zhì)疏松癥藥物PTH和PTHrP類似物等，但這類多肽類藥物需要皮下注射，使用不便、費(fèi)用昂貴，且伴有頭痛、惡心等副作用。

與注射肽類藥物不同，小分子藥物可以開發(fā)成片劑，具有更好的藥物特性，因此小分子激動(dòng)劑藥物研發(fā)在近年來備受關(guān)注。然而，針對B類GPCRs的小分子激動(dòng)劑藥物臨床應(yīng)用卻一直沒有突破。在這種背景下，中國科學(xué)院上海藥物研究所徐華強(qiáng)/趙麗華研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)地開展B類GPCRs的結(jié)構(gòu)解析和分子機(jī)制研究，過去十多年在B類GPCRs激動(dòng)劑作用機(jī)制研究領(lǐng)域取得了一系列突破性進(jìn)展。

7月31日，該團(tuán)隊(duì)在B類GPCRs小分子激動(dòng)劑激活作用機(jī)制方面取得突破性進(jìn)展。相關(guān)研究成果以Conserved class B GPCR activation by a biased intracellular agonist為題，以“快速通道”方式，發(fā)表在《自然》（Nature）上。該研究發(fā)現(xiàn)了B類GPCRs的新型小分子激動(dòng)劑結(jié)合口袋。由于該結(jié)合口袋在B類GPCRs中具有較高的保守性，且能夠激活多種受體，為研發(fā)針對該口袋的小分子激動(dòng)劑提供了新的可能性。因此，該藥物口袋的發(fā)現(xiàn)為治療糖尿病、肥胖、骨質(zhì)疏松和其他涉及B類GPCRs的疾病的藥物研發(fā)提供了新的方向和途徑，為開發(fā)更具選擇性和有效性的藥物打開了新的視野。這種藥物口袋的發(fā)現(xiàn)可為未來的新藥研發(fā)奠定重要的基礎(chǔ)、提供潛在的機(jī)會(huì)（圖1）。

該團(tuán)隊(duì)利用冷凍電鏡技術(shù)，獲得了B類GPCRs中最重要的成員之一PTH1R與小分子激動(dòng)劑PCO371的高分辨率結(jié)構(gòu)，通過結(jié)構(gòu)分析和功能實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)B類GPCRs存在類似PCO371結(jié)合的保守的小分子結(jié)合口袋，揭示了PCO371的新型的結(jié)合模式，并發(fā)現(xiàn)了PCO37具有G蛋白信號通路偏向性激活作用，為B類GPCR的小分子藥物設(shè)計(jì)和開發(fā)提供了新的見解和新的途徑。針對這個(gè)保守的口袋進(jìn)行藥物研發(fā)，有可能開發(fā)出比當(dāng)前治療方法更具選擇性且副作用更少的藥物。該研究發(fā)現(xiàn)的新型小分子激動(dòng)劑結(jié)合口袋，揭示了B類GPCRs激活的獨(dú)特機(jī)制，為創(chuàng)新療法鋪平了道路。該工作展示了對B類GPCRs的開創(chuàng)性研究及其作為藥物靶點(diǎn)的潛力。

具體地說，PCO371結(jié)合在PTH1R與Gs蛋白的胞內(nèi)界面上，與以前報(bào)道的所有GPCR中配體的結(jié)合位點(diǎn)完全不同。PCO371作為偏向激動(dòng)劑，優(yōu)先通過G蛋白觸發(fā)信號傳遞，而非通過阻遏蛋白arrestin。這種偏向性激動(dòng)劑有助于減少阻遏蛋白arrestin信號通路引起的副作用，提高藥物的安全性和有效性（圖2）。

此外，該團(tuán)隊(duì)通過結(jié)構(gòu)分析和受體氨基酸序列比對發(fā)現(xiàn)，構(gòu)成PCO371結(jié)合口袋的氨基酸殘基在B類GPCRs中具有較高的保守性，使得PCO371能夠激活B類GPCR中的8種受體，并通過1個(gè)或2個(gè)點(diǎn)突變就可以使其他受體對PCO371產(chǎn)生反應(yīng)（圖3）。這揭示了B類GPCRs小分子激動(dòng)劑的獨(dú)特結(jié)合位點(diǎn)；這個(gè)保守的結(jié)合口袋為開發(fā)新的治療糖尿病、肥胖、骨質(zhì)疏松和其他涉及B類GPCRs的疾病的口服藥物提供了機(jī)會(huì)，為針對2型糖尿病、肥胖癥和骨質(zhì)疏松癥等疾病的不同類型B類GPCR小分子激動(dòng)劑藥物的設(shè)計(jì)和開發(fā)提供了新的思路和方法。

本研究冷凍電鏡數(shù)據(jù)在上海藥物所高峰電鏡中心收集。研究工作得到國家自然科學(xué)基金委員會(huì)、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（B類）和原創(chuàng)新藥研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等的支持。

論文鏈接

圖1.?右下角的小分子、受體和G蛋白復(fù)合物的三維結(jié)構(gòu)是本研究中報(bào)道的PCO371-PTH1R-Gs復(fù)合物結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)的是新型小分子結(jié)合口袋；氣球代表B類GPCRs家族的15個(gè)成員，本研究發(fā)現(xiàn)的新型小分子結(jié)合口袋的主要氨基酸序列在這15個(gè)受體中非常保守，宇航員帶著這15個(gè)氣球遨游在廣闊的太空，并開啟了對這個(gè)新型口袋的小分子藥物研究新時(shí)代，未來針對這15個(gè)受體靶標(biāo)的小分子藥物研發(fā)將是科學(xué)家們探索的新領(lǐng)域，并且這個(gè)領(lǐng)域的未來發(fā)展將會(huì)是星辰大海。本研究揭示了B類GPCRs 15個(gè)受體中一個(gè)保守且可供藥物作用的口袋，這可能帶來用于治療各種疾病的口服小分子藥物的開發(fā)。

圖2. PCO371偏向激活G蛋白信號通路，但不激活阻遏蛋白arrestin信號通路；PCO371-PTH1R-Gs復(fù)合物冷凍電鏡高分辨結(jié)構(gòu)以及呈現(xiàn)的新型配體結(jié)合口袋。

圖3. 在B類GPCRs中普遍存在保守的類似PCO371的結(jié)合口袋。

來源：中科院