综述：新兴明星：GPCR配体识别的分子机制及其功能调控

《Journal of Molecular Biology》：Rising Stars: Molecular Mechanisms of ligand recognition and functional modulation of GPCRs

GPCR信号传导机制研究：通过结构生物学和分子动力学解析GPCR与不同配体（小分子、多肽、蛋白）的相互作用模式，揭示其功能调控及药物开发新靶点。

作者：邵涵、谭秋香、林淑玲、陈坤、何茂洲、赵强、吴蓓莉

中国科学院上海药物研究所药物研究国家重点实验室、化学生物学国家重点实验室，中国上海201203

摘要

为了响应细胞外的各种信号，G蛋白偶联受体（GPCRs）通过多种信号机制将细胞外信号传递到细胞内，从而在细胞信号转导中发挥关键作用，这些信号机制调控着多种生理和病理过程。这些受体参与了许多疾病的发生，并构成了最大的药物靶点家族。然而，GPCR信号转导的分子机制尚不完全清楚，这阻碍了药物的研发，因为只有少数受体有相应的上市药物。在过去的十年中，我们的实验室一直专注于不同GPCRs的配体识别和功能调控机制的研究，旨在更好地理解这一受体超家族的生理和病理机制，并为药物开发提供新的线索。通过广泛的结构和功能研究，我们揭示了GPCRs在识别各种配体（包括小分子、肽和蛋白质）时的多样化相互作用模式。这些分子细节不仅揭示了决定配体选择性和受体特异性的关键因素，还提供了关于别构调控、配体亲和性和内在激活机制的见解。通过对GPCRs激活及其与下游信号转导因子耦合时的构象变化和动态的研究，我们的知识得到了进一步扩展。由于不同的分子结构，不同的受体在调节其活性和刺激各种信号通路方面表现出不同的模式，这对于理解偏倚性信号传导至关重要。这些发现展示了GPCR信号传导的多样性和复杂性，并有望促进新型药物的开发，从而提高疗效并减少副作用。

引言

GPCRs是哺乳动物中最大的膜蛋白家族，包含超过800个成员1,2。这些受体通过将细胞外刺激（如神经递质、激素和感觉刺激）转化为细胞内信号事件，在调节多种生理过程中发挥着关键作用。通过这种机制，GPCRs参与了包括视觉、味觉、免疫调节、心血管稳态等广泛的生物功能3,4,5,6。GPCR信号传导的失调与许多疾病（如癌症、代谢紊乱和神经系统疾病）有关，这突显了它们在正常生理和疾病发生中的核心作用7,8。因此，GPCRs成为治疗药物开发的主要靶点，已有超过30%的上市药物针对这些受体9,10。了解GPCR药理学和信号转导的分子机制对于合理设计治疗药物至关重要。

根据序列同源性、结构特征和功能特性，人类GPCRs主要分为五个亚家族：A类（视紫红质样受体）、B类（分泌素/黏附受体）、C类（代谢型谷氨酸受体）、F类（frizzled/smoothened受体）和T类（taste2受体）11,12。尽管它们的结构具有保守性，由七个跨膜螺旋通过三个细胞外环（ECL1-3）和三个细胞内环（ICL1-3）连接，但不同的GPCR家族表现出不同的结构特征和配体结合偏好13,14,15。这些结构差异赋予了GPCRs功能多样性，使它们能够介导多种生理过程。A类受体是最大的亚家族，能够结合多种配体，包括胺类、肽类、蛋白质、脂类、褪黑素、核苷酸、甾体、邻氨基羧酸和气味分子1,16,17。B类GPCRs具有独特的细胞外N端结构域，进一步分为B1类（分泌素受体）和B2类（黏附受体）。在B1类受体中，如胰高血糖素样肽1受体（GLP-1R）、胃抑制多肽受体（GIPR）和胰高血糖素受体（GCGR）因在肥胖和糖尿病中的重要作用而受到关注18,19。B2类受体主要参与细胞黏附，通常被认为是“孤儿受体”，因为它们的内源性配体尚未被鉴定20,21。C类GPCRs通过形成构象稳定的同源二聚体或异源二聚体来发挥功能，这对于将激动剂诱导的信号从受体细胞外域传递到跨膜域至关重要22,23,24。F类GPCRs包括frizzled受体（FZD）和smoothened受体（SMO），主要参与Wnt和Hedgehog信号通路[25]。T类GPCRs因其特定的味觉感知作用而被单独分类[5]。这些不同的功能和结构特性为GPCR超家族的生理和病理机制增添了多样性。

