近日，生物治疗国家重点实验室邵振华研究员/颜微副研究员团队，联合马良副研究员团队，山东大学第二医院王传新团队在Molecular Cell（IF：16.0）在线发表了题为“Biased allosteric activation of ketone body receptor HCAR2 suppresses inflammation”的研究论文。该研究针对酮体受体HCAR2展开系统的变构调控机制和药理学研究，首次阐明了变构分子compound 9n对HCAR2信号转导具有Gi蛋白信号偏向性，基于结构生物学手段揭示了HCAR2的新型变构位点，从分子层面揭示了变构分子对HCAR2的偏向性变构调控机制，并创新性地研究了GPCR偏向性变构调节在炎症等疾病的干预作用。研究者通过变构调控GPCR的方式，实现了GPCR信号转导的偏向性，并验证了其有效药理学效应。
我院邵振华研究员、颜微副研究员、马良副研究员以及山东大学第二医院王传新教授为论文共同通讯作者。我院博士研究生赵畅、王贺莉、刘颖，四川省人民医院程林副教授、助理研究员王波、硕士研究生田孝文为本文共同第一作者。
G蛋白偶联受体（G protein-coupled receptor，GPCR）作为重要的细胞膜受体，在细胞跨膜信号转导过程中发挥着关键作用。该类受体在细胞膜上呈现动态特征，可响应细胞外不同信号，通过受体的构象变化，招募细胞内不同类型的效应蛋白（Gs, Gi, Gq, G12/13, β- arrestin-1，β- arrestin-2等），具有信号转导的多样性。研究表明GPCR特异性（偏向性/功能性）信号通路与疾病诊疗密切相关，如何特异性地调控GPCR构象变化来实现精准的信号转导，并具有药理学效应是该领域的研究难点。变构药物在GPCR上的结合位点具有选择性，另外它可以“捕捉”GPCR的特定构象，在药物研发中展现出巨大的潜力。
羟基羧酸受体2（HCAR2）属于GPCR超家族一员，可以感知内源性酮体β-羟基丁酸（BHB）和外源性药物烟酸（niacin）、富马酸单甲酯（MMF）等活性分子，是阿尔兹海默症等炎症疾病的重要治疗靶点。然而，目前靶向HCAR2的临床药物常引起皮肤潮红等不良反应。研究表明，HCAR2激活后可以偶联Gi蛋白和β-arrestin两条独立信号通路，介导不同的病理生理事件，2012年诺贝尔化学奖获得者Robert J. Lefkowitz教授在2009年的研究中表明，激活HCAR2的β-arrestin信号是介导皮肤潮红的主要原因，Gi通路是介导药物的有效途径。
研究者首先通过细胞信号转导实验，将变构分子compound 9n表征为HCAR2-Gi信号偏向性的变构调节剂 (Biased allosteric modulator：BAM)。其可以选择性地提高Gi蛋白信号激活的能力，但对β-arrestin1蛋白的招募作用并不显著 (图A)。接着，为了研究HCAR2激活介导的抗炎药理学效应，研究者构建了LPS诱导的巨噬细胞炎症模型，通过PTX或RNA干扰阻断HCAR2下游Gi或β-arrestin通路，发现Gi通路是HCAR2抗炎的关键途径（(图B)。为了进一步研究变构分子与HCAR2作用的分子机制，作者通过冷冻电镜技术解析了正构药物niacin, MMF, 变构分子compound 9n, 以及niacin与compound 9n同时激活的HCAR2-Gi三维复合物结构。三维结构揭示HCAR2采用相似的方式识别正构药物niacin和MMF；有趣的是，变构分子被鉴定出结合在由TM5-TM6-ECL2形成的新型位点上（图C）。通过结构比较，变构分子compound 9n结合在HCAR2的特定构象状态，能够通过关键残基发挥变构效应，进而介导了Gi蛋白偏向性信号跨膜转导（图D）。最后，研究者者利用体内炎症疾病模型中验证上述的体外变构调控药理学效应，结果表明，相比于单独正构药物治疗，变构分子compound 9n与正构药物BHB/Niaspan的联合用药显著减轻了结肠炎模型小鼠的体重减轻和病理现象，并明显改善了临床评分等（图E）。
图1. HCAR2信号转导的偏向性变构调控机制与药理学效应。
综上所述，研究团队综合利用细胞生物学、结构生物学、药理学等手段，多尺度揭示了酮体受体HCAR2的偏向性变构调控、激活、药物识别等机制，为炎症性疾病的治疗提供了新策略。更为重要的是，该研究通过GPCR变构调控实现疾病的精准干预，为GPCR药理学研究和药物研发奠定了重要理论基础。
该项目得到了国家基金委、科技部、省科技厅、我院1·3·5项目等资助，也得到了我院冷冻电镜平台和南方科技大学冷冻电镜中心的大力支持，以及我院胡洪波教授等的指导和帮助。
原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1097276523006056?via%3Dihub
