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。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。由于其在糖代謝調控中的作用，GPR119被認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。GPR119主要分布在胰島？細胞和胃腸道L細胞，調節(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，這兩種激素是調控體內糖代謝平衡的重要物質。
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近年來，越來越多的GPR119小分子激動劑被開發(fā)，作為開發(fā)口服治療糖尿病的臨床藥物。然而，由于對GPR119功能和激活機制理解的匱乏，限制了靶向GPR119的小分子藥物的開發(fā)。因此對于此靶點更深入的分子水平研究成為該領域重要的研究熱點，而揭示GPR119與內源性配體以及藥物分子的相互作用機制也成重要的科學問題。此外，GPR119被一直認為有較高“自激活”活性，但這種“自激活”的原因和結構基礎尚不明確。
2022年8月15日，中科院上海藥物研究所徐華強研究員、謝欣研究員，聯(lián)合臨港實驗室蔣軼研究員，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即能結合細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)象其實是由未知內源配體導致。研究還解析了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(lián)下游Gs信號蛋白的分子機制。
為了研究GPR119的結構，研究人員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。通過結構觀察，研究人員意外地發(fā)現(xiàn)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，研究人員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）。研究人員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。
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）復合物的冷凍電鏡結構。
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(qū)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(qū)延伸，主要與LPC的親水性頭部結合。值得注意的是，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(xiàn)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，同時也提供了另一個潛在的配體入口。借助分子對接的手段，研究人員提出了該開口附近可能構成別構調節(jié)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。
圖2. LPC在GPR119中的結合口袋及關鍵氨基酸突變對受體活性的影響。
為了研究高親和力配體、臨床候選小分子藥物與GPR119的結合機制，研究人員解析了代表性激動劑APD668與GPR119復合物的結構，分辨率為2.8埃。研究人員發(fā)現(xiàn)APD668較為剛性的結構骨架主要占據(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的激活開關（Toggle Switch）殘基W2386.48呈現(xiàn)與其他受體不同的偏轉方式，并且在該殘基附近發(fā)現(xiàn)一個水分子與周圍殘基形成氫鍵，穩(wěn)定了受體的激活構象。
綜上，本研究首次報道孤兒受體GPR119偏好性結合LPC的分子機制，提出部分所謂具有“自激活”活性的受體可能是由于結合了未知配體而導致的觀點；首次解析了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；同時發(fā)現(xiàn)了GPR119獨特的結構特征和潛在的別構調節(jié)劑的結合位點，為靶向GPR119的代謝性疾病藥物開發(fā)提供了重要結構基礎。
本課題由上海藥物所徐華強研究員、謝欣研究員和臨港實驗室蔣軼研究員團隊，精誠合作、合力攻關，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研發(fā)計劃、國家自然科學基金委、上海市市級科技重大專項、中科院戰(zhàn)略性先導科技專項等項目的資助。
URL: https://www.nature.com/articles/s41594-022-00816-5
DOI: 10.1038/s41594-022-00816-5
標簽： 孤兒受體
