上海药物所揭示B类GPCRs新型小分子药物靶点的偏向性激活机制

G-蛋白偶联受体（G protein-coupled receptor，GPCR）是细胞表面受体家族中最大的一类，调控着人体各种生命活动且与疾病密切相关，有超过30%的药物作用于GPCR。而B类GPCRs是一类重要的多肽激素受体，包括胰高血糖素受体（GCGR）、胰高血糖素样肽-1受体（GLP-1R）、葡萄糖依赖性胰岛素释放多肽受体（GIPR）和甲状旁腺激素受体1（PTH1R）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传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GPCRs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。然而，由于B类GPCRs的复杂结构和信号传递机制，针对这些受体的药物开发尤其是小分子激动剂药物一直面临挑战。虽然一些针对B类GPCRs的多肽药物已上市，包括用于治疗2型糖尿病药物GLP-1类似物以及骨质疏松症药物PTH和PTHrP类似物等，但这类多肽类药物需要皮下注射，使用不便、费用昂贵，且伴有头痛、恶心等副作用。

与注射肽类药物不同，小分子药物可以开发成片剂，具有更好的药物特性，因此小分子激动剂药物研发在近年来备受关注。然而，针对B类GPCRs的小分子激动剂药物临床应用却一直没有突破。在这种背景下，中国科学院上海药物研究所徐华强/赵丽华研究团队系统地开展B类GPCRs的结构解析和分子机制研究，过去十多年在B类GPCRs激动剂作用机制研究领域取得了一系列突破性进展。

7月31日，该团队在B类GPCRs小分子激动剂激活作用机制方面取得突破性进展。相关研究成果以Conserved class B GPCR activation by a biased intracellular agonist为题，以“快速通道”方式，发表在《自然》（Nature）上。该研究发现了B类GPCRs的新型小分子激动剂结合口袋。由于该结合口袋在B类GPCRs中具有较高的保守性，且能够激活多种受体，为研发针对该口袋的小分子激动剂提供了新的可能性。因此，该药物口袋的发现为治疗糖尿病、肥胖、骨质疏松和其他涉及B类GPCRs的疾病的药物研发提供了新的方向和途径，为开发更具选择性和有效性的药物打开了新的视野。这种药物口袋的发现可为未来的新药研发奠定重要的基础、提供潜在的机会（图1）。

该团队利用冷冻电镜技术，获得了B类GPCRs中最重要的成员之一PTH1R与小分子激动剂PCO371的高分辨率结构，通过结构分析和功能实验发现B类GPCRs存在类似PCO371结合的保守的小分子结合口袋，揭示了PCO371的新型的结合模式，并发现了PCO37具有G蛋白信号通路偏向性激活作用，为B类GPCR的小分子药物设计和开发提供了新的见解和新的途径。针对这个保守的口袋进行药物研发，有可能开发出比当前治疗方法更具选择性且副作用更少的药物。该研究发现的新型小分子激动剂结合口袋，揭示了B类GPCRs激活的独特机制，为创新疗法铺平了道路。该工作展示了对B类GPCRs的开创性研究及其作为药物靶点的潜力。

具体地说，PCO371结合在PTH1R与Gs蛋白的胞内界面上，与以前报道的所有GPCR中配体的结合位点完全不同。PCO371作为偏向激动剂，优先通过G蛋白触发信号传递，而非通过阻遏蛋白arrestin。这种偏向性激动剂有助于减少阻遏蛋白arrestin信号通路引起的副作用，提高药物的安全性和有效性（图2）。

此外，该团队通过结构分析和受体氨基酸序列比对发现，构成PCO371结合口袋的氨基酸残基在B类GPCRs中具有较高的保守性，使得PCO371能够激活B类GPCR中的8种受体，并通过1个或2个点突变就可以使其他受体对PCO371产生反应（图3）。这揭示了B类GPCRs小分子激动剂的独特结合位点；这个保守的结合口袋为开发新的治疗糖尿病、肥胖、骨质疏松和其他涉及B类GPCRs的疾病的口服药物提供了机会，为针对2型糖尿病、肥胖症和骨质疏松症等疾病的不同类型B类GPCR小分子激动剂药物的设计和开发提供了新的思路和方法。

本研究冷冻电镜数据在上海药物所高峰电镜中心收集。研究工作得到国家自然科学基金委员会、国家重点研发计划、上海市科学技术委员会、中国科学院青年创新促进会、中国科学院战略性先导科技专项（B类）和原创新药研究重点实验室等的支持。

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图1. 右下角的小分子、受体和G蛋白复合物的三维结构是本研究中报道的PCO371-PTH1R-Gs复合物结构，呈现的是新型小分子结合口袋；气球代表B类GPCRs家族的15个成员，本研究发现的新型小分子结合口袋的主要氨基酸序列在这15个受体中非常保守，宇航员带着这15个气球遨游在广阔的太空，并开启了对这个新型口袋的小分子药物研究新时代，未来针对这15个受体靶标的小分子药物研发将是科学家们探索的新领域，并且这个领域的未来发展将会是星辰大海。本研究揭示了B类GPCRs 15个受体中一个保守且可供药物作用的口袋，这可能带来用于治疗各种疾病的口服小分子药物的开发。

图2. PCO371偏向激活G蛋白信号通路，但不激活阻遏蛋白arrestin信号通路；PCO371-PTH1R-Gs复合物冷冻电镜高分辨结构以及呈现的新型配体结合口袋。

图3. 在B类GPCRs中普遍存在保守的类似PCO371的结合口袋。