糖尿病、脂肪肝和肥胖癥等代謝性疾病已經(jīng)成為影響人類健康的一大“殺手”，研究顯示一些孤兒受體可能成為治療這些疾病的重要靶點(diǎn)。GPR119又被稱為葡萄糖依賴的促胰島素受體（Glucose-dependent insulinotropic receptor），是G蛋白偶聯(lián)受體（GPCR）超家族中的一種孤兒受體。由于其在糖代謝調(diào)控中的作用，GPR119被認(rèn)為是一種治療糖尿病、脂肪肝和肥胖癥等代謝性疾病的潛在藥物靶點(diǎn)。GPR119主要分布在胰島？細(xì)胞和胃腸道L細(xì)胞，調(diào)節(jié)葡萄糖依賴的促胰島素的分泌。GPR119的激活可以刺激胰高血糖素樣肽-1（GLP-1）和葡萄糖依賴性促胰島素釋放多肽（GIP）的分泌，這兩種激素是調(diào)控體內(nèi)糖代謝平衡的重要物質(zhì)。
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近年來(lái)，越來(lái)越多的GPR119小分子激動(dòng)劑被開(kāi)發(fā)，作為開(kāi)發(fā)口服治療糖尿病的臨床藥物。然而，由于對(duì)GPR119功能和激活機(jī)制理解的匱乏，限制了靶向GPR119的小分子藥物的開(kāi)發(fā)。因此對(duì)于此靶點(diǎn)更深入的分子水平研究成為該領(lǐng)域重要的研究熱點(diǎn)，而揭示GPR119與內(nèi)源性配體以及藥物分子的相互作用機(jī)制也成重要的科學(xué)問(wèn)題。此外，GPR119被一直認(rèn)為有較高“自激活”活性，但這種“自激活”的原因和結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)尚不明確。
2022年8月15日，中科院上海藥物研究所徐華強(qiáng)研究員、謝欣研究員，聯(lián)合臨港實(shí)驗(yàn)室蔣軼研究員，在Nature Structural & Molecular Biology發(fā)表了最新的研究成果“Structural identification of lysophosphatidylcholines as activating ligands for orphan receptor GPR119”。研究發(fā)現(xiàn)，在不加任何外源配體的情況下，GPR119即能結(jié)合細(xì)胞膜中的溶血磷脂酰膽堿（lysophosphatidylcholines，LPC）并被其激活，完美解釋了一些受體的所謂“自激活”現(xiàn)象其實(shí)是由未知內(nèi)源配體導(dǎo)致。研究還解析了GPR119與臨床階段小分子候選藥物APD668復(fù)合物的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，并闡明了受體偶聯(lián)下游Gs信號(hào)蛋白的分子機(jī)制。
為了研究GPR119的結(jié)構(gòu)，研究人員從昆蟲(chóng)細(xì)胞中表達(dá)純化了人源GPR119受體和Gs蛋白三聚體的復(fù)合物樣品，并在未加入小分子配體的情況下解析了GPR119與Gs蛋白的復(fù)合物結(jié)構(gòu)，分辨率為3.1埃。通過(guò)結(jié)構(gòu)觀察，研究人員意外地發(fā)現(xiàn)受體的配體結(jié)合口袋存在一個(gè)狹長(zhǎng)的小分子配體密度。為了鑒定該小分子的種類，研究人員將復(fù)合物樣品進(jìn)行質(zhì)譜分析，結(jié)果表明該小分子密度屬于具有單鏈?zhǔn)杷晕膊康娜苎字Ｄ憠A（LPC）。研究人員進(jìn)一步在細(xì)胞水平驗(yàn)證了不同種類溶血磷脂對(duì)GPR119的激活作用，結(jié)果顯示不同種類的溶血磷脂對(duì)GPR119均有不同程度的激活作用。
圖1. GPR119/Gs與溶血磷脂酰膽堿（LPC）（a）或臨床小分子候選藥物APD668（b）復(fù)合物的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)。
