G蛋白偶联受体复合体整合信号的药理学研究

主要完成人：刘剑峰、许婵娟、孟际勇、刘磊

G蛋白偶联受体（GPCR）是目前最大的一类临床药物作用靶点，占据了约1/3的成药市场。当前的GPCR研究主要是以单个受体为单元，同时GPCR也可以形成二聚体信号复合体。在之前的研究中，刘剑峰教授团队以GABA_B受体为模型，解析了首个GPCR异源二聚体结构（Cell Research，2020，共同通讯作者），并发现了其非对称激活机制（Nature，2021a，共同通讯作者），但GPCR二聚体的信号整合和调控机制是否具有普遍性及其药理学意义还并不清楚。刘剑峰教授团队接着针对多种GPCR复合体开展了研究，做出了以下原创性突破进展：

一、发现了大脑中新的GPCR异源二聚复合体新药靶

首先，刘剑峰课题组在体外证实了代谢型谷氨酸受体（mGluR）mGlu2-7异源二聚体同样通过非对称激活模式激活G蛋白（Nature，2021b，共同通讯作者）。接着，基于羊驼的纳米抗体和时间分辨共振能量转移技术，他们发现在脑组织样本中mGlu2-4异源二聚体在大多数脑区域表达，是新的药物靶点（图1，Nature Chemical Biology，2022，共同通讯作者）。该工作实现了对活体组织中的内源性mGluR复合物表达水平和活性的高通量检测，解决了长久以来内源表达的膜蛋白复合物检测的技术难题，同时提示了16种新的mGlu异源二聚体成为新药靶的可能性。

图1：基于纳米抗体标记新方法发现在脑组织中谷氨酸受体异源二聚体的高比例表达

二、阐明了靶向GPCR复合体药物的调控机制

mGlu3是精神疾病和神经退行性疾病的重要治疗靶点。但由于mGlu3与mGlu2序列的高度同源性，限制了以mGlu3为靶点的选择性药物开发。通过分析三种活性状态的mGlu3结构，刘剑峰教授课题组阐明了决定mGlu3与mGlu2配体选择性的关键位点，以及负向变构剂的结合位点，揭示了mGlu3二聚体激活或失活的独特机制（图2，Cell Research.，2022，共同通讯作者），将促进更高效、更准确的mGlu3正构或变构剂的设计和开发。

图2：代谢型谷氨酸受体mGlu3二聚体激活新模式

此外，他们还发现了GABA_B受体正向变构剂通过结合两个亚基之间的氨基酸残基稳定受体的活性构象来介导变构调节效应和部分激动剂活性（图3，eLife，2021，共同通讯作者），为靶向GPCR二聚体两个亚基相互作用界面开展新药开发提供了新思路。

图3：GABA_B受体变构化合物作用新机制

三、发现了GPCR二聚体调控的新信号通路

进一步，刘剑峰教授课题组发现GABA_B受体不仅能够偶联G_i/o，还能够偶联并激活G₁₃，调控突触活性和神经保护。这为阐明GABA_B受体在大脑中的功能多样性提供了信号基础，为针对GABA_B受体的药物研发提供新的思路（图4，Science Signaling，2021，共同通讯作者）。

图4：GABA_B受体可以激活G₁₃信号通路协调调控神经功能

综上所述，刘剑峰教授团队系统探究了GPCR二聚体信号整合及药理学调节机制，在大脑中发现了谷氨酸受体mGlu2-4新靶点，推动了GPCR复合体新靶点筛选的药理学新方向；实现了脑组织中的内源性GPCR的高通量活性检测方法，提出了膜蛋白复合体的生物物理分析新方法；利用生物物理方法，系统阐明了GPCR二聚体激活的特征，提出了更高效、更准确的正构或变构剂的药物分子设计方式；发现了GPCR二聚体药物作用新方式和信号协同新机制，提出了GPCR复合体功能调控的药理学新理论。