上海科学家最新成果：发现阻遏蛋白全新作用模式 将推动偏向性药物研发

图说：胰高血糖素受体结构示意图 来源/中国科学院上海药物所

新民晚报讯（记者 郜阳）记者今天从中国科学院上海药物研究所获悉，该所吴蓓丽课题组与赵强课题组在G蛋白偶联受体的信号转导机制研究中取得突破性进展，在国际上首次揭示阻遏蛋白的全新“tail”结合模式，并第一次阐明B类GPCR与阻遏蛋白的精细作用机制，在原子水平揭示受体内化及囊泡内信号转导的分子基础，极大地促进了对于B类受体信号转导机制的深入理解。

相关研究成果于北京时间8月9日在国际顶尖学术期刊《自然》（Nature）在线发表。

G蛋白偶联受体（GPCR）在细胞信号转导过程中发挥关键作用，是最大的药物靶标蛋白质家族。GPCR被细胞外的信号分子激活后，与细胞内的效应蛋白（G蛋白、阻遏蛋白等）结合，激活多种下游信号通路，从而介导并调控人体各种生命活动。G蛋白和阻遏蛋白在GPCR的信号转导和功能调控中发挥不同作用，其中，阻遏蛋白介导受体的脱敏和内化。

近年来，随着结构和功能研究的不断深入，GPCR与G蛋白的作用机制逐渐明朗，但由于研究难度大，阻遏蛋白相关研究进展缓慢，仅有数个A类GPCR与阻遏蛋白的复合物结构被解析，严重制约了对于阻遏蛋白作用模式及相关生理、病理机制的深入理解。

以往的研究发现，GPCR可能通过两种方式与阻遏蛋白结合：一种为受体的跨膜结构域的核心区域以及受体的C端共同与阻遏蛋白结合，被称为“core”构象；另外一种则由受体的C端区域单独与阻遏蛋白作用，被称为“tail”构象。这两种构象被认为参与介导受体信号转导和分子运输的不同过程，对受体的功能发挥不同调控作用。然而，之前发表的所有GPCR与阻遏蛋白的复合物结构均为“core”构象，“tail”构象的具体作用机制不明。

据介绍，B类GPCR 是一类重要的多肽激素受体，包括胰高血糖素受体（GCGR）等在内的共15个激素受体。它们主要通过调节多肽类激素的信号转导来调控多种生理功能，包括血糖调节、骨代谢、胃肠道功能、神经调节和生长调节等，并涉及许多疾病的发病机制，如糖尿病、骨质疏松症和癌症等，因此，B类GPCR成为治疗肥胖、糖尿病和骨质疏松症、抑郁、心血管疾病、癌症等多种疾病的重要药物靶点。近年来，针对B类受体的偏向性药物开发受到广泛关注，这类药物靶向特定信号通路——例如，只激活G蛋白信号通路或只促进受体招募阻遏蛋白，因此具有较好的疗效、较低的副作用。

然而，目前B类GPCR与阻遏蛋白的结合模式以及配体的偏向性调控机制不清楚，对偏向性药物设计及其药理机制的探明造成巨大困难。

吴蓓丽课题组与赵强课题组长期致力于B类GPCR信号转导机制研究，成功解析胰高血糖素受体（GCGR）处于多种功能状态的三维结构，并开展深入的功能研究，为全面认识B类受体的配体识别、功能调控和信号转导机制提供重要信息。

在此基础上，该联合研究团队进一步成功解析GCGR与阻遏蛋白βarr1及内源性激动剂胰高血糖素的复合物冷冻电镜结构。该结构显示，βarr1主要与位于受体C端区域的第八个螺旋形成紧密的相互作用，而与受体跨膜结构域的核心区完全没有接触，这是首次解析具有“tail”构象的GPCR-阻遏蛋白复合物结构。

此外，一个磷酸肌醇类似物分子通过与受体的第八个螺旋和βarr1共同作用，充当“支架”进一步加强GCGR与βarr1的结合，提示磷酸肌醇可能在阻遏蛋白介导的GPCR信号转导中发挥作用。该研究的另外一项重要发现是，与βarr1结合的GCGR处于非激活状态，而在以往发表的所有GPCR-阻遏蛋白结构中受体均处于激活状态。

研究人员还解析了无配体结合的GCGR-βarr1复合物结构，与结合胰高血糖素的结构相比，受体与βarr1的结合模式完全一致，且受体同样处于非激活态。这进一步说明βarr1以“tail”构象与GCGR结合时，不需要受体处于激活状态。

为了进一步探索“tail”构象在阻遏蛋白介导GCGR功能调控中发挥的作用，研究团队利用生物发光共振能量转移等研究手段，针对GCGR胞内侧区域的数十个氨基酸突变，研究它们对受体上膜、内化和囊泡内信号转导等过程的影响。实验结果表明，位于GCGR的第八个螺旋的氨基酸突变对于这些生理过程均产生较大的影响，而受体跨膜结构域核心区的氨基酸突变则影响不大。这些数据明确了阻遏蛋白的“tail”构象在受体信号转导和分子运输中的重要作用，对于深入研究GPCR的信号转导和功能调控机制意义重大。未来，可通过设计特异性识别不同构象状态的偏向性药物，实现对不同效应蛋白及信号通路的选择性调控，从而有效降低药物副作用，推动药物研发。