揭示神经降压素受体 1 偏向性激动剂的分子机制，为 GPCR 靶向治疗开辟新道路

《Cell Research》：Molecular mechanism of the arrestin-biased agonism of neurotensin receptor 1 by an intracellular allosteric modulator

研究人员针对 G 蛋白偶联受体（GPCR）药物研发难题，研究神经降压素受体 1（NTSR1）与 β-arrestin1 及变构调节剂 SBI-553 复合物结构，揭示独特 “环结合” 构型，推动 GPCR 靶向疗法发展。

　　

研究背景：GPCR 药物研发的困境与机遇

在生命科学的微观世界里，G 蛋白偶联受体（GPCRs）犹如一群忙碌的 “信号指挥官”，它们广泛分布于细胞表面，在人体生理活动中发挥着至关重要的作用。从感知外界环境变化，到调节体内各种生理功能，GPCRs 的身影无处不在。正因如此，它们成为了药物研发领域的热门靶点，众多 FDA 批准的药物都是以 GPCRs 为作用对象，用于治疗从疼痛、糖尿病到心血管疾病乃至癌症等多种病症。

然而，在这场与疾病的 “战斗” 中，GPCRs 却给药物研发人员出了不少难题。传统的经典正交配体在选择性激活特定受体亚型以及控制靶点和非靶点副作用方面，往往力不从心。想象一下，药物就像一把 “钥匙”，本想精准打开疾病对应的 “锁”，但却常常误开其他 “锁”，引发不必要的副作用。为了攻克这些难题，科研人员把目光投向了变构调节剂。这类调节剂就像是 GPCRs 的 “秘密助手”，它们结合在受体的非正交口袋外，通过独特的方式调节受体的活性，不仅能实现对特定受体亚型的精准调控，还能减少副作用的发生。

其中，偏向性变构调节剂（BAMs）更是备受关注。它可以引导受体信号偏向特定的通路，比如让信号朝着 G 蛋白或 β-arrestin 介导的通路传递，这种特性为开发更安全、更有效的靶向治疗药物带来了新的希望。尽管近年来关于 GPCRs 与 G 蛋白或 G 蛋白偶联受体激酶（GRK）结合 BAM 状态下的结构研究取得了一定进展，但 BAM 与 GPCR - β-arrestin 复合物的结构仍未得到解析，这就像拼图中缺失的关键一块，严重限制了我们对 BAMs 全面药理特性的理解，也阻碍了基于 β-arrestin 偏向性的 GPCR 靶向治疗药物的研发。

研究概况：中国科研团队的突破之旅

为了填补这一关键的知识空白，来自中国科学技术大学、清华大学、中国科学院上海药物研究所等多个机构的研究人员组成了一支强大的科研团队，携手开展了一项具有挑战性的研究。他们以神经降压素受体 1（NTSR1）为研究对象，深入探究其与 β-arrestin1 以及 BAM（SBI-553）之间的相互作用机制。

这项研究成果发表在《Cell Research》杂志上，为我们打开了一扇了解 GPCRs 与 β-arrestin 相互作用奥秘的新窗口，在 GPCR 靶向治疗药物研发领域具有里程碑式的意义。

研究方法：解锁关键结构的技术密码

研究人员在探索过程中运用了多种先进的技术方法。化学蛋白合成技术是其中的关键一环，他们通过巧妙设计，将肽酰肼连接和内含肽介导的蛋白反式剪接连接相结合，成功制备出了在羧基末端（C 尾）具有特定六磷酸化修饰的全长 NTSR1。这一技术突破就像是为研究人员提供了一把精准的 “钥匙”，为后续获得稳定的 NTSR1 - βArr1 - SBI-533 复合物奠定了坚实基础。

冷冻电镜技术（cryo - EM）则是研究人员窥探复合物结构奥秘的 “神器”。借助这一技术，他们获得了分辨率高达 2.65 - 2.88 ? 的 NTSR1 与 β-arrestin1 及 SBI-553 复合物的高分辨率冷冻电镜结构，以及分辨率为 3.41 ? 的未结合 SBI-553 的 NTSR1 - βArr1 复合物结构。这些高精度的结构数据为深入解析分子间的相互作用提供了直观、详细的信息。

