上海藥物所等揭示孤兒受體GPR119識別配體的分子機制

　　糖尿病、脂肪肝和肥胖癥等代謝性疾病已成為影響人類健康的“殺手”之一。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。GPR119又稱葡萄糖依賴的促胰島素受體（Glucose-dependent insulinotropic receptor），是G蛋白偶聯受體（GPCR）超家族中的一種孤兒受體。由于在糖代謝調控中的作用，GPR119被認為是治療糖尿病、脂肪肝和肥胖癥等代謝性疾病的潛在藥物靶點。GPR119主要分布在胰島β細胞和胃腸道L細胞，調節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，這兩種激素是調控體內糖代謝平衡的重要物質。

　　近年來，越來越多的GPR119小分子激動劑被開發，作為開發口服治療糖尿病的臨床藥物。然而，對于GPR119功能和激活機制研究的匱乏，限制了靶向GPR119的小分子藥物的開發。關于此靶點更深入的分子水平研究成為該領域的熱點，而揭示GPR119與內源性配體以及藥物分子的相互作用機制成為重要的科學問題。此外，GPR119被認為有較高“自激活”活性，但這種“自激活”的原因和結構基礎尚不明確。

　　8月15日，中國科學院上海藥物研究所研究員徐華強、謝欣，聯合臨港實驗室研究員蔣軼，在Nature Structural & Molecular Biology上，發表了最新的研究成果（Structural identification of lysophosphatidylcholines as activating ligands for orphan receptor GPR119）。研究發現，在不加任何外源配體的情況下，GPR119能結合細胞膜中的溶血磷脂酰膽堿（lysophosphatidylcholines，LPC）并被其激活，解釋了一些受體的所謂“自激活”現象其實是由未知內源配體導致。研究剖析了GPR119與臨床階段小分子候選藥物APD668復合物的冷凍電鏡結構，并闡明了受體偶聯下游Gs信號蛋白的分子機制。

　　為了探索GPR119的結構，研究從昆蟲細胞中表達純化了人源GPR119受體和Gs蛋白三聚體的復合物樣品，并在未加入小分子配體的情況下解析了GPR119與Gs蛋白的復合物結構，分辨率為3.1埃。結構觀察發現，受體的配體結合口袋存在一個狹長的小分子配體密度。為了鑒定該小分子的種類，研究將復合物樣品進行質譜分析，結果表明該小分子密度屬于具有單鏈疏水性尾部的溶血磷脂酰膽堿（LPC）。研究進一步在細胞水平驗證了不同種類溶血磷脂對GPR119的激活作用，結果顯示不同種類的溶血磷脂對GPR119均有不同程度的激活作用。

　　GPR119的配體結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和受體中央位置，主要與LPC的疏水性尾部結合；而親水口袋向胞外區延伸，主要與LPC的親水性頭部結合。GPR119的口袋呈狹長狀，在受體中央部位形成一個開口，使得配體結合口袋和細胞膜進行連通。而這個開口的形成與GPR119的跨膜螺旋5（TM5）獨特的結構有關。在GPR119的TM5中間位置（5x50）附近，GPR119的氨基酸序列從結構上呈現出與其他Class A GPCR相比交錯一位的特征，從而形成了獨特的開口結構。此開口結構既為較長的單鏈磷脂提供了結合空間，又提供了另一個潛在的配體入口。借助分子對接的手段，研究認為該開口附近可能構成別構調節劑的結合位點，并探討了具有控制食欲作用的多糖類天然產物Gordonoside F與該別構位點的潛在結合方式。

　　為了探究高親和力配體、臨床候選小分子藥物與GPR119的結合機制，科研人員分析了代表性激動劑APD668與GPR119復合物的結構，分辨率為2.8埃。研究顯示，APD668較為剛性的結構骨架主要占據GPR119的疏水口袋，且與該口袋中的氨基酸形成了更強的相互作用，提供配體較高的親和力。此外，研究表明，GPR119的激活開關（Toggle Switch）殘基W2386.48呈現與其他受體不同的偏轉方式，且在該殘基附近發現一個水分子與周圍殘基形成氫鍵，穩定了受體的激活構象。

　　該研究首次報道孤兒受體GPR119偏好性結合LPC的分子機制，提出部分具有“自激活”活性的受體或是結合了未知配體而導致的觀點；首次闡釋了GPR119與內源性配體LPC以及臨床候選小分子藥物APD668的結構，揭示了GPR119被小分子激活的結構基礎；發現了GPR119獨特的結構特征和潛在的別構調節劑的結合位點，為靶向GPR119的代謝性疾病藥物開發奠定了重要結構基礎。

　　研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、上海市市級科技重大專項、中科院戰略性先導科技專項等的支持，并獲得中科院院士、上海藥物所研究員蔣華良以及研究員周虎的協助。