GPCRs经历复杂的动态信号转导过程，进一步增加了这些受体功能调控的复杂性。在人类细胞中，两类主要的转导蛋白介导这些信号：G蛋白和arrestins。G蛋白分为四个主要家族——G_s、G_i/o、G_q和G_12/13，每个家族通过不同的下游信号通路调节细胞反应26,27。在静息状态下，G蛋白以Gα、Gβ和Gγ亚基组成的异三聚体形式存在，其中Gα与鸟苷二磷酸（GDP）结合。当激动剂结合时，受体发生构象变化，触发G蛋白偶联并激活Gα亚基中的GDP与鸟苷三磷酸（GTP）的交换。一旦G蛋白被激活，Gα亚基会从Gβγ二聚体中分离出来。Gα和Gβγ亚基都可以启动下游信号事件，例如腺苷酸环化酶（AC）、磷脂酶C（PLC）的激活以及环腺苷酸（cAMP）的产生。为了终止G蛋白信号传导，GPCRs会通过G蛋白偶联受体激酶（GRKs）的磷酸化而发生脱敏。磷酸化的受体随后与arrestins结合，阻止进一步的G蛋白激活并通过内吞作用促进受体内化。此外，arrestins还作为信号分子，激活诸如丝裂原活化蛋白（MAP）激酶（如ERK1/2）、JNK、p38和RhoA等通路。共有七种GRK亚型（GRK1-7）和四种arrestin异构体（两种视觉相关型arrestin-1和arrestin-4，以及两种非视觉相关型β-arrestin-1和β-arrestin-2），每种可能具有独特的调控机制28,29。随着冷冻电子显微镜（cryo-EM）技术的快速发展，关于GPCR信号转导的分子信息得到了大量揭示30,31。然而，研究这些转导因子在调节GPCRs多种生理过程中的多样化作用仍然具有挑战性。

为了系统研究GPCRs的信号转导和调控机制，从而理解它们的生理和病理功能并开发新的治疗策略，我们的实验室与合作者共同建立了一个综合性的GPCR研究平台，结合了结构生物学、分子动力学、细胞分析和药物发现技术。利用这一平台，我们努力阐明了多种配体如何识别和调控GPCRs，以及不同类型的受体如何通过不同的调控途径发挥功能。我们的发现不仅为GPCR信号传导提供了宝贵的见解，还为药物发现提供了新的机会。我们团队解决的GPCR结构总结在表1中。

部分摘要

GPCRs的配体识别：小分子配体的结合和调控

小分子配体是作用于GPCRs的最具化学多样性和生理重要性的信号类别之一[32]。最近在GPCR研究方面的进展扩展了我们对这些配体如何被识别以及它们如何调控受体功能的理解[33]。在这方面，我们对几种生理上重要的受体（如嘌呤能受体P2Y₁R和P2Y₁₂R）进行了广泛的结构和功能分析34,35,36。

GPCRs的配体识别：肽类配体的调控机制

GPCRs采用多种机制来识别和响应肽类配体[43]。在整个超家族中，肽类配体可以作为内源性激动剂、外源性调节剂或受体内在的激活因子[44]。了解GPCRs如何整合这些多样化的信号一直是该领域的研究重点。因此，我们致力于研究肽类配体的调控模式，包括（i）配体驱动的构象适应，以实现亚型间的差异

GPCRs的配体识别：蛋白质配体的相互作用和调控

蛋白质配体（如趋化因子、脂肪因子和病毒糖蛋白）是一类重要的内源性信号，可调节免疫和代谢系统中的GPCR活性59,60,61,62。我们对趋化因子受体和chemerin受体的结构和功能研究，以及其他团队的相关工作，阐明了蛋白质配体如何通过多种方式调节受体激活、信号偏倚性和病毒劫持63,64,65,66,67,68,69,70。

通过解决

GPCRs的功能调控：亚基间和亚基内的调控

作为B类GPCR家族的分泌素样受体对内源性激素肽类配体作出反应，调节多种生理过程，如葡萄糖代谢、心血管和胃肠道发育、食欲调节以及免疫反应18,85。与A类GPCRs不同，B类受体除了跨膜结构域（TMD）外，还具有细胞外N端结构域。这两个结构域对于肽类配体的结合都是必需的

GPCRs的功能调控：亚基间和亚基内的调控

越来越多的证据表明，受体二聚化在GPCRs的功能和药理学中起着调节作用106,107。C类GPCRs以其形成构象稳定的二聚体的能力而闻名，这对它们的功能至关重要108,109。我们和其他团队的努力使得能够确定C类受体在多种功能状态下的结构23,24,110,111,112,113,114,115,116,117,118,120,121。通过对代谢型谷氨酸受体（mGlus）的研究

GPCRs的功能调控：信号转导因子的调控

GPCR信号传导由不同类型的转导蛋白介导和调节，包括G蛋白、arrestins和GRKs 18,28。在激动剂刺激下，GPCRs激活不同类型的G蛋白亚基，从而诱导多种下游通路。为了避免过度激活，GPCRs会被GRKs磷酸化，然后招募arrestins，后者介导受体脱敏、内化和G蛋白独立信号传导。这些转导因子相关调控的分子机制

未来方向

GPCR领域正迅速发展，这得益于技术创新和新兴的生物学问题。GPCRs本质上是动态的，会在配体和细胞内信号分子的刺激下发生构象变化。当前的研究仅揭示了GPCRs的离散构象状态，这些状态是理解这些受体生理和病理过程的基础。然而，细胞内部发生的实际过程仍在不断变化

作者贡献声明

邵涵：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿撰写、可视化、验证、实验设计、数据管理。谭秋香：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿撰写、可视化、验证、实验设计、数据管理。林淑玲：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿撰写、可视化、验证、实验设计、数据管理。陈坤：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿撰写、可视化、验证、实验设计、数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了中国国家重点研发计划2022YFA1302900（B.W.和S.H.）、国家自然科学基金项目32230053、32530052、82121005（B.W.）、32161133011（Q.Z.）、32400997（S.L.）、82404714（K.C.）和32401012（M.H.）、中国科学院青年科学基础研究项目YSBR-106（B.W.、S.L.和Q.Z.）、中国科学院战略性先导研究项目XDB0830000（B.W.）和XDB1060000（Q.Z.）、以及上海中国科学院基础研究试点项目的支持