2023年2月14日，我院肾脏病研究所邵振华研究员/颜微副研究员团队，联合付平教授团队在Cell Research（IF：46.351）杂志在线发表了他们最新的研究成果“Mechanism of activation and biased signaling in complement receptor C5aR1”。团队采用冷冻电镜技术首次解析了C5aR1-Gi复合体分别结合内源性配体C5a、多肽激动剂 C5apep，和Gi蛋白偏向性激动剂BM213的三维结构，以及一个突变体受体C5aR1I116A识别拮抗剂C089后招募G蛋白的三元复合物结构，结合药理学实验和计算机模拟手段，揭示了C5aR1受体的激活及偏向性信号转导的分子机制，并基于上述机制设计和筛选出调控下游β-arrestin信号通路的偏向性短肽配体，在人体补体受体信号转导研究领域取得重大进展。
补体系统是人体固有免疫的重要组成部分，当细胞受到病原体感染时，补体系统被激活，并产生大量补体蛋白来对抗病原体的侵害。C5a蛋白是补体系统的关键成分，主要通过激活C5aR1受体，调控多种自身免疫性疾病和炎性疾病发病过程，包括败血症、类风湿性关节炎（RA）、抗中性粒细胞胞浆抗体相关血管病 (AAV),、阵发性夜间血尿 (P PNH)、坏疽性脓皮病(PG)等。因此，C5aR1受体是重要的药物研发靶点。目前靶向C5aR1的药物选择非常有限，仅有一款小分子药Avacopan被批准用于治疗AAV，无法满足临床和市场需求。基于结构的药物筛选和设计可以加速药物的研发进程，然而，C5aR1的结构和配体识别机制尚未得到解析，制约了原创性药物研发进展。此外，C5aR1介导Gi蛋白和β-arrestin两条下游信号途径，哪条信号途径与疾病治疗相关联尚不清楚，阻碍了精准调控C5aR1下游信号的药物开发。
图1. 基于结构发现开展的C5aR1β-arrestin偏向性激动剂改造及表型验证
基于C5aR1下游不同效应蛋白可差异性介导生理病理功能（图1 a），研究者比较了不同信号偏向性的配体在结合口袋中构象的异同，发现配体位于P6位置的氨基酸侧链与受体I912.59-W102ECL1-I1163.32组成的疏水区域距离越近，相互作用越强，受体下游β-arrestin信号也随之增强（图1 b, c）。基于此结构上的发现，研究者以BM213配体为基础，设计改造了一系列具有β-arrestin信号偏向性的配体（图1 d），并观察到改造后的配体可加速β-arrestin上膜和受体内化（图1 e），为C5aR1靶向药物研发的新思路——即开发β-arrestin偏向性激动剂能够作为G蛋白信号关闭药物的策略提供了研究基础。
此外，本研究还首次揭示了C5aR1识别内源性配体C5a的分子机制。有趣的是，之前报道指出C5a通过“two-site mode”双位点的模式识别和激活C5aR1，本研究不仅揭示了经典的双位点模式中具体参与相互作用的氨基酸残基，还发现了第三个位于受体ECL2 loop区附近的识别区域，通过检测突变体构象和下游信号的变化，发现该位点的相互作用对于配体结合和受体下游信号转导具有贡献意义。
通过比较非激活态和激活态的C5aR1，研究发现正构配体结合口袋底部由I1163.32-M1203.36-Y2907.43-W2556.48组成的疏水“拉链”基序（“zipper” motif）产生了明显的重排，进一步触发了跨膜螺旋TM3-TM6-TM7的扭转和摆动，在C5aR1的激活中起到重要作用。突变体组成性活性的检测进一步证实了“zipper” motif在稳定C5aR1受体非激活状态的重要性。研究者在C5aR1的TM7胞内区和helix8区域都观察到了非经典的构象变化，并通过分子动力学模拟的技术探讨了该区域的动态性以及对识别G蛋白的贡献。
综上所述，本研究分别从原子分辨率和药理学深度阐释了补体受体C5aR1的配体识别、偏向性信号转导、受体激活、G蛋白偶联的机制，为治疗自身免疫疾病和炎症性疾病的创新药物研发提供了新思路。
我院博士后冯宇颖、博士研究生赵畅、科研助理邓悦、硕士研究生王贺莉以及马良副研究员为论文的共同第一作者，邵振华研究员、付平教授、颜微副研究员为共同通讯作者。该研究由国家自然科学基金、科技部重点研发基金、四川省科技厅重点研发计划等项目资助完成，其中冷冻电镜数据收集获得了四川大学华西冷冻电镜中心的支持。