研究结果：探索分子间的神秘互动

1. 磷酸化 NTSR1 的化学合成：NTSR1 的 C 尾磷酸化对 β-arrestin 的招募和激活起着关键作用。研究人员合成了不同磷酸化模式的 NTSR1 C 尾肽段，并通过荧光偏振实验发现，具有六磷酸化修饰的 C 尾肽段对 βArr1 的亲和力显著增强，其解离常数（K_d）达到 35 nM，比单磷酸化修饰的肽段强 100 多倍。这一结果表明，六磷酸化的 NTSR1 C 尾具有强大的招募 βArr1 的潜力。
2. NTSR1 - βArr1 - SBI-553 复合物的组装与结构测定：研究人员利用组成型活性的人 βArr1 截短变体，通过一系列复杂的组装步骤，成功制备了 NTSR1 - βArr1 复合物，并加入 SBI-553 形成了 NTSR1 - βArr1 - SBI-553 复合物。冷冻电镜结果显示，SBI-553 结合的复合物有三个不同的结构（复合物 1、2、3），分辨率分别为 2.65 ?、2.83 ? 和 2.88 ?，这是目前 GPCR - arrestin 复合物中分辨率最高的结构。未结合 SBI-553 的复合物分辨率为 3.41 ?。这些结构展示了复合物的整体架构以及各分子的位置关系。
3. NTSR1 - βArr1 - SBI-553 复合物独特的环结合构型：对高分辨率密度图的仔细观察发现，在复合物 1 和 2 中，βArr1 与 NTSR1 的结合呈现出一种独特的 “环结合” 构型。NTSR1 的胞内环 3（ICL3）插入到 βArr1 中央嵴的腔中，与 βArr1 形成 “钩状” 结合，这与以往经典的 “核心结合” 构型截然不同。在这种构型下，NTSR1 的 ICL3 - TM6 和 TM1 - ICL1 区域发生了显著的构象变化，这种变化阻碍了 GRK 或 G 蛋白的结合，形成了一种特异性针对 β-arrestin 的受体构象。
4. 环结合构型的结构基础：在复合物 1 中，NTSR1 与 βArr1 的相互作用涉及两个主要界面。ICL3 形成的发夹状环深入 βArr1 中央嵴的腔中，与 βArr1 的多个氨基酸残基通过静电相互作用和氢键紧密结合。ICL1 与 βArr1 的套索环也形成了多个氢键。这些相互作用共同构成了 “环结合” 构型的结构基础，突变这些关键界面残基会导致 SBI-553 介导的 NTSR1 的 βArr1 偏向性信号传导减弱。
5. 磷酸化 NTSR1 C 尾与 βArr1 的结合：除了跨膜结构域的胞内区域与 βArr1 结合外，NTSR1 的 C 尾也与 βArr1 的 N 叶结合。C 尾上 T⁴⁰⁷/S⁴⁰⁹/S⁴¹⁰的三个磷酸基团与 βArr1 N 叶凹槽中的多个赖氨酸和精氨酸残基通过电荷互补相互作用结合，这种结合模式与人类 V2 血管加压素受体（V2R）的 C 尾肽与 βArr1 的结合模式有相似之处，但也存在差异，表明多磷酸化 GPCR C 尾与 arrestin 的结合模式在截短肽和完整受体的背景下可能有所不同。
6. βArr1 与 NTSR1 结合的构象可塑性：有趣的是，复合物 3 呈现出传统的核心结合构型，βArr1 通过中央嵴的指状环与 NTSR1 的胞内跨膜腔和 ICL 区域广泛结合。SBI-553 在复合物 3 中的位置与复合物 1 和 2 相同，但它与 βArr1 的相互作用有所不同，导致 βArr1 的指状环位置下移。尽管如此，SBI-553 并不妨碍 βArr1 与 NTSR1 的结合，只是复合物 3 中 βArr1 与 NTSR1 的相互作用界面面积比复合物 1 小，这表明 SBI-553 与 arrestin 结合具有兼容性，且存在核心结合和环结合两种构型，体现了 βArr1 与 NTSR1 结合的高度构象可塑性。

研究结论与讨论：开启 GPCR 靶向治疗新篇章

这项研究首次揭示了 GPCR 在结合 BAM 状态下与 β-arrestin 的相互作用机制，为理解 BAMs 调节 GPCR - arrestin 相互作用和偏向性信号传导提供了重要的结构框架。研究发现的 “环结合” 构型是一种全新的 arrestin 与 GPCR 结合模式，这种构型依赖于 SBI-553 的结合，为解释 SBI-553 的偏向性激动作用提供了关键线索。

SBI-553 作为 NTSR1 的 arrestin 偏向性变构调节剂，能够诱导 NTSR1 形成高亲和力、β-arrestin 选择性的受体构象，促进 β-arrestin 的招募，从而实现对受体信号的精准调控。这一发现不仅加深了我们对 GPCR 生物学的理解，更为 GPCR 靶向治疗药物的设计和开发提供了新的思路和方向。

然而，目前对于这种 “环结合” 构型是否是 arrestin - BAMs 作用于 GPCRs 的普遍现象，还需要进一步研究。不同的变构调节剂可能具有不同的作用机制，未来需要对更多的 BAMs 进行深入研究，以全面了解它们调节 GPCR 结构和信号传导的方式，推动 GPCR 靶向治疗领域的不断发展。