G-蛋白质偶联受体（G protein-coupled receptor，GPCR）它是细胞表面受体家族中最大的一种。它控制着人体的各种生活活动，与疾病密切相关。超过30%的药物作用于 GPCR。B类GPCRS是一种重要的多肽激素受体，包括胰高血糖受体（GCGR）、胰高血糖素样肽-1受体(GLP-1R)、葡萄糖依赖性胰岛素释放多肽受体（GIPR）甲状旁腺激素受体1R）共有15个激素受体，主要通过调节多肽激素的信号传输来调节多种生理功能，包括血糖调节、骨代谢、胃肠功能、神经调节和生长调节，以及许多疾病的发病机制，如糖尿病、因此，B类GPCRS已成为治疗肥胖、糖尿病和骨质疏松症、抑郁症、心血管疾病、癌症等疾病的重要药物靶点。然而，由于B类GPCRS的复杂结构和信号传输机制，这些受体药物的开发，特别是小分子激动剂药物，一直面临着挑战。虽然一些针对B类GPCRS的多肽药物已经成功上市，包括2型糖尿病药物GLP-1类似物、骨质疏松症药物PTH和PTHRP类似物，但这些多肽药物需要皮下注射，使用不便，成本昂贵，并伴有头痛、恶心等副作用。
与注射肽类药物不同，小分子药物可以发展成片剂，具有更好的药物特性。因此，小分子激动剂药物的研发近年来受到科学家的广泛追捧。然而，B类GPCRS小分子激动剂药物的临床应用尚未取得突破。在此背景下，中国科学院上海药物研究所徐华强/赵丽华研究团队系统地开展了B类GPCRS的结构分析和分子机制研究。近十年来，B类GPCRS激动机制研究取得了一系列突破。
早在2008年至2010年，研究团队就分析了多个B类GPCRS的胞外结构域（ECD）晶体结构阐述了内源性多肽和B类GPCRS的识别机制[1-3]。
2016年，研究团队合作披露 B 类 GPCRs 激活对 ECD 为了解释GLP-1RECD激活的内部激动机制，需要不同的作用机制[4] GLP-1R 研究下游信号转导激活机制为[5]奠定了基础。
2017年与王明伟团队合作 Biol 根据封面文章，Chem提出了B类GPCRS受体第六跨膜的构象发生变化，从而产生自激活效应的分子机制[6]。
2019年，B类GPCRS激活机制取得突破。研究团队与浙江大学张燕团队、上海药物研究所王明伟团队合作，首次在Science上报道了1型人源甲状旁腺激素受体（Parathyroid hormone type 1 receptor, PTH1R）与GS蛋白复合物的三维结构，揭示了其长期激活状态下的分子动力学机制，为治疗骨质疏松症等疾病的新药奠定了坚实的基础。
2020年，研究团队与张岩团队在Moleculara合作 Cell揭示了肾上腺皮质激素释放因子受体的激活机制[8]；与王明伟/杨德华研究团队、张岩团队合作 首次揭示了GHRHR的配体识别、信号激活和疾病分子机制，为相关新药的研发奠定了坚实的基础[9]。在Cell research揭示 GLP-2R 小肠短小综合征具有独特的配体识别和受体激活机制（Short bowel syndrome, SBS）克罗恩病（Crohn's disease）药物研发提供重要的结构信息[10]。Nature Comunications报道了VIP1R、多肽配体PACAP27和GS蛋白复合物的冷冻电镜结构[11]。在Cell 本文首次分析了完全激动剂小分子化合物和GLP-1R复合物的冷冻电镜结构，阐述了完全激动剂激活GLP-1R的分子机制[12]。
2021年，研究团队与王明伟/杨德华研究团队合作在PNAS上揭示PTH2R Elife揭示了配体选择性和疾病分子机制[13] GIPR 基于GIPR的配体识别和信号转导分子机制 2型糖尿病的药物发现提供了重要的结构信息[14]， Nature GLP-1R变构激动调节的分子机制[15]揭示在Communications上。B类GPCRS结构信号偏转转导机制[16]在PNAS上进行了阐述。
2022年，研究团队在Nature上与王明伟/杨德华团队合作 Comunications系统阐述了GLP-1R/GCGR/GIPR双重和三重激动剂的配体识别和受体激活机制揭示了它们在原子水平上发挥多种药理作用的关键点，为2型糖尿病的设计和开发提供了新的思路[17]。B类GPCRS受体家族15个成员中最后一个受体的研究团队合作分析，VIP2R的三维结构[18]。研究团队与山东大学于晓团队合作，浙江大学张岩团队合作 B类GPCRS的G蛋白选择性偶联激活机制[19]揭示在Communications上，与王明伟/杨德华研究团队合作，进一步揭示APS上甲状旁腺激素受体1的两种内源性多肽激素的分子识别和激活机制[20]。
