《自然•通讯》| 我国科学家发现B1类G蛋白偶联受体变构激动调节的分子机制

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编辑:乐乐

胰高血糖素样肽-1受体(Glucagon-like peptide-1 receptor, GLP-1R)属于B1类G蛋白偶联受体(G protein-coupled receptor, GPCR),参与调节体内血糖稳态,是国际公认的2型糖尿病和肥胖症治疗靶标1目前已有多款多肽药物上市,年销售额超过100亿美元。


除索马鲁肽为口服剂型外,其他都需皮下注射,常出现胃肠道副反应,在成本和疗效上存在改善空间;而小分子药物突显口服有效、患者依从和费用经济等优势。尽管GLP-1R小分子激动剂的开发起步较早,但进展缓慢。这是由于B1类GPCR具有结构特殊、构象灵活的胞外域(Extracellular domain, ECD)和面积较大、位置颇深的跨膜域(Transmembrane domain, TMD)V型配体结合口袋,多肽类配体往往需要与这两个部位形成复杂的相互作用才能激活受体,但小分子配体却无法完全模拟这种作用模式2


然而,有一类称为变构激动剂Ago-allosteric modulator, ago-PAM)的小分子配体,不仅可以结合变构位点而且能够产生与受体激动剂类似的激动活性,其药用价值备受关注。Compound 2是由丹麦诺和诺德公司通过高通量筛选发现的喹喔啉类化合物,它在独立激活GLP-1R的同时发挥增强內外源激动剂活性的变构调节作用,是一种经典的变构激动剂3

2021年6月18日,中国科学院上海药物研究所王明伟/杨德华团队徐华强团队联合浙江大学基础医学院张岩团队Nature Communications发表了题为“Molecular insights into ago-allosteric modulation of the human glucagon-like peptide-1 receptor”的研究论文,首次报道了Compound 2结合GLP-1R的三个高分辨率冷冻电镜结构,揭示了该受体变构激动调节的分子机制,为拓展受体药理学内涵和相关药物发现提供了重要的结构基础。


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完成这项工作的跨学科、跨机构和跨地域研究团队应用单颗粒冷冻电镜技术成功解析获得了分辨率为3.3Å的Compound 2–GLP-1R–Gs三元复合物结构,分辨率为2.5Å的Compound 2–GLP-1–GLP-1R–Gs四元复合物结构和分辨率为2.9Å的Compound 2–LY3503970–GLP-1R–Gs四元复合物结构(图1)。

与先前报道的多个GLP-1R三维结构相比,Compound 2单独结合所引起的最特殊构象变化出现在ECD部分,其整体位置更靠近TMD,N端深入到正构配体结合口袋,对稳定受体激活态构象至关重要(图2)。

这个结果首次揭示了GLP-1R变构激动调节的分子机制,即Compound 2通过共价连接的方式结合到受体第六个跨膜螺旋胞内侧末端的第347位半胱氨酸上,引起TMD发生激活态构象变化,同时使ECD的N端螺旋向下移动进入TMD的配体结合口袋,使受体稳定于激活状态;当有激动剂时,Compound 2则通过增强其和Gs蛋白对受体的亲和力来发挥变构调节作用。

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图1. Compound 2结合GLP-1R的冷冻电镜结构。左,Compound 2–GLP-1R–Gs复合物结构;中,Compound 2–GLP-1–GLP-1R–Gs复合物结构;右,Compound 2–LY3503970–GLP-1R–Gs复合物结构。


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图2. 不同GLP-1R结构的ECD构象特征及其与TMD的相互作用。左,TMD-ECD/agonist相互作用面积统计;右, 具有代表性的ECD构象特征。


复旦大学药学院博士研究生丛朝彤、浙江大学基础医学院博士研究生陈礼楠、中国科学院上海药物研究所副研究员马洪磊和复旦大学基础医学院青年研究员周庆同是该论文的共同第一作者;中国科学院上海药物研究所/复旦大学王明伟研究员、浙江大学张岩研究员、中国科学院上海药物研究所徐华强研究员和杨德华研究员为共同通讯作者。这项研究工作先后获得了国家自然科学基金委员会、国家科学技术部、国家卫生与健康委员会、中国科学院上海市科学技术委员会等机构的经费资助。

原文链接:https://doi.org/10.1038/s41467-021-24058-z

参考文献

  1.  Cho, Y.M., Merchant, C.E. & Kieffer, T.J. Targeting the glucagon receptor family for diabetes and obesity therapy. Pharmacol Ther135, 247-278, doi:10.1016/j.pharmthera.2012.05.009 (2012).

  2. de Graaf, C. et al. Extending the structural view of class B GPCRs. Trends Biochem Sci42, 946-960, doi:10.1016/j.tibs.2017.10.003 (2017).

  3. Knudsen, L.B. et al. Small-molecule agonists for the glucagon-like peptide 1 receptor. Proc Natl Acad Sci U S A104, 937-942, doi:10.1073/pnas.0605701104 (2007).



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