GPR119的配體結(jié)合口袋可以分為兩部分：疏水和親水口袋。其中疏水口袋貫穿于胞外區(qū)和受體中央位置，主要與LPC的疏水性尾部結(jié)合；而親水口袋向胞外區(qū)延伸，主要與LPC的親水性頭部結(jié)合。值得注意的是，GPR119的口袋呈狹長(zhǎng)狀，在受體中央部位形成一個(gè)開(kāi)口，使得配體結(jié)合口袋和細(xì)胞膜進(jìn)行連通。而這個(gè)開(kāi)口的形成與GPR119的跨膜螺旋5（TM5）獨(dú)特的結(jié)構(gòu)有關(guān)。在GPR119的TM5中間位置（5x50）附近，GPR119的氨基酸序列從結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)出與其他Class A GPCR相比交錯(cuò)一位的特征，從而形成了獨(dú)特的開(kāi)口結(jié)構(gòu)。此開(kāi)口結(jié)構(gòu)既為較長(zhǎng)的單鏈磷脂提供了結(jié)合空間，同時(shí)也提供了另一個(gè)潛在的配體入口。借助分子對(duì)接的手段，研究人員提出了該開(kāi)口附近可能構(gòu)成別構(gòu)調(diào)節(jié)劑的結(jié)合位點(diǎn)，并探討了具有控制食欲作用的多糖類天然產(chǎn)物Gordonoside F與該別構(gòu)位點(diǎn)的潛在結(jié)合方式。
圖2. LPC在GPR119中的結(jié)合口袋及關(guān)鍵氨基酸突變對(duì)受體活性的影響。
為了研究高親和力配體、臨床候選小分子藥物與GPR119的結(jié)合機(jī)制，研究人員解析了代表性激動(dòng)劑APD668與GPR119復(fù)合物的結(jié)構(gòu)，分辨率為2.8埃。研究人員發(fā)現(xiàn)APD668較為剛性的結(jié)構(gòu)骨架主要占據(jù)GPR119的疏水口袋，并且與該口袋中的氨基酸形成了更強(qiáng)的相互作用，提供配體較高的親和力。此外，研究人員發(fā)現(xiàn)GPR119的激活開(kāi)關(guān)（Toggle Switch）殘基W2386.48呈現(xiàn)與其他受體不同的偏轉(zhuǎn)方式，并且在該殘基附近發(fā)現(xiàn)一個(gè)水分子與周?chē)鷼埢纬蓺滏I，穩(wěn)定了受體的激活構(gòu)象。
綜上，本研究首次報(bào)道孤兒受體GPR119偏好性結(jié)合LPC的分子機(jī)制，提出部分所謂具有“自激活”活性的受體可能是由于結(jié)合了未知配體而導(dǎo)致的觀點(diǎn)；首次解析了GPR119與內(nèi)源性配體LPC以及臨床候選小分子藥物APD668的結(jié)構(gòu)，揭示了GPR119被小分子激活的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)；同時(shí)發(fā)現(xiàn)了GPR119獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征和潛在的別構(gòu)調(diào)節(jié)劑的結(jié)合位點(diǎn)，為靶向GPR119的代謝性疾病藥物開(kāi)發(fā)提供了重要結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。
本課題由上海藥物所徐華強(qiáng)研究員、謝欣研究員和臨港實(shí)驗(yàn)室蔣軼研究員團(tuán)隊(duì)，精誠(chéng)合作、合力攻關(guān)，并在上海藥物所蔣華良院士、周虎研究員的協(xié)助下完成。上海藥物所徐沛雨博士（現(xiàn)為MIT博士后）、黃思婕博士（現(xiàn)為UCSF博士后）、上海藥物所助理研究員郭世猛和國(guó)科大杭州高等研究院博士后贠盈為本文共同第一作者。該工作得到科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委、上海市市級(jí)科技重大專項(xiàng)、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)等項(xiàng)目的資助。
URL: https://www.nature.com/articles/s41594-022-00816-5
DOI: 10.1038/s41594-022-00816-5
標(biāo)簽： 孤兒受體