2023年7月31日，该团队在Nature杂志上以“快速通道”的形式发表了最新的研究成果Conserved class B GPCR activation by a biased intracellular agonist”， B类GPCRS小分子激动剂激活机制取得突破。
该团队发现了B类GPCRS的新型小分子激动剂组合口袋。由于该组合口袋在B类GPCRS中具有较高的保守性，并能激活多种受体，因此为该口袋的小分子激动剂研发提供了新的可能性。因此，药物口袋的发现为糖尿病、肥胖、骨质疏松症等涉及B类GPCRS的药物开发提供了新的方向和途径，为开发更有选择性、更有效的药物开辟了新的视野。这种药物口袋的发现可以为未来的新药研发提供重要的基础和潜在机会(图1)。
图1、本研究报告的PCO371-PTH1是右下角小分子、受体和G蛋白复合物的三维结构R-GS复合结构是一种新型的小分子组合口袋。气球代表B类GPCRS家族的15名成员。本研究发现的新型小分子组合口袋的主要氨基酸序列在这15个受体中非常保守。宇航员在广阔的太空中与这15个气球一起游泳，并开启了小分子药物研究新口袋的新时代。未来，对这15个受体目标的小分子药物的研发将是科学家探索的新领域，这一领域的未来发展将是星海。
通过冷冻电镜技术，研究团队获得了PTH1R和小分子激动剂PCO371的高分辨率结构，这是B类GPCRS中最重要的成员之一。通过结构分析和功能实验，发现B类GPCRS有一个保守的小分子组合口袋，类似于PCO371，揭示了PCO371的新组合模式，发现PCO37具有G蛋白信号通路的偏向激活作用。它为B类GPCR小分子药物的设计和开发提供了新的见解和新的方法。通过对这个保守口袋的药物研发，可能会开发比目前的治疗方法更有选择性、副作用更少的药物。研究发现的新型小分子激动剂与口袋相结合，揭示了B类GPCRS激活的独特机制，为创新疗法铺平了道路，展示了B类GPCRS的开创性研究及其作为药物靶点的巨大潜力。该研究发现的新型小分子激动剂结合口袋揭示了B类GPCRS激活的独特机制，为创新疗法铺平了道路。这项工作展示了B类GPCRS的开创性研究及其作为药物靶点的巨大潜力。具体来说，PCO371与之前报道的所有GPCR中配体的组合点完全不同。PCO371作为偏向激动剂，优先通过G蛋白触发信号传输，而不是阻止蛋白arestin。这种偏激动剂有助于减少阻止蛋白arestin信号通道引起的副作用，提高药物的安全性和有效性(图2)。
具体来说，PCO371在PTH1R和GS蛋白的胞内界面上的组合点与之前报道的所有GPCR中的组合点完全不同。这种新的组合模式使PCO371能够激活受体与多肽PTH组合的PTH1R呈现出不同的构象，从而实现G蛋白和阻止蛋白arestin的偏差调节。PCO371作为偏向激动剂，优先通过G蛋白触发信号传输，而不是阻止蛋白arestin。这种偏激动剂有助于减少阻止蛋白arestin信号通道引起的副作用，提高药物的安全性和有效性(图2)。
图2、 PCO371倾向于激活G蛋白信号通路，但不激活阻止蛋白arestin信号通路；PCO371-PTH1R-Gs复合冷冻电镜高分辨率结构和新型配体组合口袋。
此外，通过结构分析和受体氨基酸序列比较，研究团队发现，组成PCO371和口袋的氨基酸残留物在B类GPCRS中具有较高的保守性，使PCO371能够激活B类GPCR中的8个受体，其他受体可以通过1个或2个点突变反应PCO371（图3）。这些发现揭示了B类GPCRS小分子激动剂的独特组合点。这种保守的组合口袋为开发不同类型的B类GPCR小分子激动剂药物的设计和开发提供了令人兴奋的机会，如糖尿病、肥胖和骨质疏松症。
图3、类似PCO371的保守组合在B类GPCRS中很常见
该研究由上海药物研究所徐华强研究员和赵丽华研究员领导的B类GPCRS研究小组成员共同完成。赵丽华研究员、博士生何倩、高峰电镜中心执行主任袁青宁是该论文的共同第一作者。徐华强研究员、赵丽华研究员是上海药品研究所论文的共同通讯作者。上海药品研究所硕士研究生顾一敏、博士何新恒、单虹博士、李俊瑞博士、王凯副研究员、硕士研究生李阳、高峰电镜中心工作人员胡文、吴凯、沈建华研究员。本研究在上海药品研究所高峰电镜中心收集了冷冻电镜数据，由国家自然科学基金委员会、国家重点研发计划、上海科技委员会、中国科学院青年创新促进会、中国科学院战略试点技术专项（B类）和原创新药研究重点实验室资助。
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https://www.nature.com/articles/s41586-023-06467-w
