NSMB：徐华强 / 谢欣 / 蒋轶发现孤儿受体 GPR119 内源性配体的分子机制

糖尿病、脂肪肝和肥胖症等代谢性疾病已经成为影响人类健康的一大「杀手」，研究显示一些孤儿受体可能成为治疗这些疾病的重要靶点。

GPR119 又被称为葡萄糖依赖的促胰岛素受体（Glucose-dependent insulinotropic receptor），是 G 蛋白偶联受体（GPCR）超家族中的一种孤儿受体。由于其在糖代谢调控中的作用，GPR119 被认为是一种治疗糖尿病、脂肪肝和肥胖症等代谢性疾病的潜在药物靶点。GPR119 主要分布在胰岛 β 细胞和胃肠道 L 细胞，调节葡萄糖依赖的促胰岛素的分泌。GPR119 的激活可以刺激胰高血糖素样肽-1（GLP-1）和葡萄糖依赖性促胰岛素释放多肽（GIP）的分泌，这两种激素是调控体内糖代谢平衡的重要物质。

近年来，越来越多的 GPR119 小分子激动剂被开发，作为开发口服治疗糖尿病的临床药物。然而，由于对 GPR119 功能和激活机制理解的匮乏，限制了靶向 GPR119 的小分子药物的开发。因此对于此靶点更深入的分子水平研究成为该领域重要的研究热点，而揭示 GPR119 与内源性配体以及药物分子的相互作用机制也成重要的科学问题。此外，GPR119 被一直认为有较高「自激活」活性，但这种「自激活」的原因和结构基础尚不明确。

2022 年 8 月 15 日，中科院上海药物研究所徐华强研究员、谢欣研究员，联合临港实验室蒋轶研究员，在 Natural Structural & Molecular Biology 发表了最新的研究成果 Structural identification of lysophosphatidylcholines as activating ligands for orphan receptor GPR119。研究发现，在不加任何外源配体的情况下，GPR119 即能结合细胞膜中的溶血磷脂酰胆碱（lysophosphatidylcholines，LPC）并被其激活，完美解释了一些受体的所谓「自激活」现象其实是由未知内源配体导致。研究还解析了 GPR119 与临床阶段小分子候选药物 APD668 复合物的冷冻电镜结构，并阐明了受体偶联下游 Gs 信号蛋白的分子机制。

为了研究 GPR119 的结构，研究人员从昆虫细胞中表达纯化了人源 GPR119 受体和 Gs 蛋白三聚体的复合物样品，并在未加入小分子配体的情况下解析了 GPR119 与 Gs 蛋白的复合物结构，分辨率为 3.1 Å。通过结构观察，研究人员意外地发现受体的配体结合口袋存在一个狭长的小分子配体密度。为了鉴定该小分子的种类，研究人员将复合物样品进行质谱分析，结果表明该小分子密度属于具有单链疏水性尾部的溶血磷脂酰胆碱（LPC）。研究人员进一步在细胞水平验证了不同种类溶血磷脂对 GPR119 的激活作用，结果显示不同种类的溶血磷脂对 GPR119 均有不同程度的激活作用。

GPR119 的配体结合口袋可以分为两部分：疏水和亲水口袋。其中疏水口袋贯穿于胞外区和受体中央位置，主要与 LPC 的疏水性尾部结合；而亲水口袋向胞外区延伸，主要与 LPC 的亲水性头部结合。值得注意的是，GPR119 的口袋呈狭长状，在受体中央部位形成一个开口，使得配体结合口袋和细胞膜进行连通。而这个开口的形成与 GPR119 的跨膜螺旋 5（TM5）独特的结构有关。在 GPR119 的 TM5 中间位置（5x50）附近，GPR119 的氨基酸序列从结构上呈现出与其他 Class A GPCR 相比交错一位的特征，从而形成了独特的开口结构。此开口结构既为较长的单链磷脂提供了结合空间，同时也提供了另一个潜在的配体入口。借助分子对接的手段，研究人员提出了该开口附近可能构成别构调节剂的结合位点，并探讨了具有控制食欲作用的多糖类天然产物 Gordonoside F 与该别构位点的潜在结合方式。

为了研究高亲和力配体、临床候选小分子药物与 GPR119 的结合机制，研究人员解析了代表性激动剂 APD668 与 GPR119 复合物的结构，分辨率为 2.8 Å。研究人员发现 APD668 较为刚性的结构骨架主要占据 GPR119 的疏水口袋，并且与该口袋中的氨基酸形成了更强的相互作用，提供配体较高的亲和力。此外，研究人员发现 GPR119 的激活开关（Toggle Switch）残基 W2386.48 呈现与其他受体不同的偏转方式，并且在该残基附近发现一个水分子与周围残基形成氢键，稳定了受体的激活构象。

综上，本研究首次报道孤儿受体 GPR119 偏好性结合 LPC 的分子机制，提出部分所谓具有「自激活」活性的受体可能是由于结合了未知配体而导致的观点；首次解析了 GPR119 与内源性配体 LPC 以及临床候选小分子药物 APD668 的结构，揭示了 GPR119 被小分子激活的结构基础；同时发现了 GPR119 独特的结构特征和潜在的别构调节剂的结合位点，为靶向 GPR119 的代谢性疾病药物开发提供了重要的结构基础。

本课题由上海药物研究所徐华强研究员、谢欣研究员和临港实验室蒋轶研究员团队，精诚合作、合力攻关，并在上海药物所蒋华良院士、周虎研究员的协助下完成。上海药物研究所徐沛雨博士（现为 MIT 博士后）、黄思婕博士（现为 UCSF 博士后）、上海药物研究所助理研究员郭世猛和国科大杭州高等研究院博士后贠盈为本文共同第一作者。该工作得到科技部重点研发计划、国家自然科学基金委、上海市市级科技重大专项、中科院战略性先导科技专项等项目的资助。

URL: https://www.nature.com/articles/s41594-022-00816-5

DOI: 10.1038/s41594-022-00816-5

转自：“丁香学术”微信公众号

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