解析脂质介导的 GPR55 激活机制，为靶向药物研发提供关键依据

为探究 GPR55 激活机制及靶向药物研发方向，Boehringer Ingelheim Pharma GmbH & Co. KG 的研究人员测定了激活态 GPR55 与 G13及不同配体复合物的结构，揭示了配体识别、G 蛋白偶联和受体激活机制，对靶向 GPR55 药物研发意义重大。

　　

在生命科学的微观世界里，细胞的信号传递如同精密的通信网络，掌控着生物体的健康与疾病进程。G 蛋白偶联受体（GPCRs）作为人体膜蛋白中最大的家族，是药物研发的关键靶点，在细胞信号传导中扮演着举足轻重的角色。然而，目前仍有约 35% 的非感官 GPCRs 属于 “孤儿受体”，即缺乏已知的生理激动剂，这极大地限制了相关疾病治疗药物的开发。

GPR55 便是其中一员，它属于 A 类孤儿 GPCRs，自被发现能响应内源性大麻素脂质后，便受到广泛关注。由于其在肾上腺组织、大脑、胃肠道、肝脏和免疫细胞等多个部位高度表达，与帕金森病、代谢紊乱、神经性疼痛、癌症和炎症性疾病等多种疾病密切相关，成为极具潜力的药物靶点。但 GPR55 的内源性激活机制尚不明确，其与配体的结合模式以及在疾病发生发展中的具体作用机制仍有待深入探索，这也使得针对它的药物研发困难重重。

为了攻克这些难题，Boehringer Ingelheim Pharma GmbH & Co. KG 的研究人员勇挑重担，开展了一系列深入研究。他们的研究成果为解开 GPR55 的神秘面纱提供了关键线索，对靶向 GPR55 的药物研发具有重要意义，相关成果发表于Nature Communications。

研究人员运用了多种先进技术，其中冷冻电镜技术（cryo-EM）发挥了关键作用。通过该技术，研究人员测定了激活态 GPR55 分别与异源三聚体 G₁₃以及两种结构不同的配体 —— 假定的内源性激动剂 1 - 棕榈酰 - 2 - 溶血磷脂酰肌醇（LPI）和合成激动剂 ML184 形成的复合物的高分辨率结构。此外，研究人员还进行了定点突变实验，构建 GPR55 突变体，结合 G 蛋白解离试验，探究关键氨基酸残基对配体结合和受体激活的影响。同时，利用分子动力学（MD）模拟研究胆固醇（CLR）与受体的相互作用以及对受体结构稳定性的影响。

1. GPR55 - G_α13β₁γ₂信号复合物的结构

研究人员借助 mini-G 蛋白策略，成功制备了用于冷冻电镜分析的稳定 GPR55 - G 蛋白 - 配体复合物。通过单颗粒冷冻电镜技术，获得了 GPR55 与 G_α13β₁γ₂结合不同配体时的三维结构。其中，GPR55 - G_α13β₁γ₂ - ScFv16 - LPI 复合物的整体分辨率达到 2.96 ?，GPR55 - ML184 - G_α13β₁γ₂ - ScFv16 复合物的整体分辨率为 2.64 ?。这些高分辨率结构为后续深入研究配体与受体的相互作用提供了清晰的结构基础。

2. 假定内源性配体的结合模式

研究发现，LPI 的磷酸基团通过与跨膜螺旋 VI 中的 R253^6.62形成盐桥相互作用，锚定在 GPR55 的细胞外端。细胞外环（ECL）2 通过 N171^ECL2和 M172^ECL2的主链氢键进一步稳定磷酸基团。定点突变实验表明，R253^6.62A 突变使 LPI 的效力大幅降低 193 倍，同时降低了其功效和基础激活水平。LPI 的肌醇头部基团位于 GPR55 的细胞外表面，与螺旋 I 的 N 端和 ECL2 形成直接氢键。ECL2 上的 N - 连接糖基化位点 N171^ECL2对 LPI 的结合也至关重要，N171^ECL2突变为 A 或 Q 会使 LPI 的效力分别降低 5.5 倍和 7 倍，且显著降低受体的组成型活性。此外，LPI 的甘油部分虽未参与特异性氢键相互作用，但其脂溶性棕榈酰尾通过受体内的狭窄通道，与多个氨基酸形成范德华接触，并通过螺旋 IV 和 V 之间的膜开口与其他膜成分脂质接触。

3. 合成激动剂 ML184 的结合模式

合成激动剂 ML184 结合在 LPI 结合结构中棕榈酰尾占据的疏水腔内。为适应 ML184 的空间需求，受体发生了结构重排，如螺旋 V 的细胞外端向外移动 3.5 ?。ML184 主要通过疏水接触和芳香堆积相互作用与受体结合，其磺酰胺基团直接与多个氨基酸相互作用，苯环与多个氨基酸形成芳香堆积。有趣的是，ML184 结构中发现了胆固醇（CLR）分子，它结合在螺旋 IV 和 V 之间的裂隙中，阻断了膜开口。分子动力学模拟显示，CLR 对稳定结合口袋的构象起着重要作用，当去除 CLR 时，结合口袋会部分闭塞。

4. GPR55 的激活和 G_α13偶联界面

研究人员测定的两种 GPR55 结构均处于与 G 蛋白结合的激活状态，且高度相似。GPR55 的激活微开关包含激活构象的特征，但与经典 A 类 GPCRs 的激活基序并不完全保守。通过与 GPR35 和 β₂肾上腺素能受体（β₂AR）的结构比较，发现 GPR55 的激活机制既有与经典 GPCR 激活相关的特征，也有独特之处，能在不发生大的螺旋 V 和 VI 向外移动的情况下实现 G_α13结合。在受体 - G 蛋白界面，GPR55 与 G_α13之间存在多种相互作用，G_α13的 α5 - 螺旋与 GPR55 的多个区域紧密结合，包括与 K293^8.48、F451.5 等氨基酸的相互作用，以及 R119^3.50通过水网络与多个螺旋的相互作用。功能实验表明，GPR55 对 G_α13具有明显的偏好性，与 G_α12的偶联效率较低。

综合来看，该研究首次报道了 GPR55 与不同配体及 G₁₃复合物的高分辨率结构，揭示了 LPI 和 ML184 与 GPR55 的结合模式、GPR55 的激活机制以及与 G_α13的偶联机制。这些发现为深入理解脂质激活 GPCRs 的分子机制提供了重要依据，极大地推动了对研究较少的 G_{α12 / 13}家族与 GPCR 相互作用的认识。同时，为基于结构的靶向 GPR55 的药物设计奠定了坚实基础，有助于开发出更有效的治疗相关疾病的药物，具有重要的科学意义和潜在的临床应用价值。未来，随着对 GPR55 研究的不断深入，有望在相关疾病的治疗领域取得新的突破。