腺苷受体A3AR结合选择性配体的分子机制

　　

2024年4月16日，中国科学院上海药物研究所徐华强/蔡洪敏团队与谢欣团队在Nature Communications合作发表了题为“Cryo-EM structures of adenosine receptor A₃AR bound to selective agonists”的研究成果。本研究利用冷冻电镜技术解析了临床试验药物CF101 (商品名：Piclidenoson)和 CF102(商品名：Namodenoson）结合人源腺苷受体A₃AR偶联Gi蛋白复合物的结构，分辨率分别为3.3埃和3.2埃。这项研究展示了A₃AR的配体选择性、受体激活和Gi蛋白偶联机制，为设计高选择性和亲和力的腺苷受体亚型A₃AR激动剂提供结构基础。

G蛋白偶联受体的腺苷受体亚家族包含四种重要的亚型：A₁、A_2A、A_2B和A₃，这些受体在生物体内均被内源性配体腺苷所激活，介导一系列重要的生理和病理功能，如免疫调节、能量平衡、心脏功能以及神经保护等。尽管腺苷受体的内源性均是腺苷，但不同亚型的受体的组织分布、表达水平、对配体的结合力、介导的下游信号分子均有所不同，产生了不同的生理效应。

2022年，蒋轶/徐华强/谢欣团队在Cell Discovery发表题为“Structures of adenosine receptor A_2BR bound to endogenous and synthetic agonists”的研究成果，揭示了腺苷受体亚型A_2B结合内源性配体腺苷和选择性激动剂小分子（BAY 60-6583）的分子机制。至此，腺苷受体亚型A₁、A_2A和A_2B的结构已被成功解析，A₃AR是最后一个结构未知的亚型。腺苷受体亚型序列相似性高，配体口袋的氨基酸保守性高，了解不同亚型的腺苷受体结构有助于开发亚型特异性结合的选择性配体。

A₃AR广泛表达在人体的大脑、心脏、肺、肝脏、肾脏以及免疫细胞等多种组织细胞中。A₃AR不仅参与调节心脏功能、血管舒张，还具备抑制炎症、防止缺血再灌注损伤以及抑制氧化应激等多重功能。此外，A₃AR在多种肿瘤细胞中高表达，有望成为癌症治疗的靶点，展现了较大的应用潜力和治疗前景。CF101和CF102同为A₃AR的高亲和力激动剂，两种小分子在临床试验中展现出较好的效果，CF101在银屑病和自身免疫性疾病类风湿性关节炎的治疗中有效，而氯代小分子CF102则用于治疗肝细胞癌和非酒精性脂肪性肝炎。

本项研究表明，A₃AR具有腺苷受体家族高度保守的配体结合口袋，CF101和CF02均结合在受体的正构口袋中，主要通过其嘌呤基团与受体形成保守的相互作用。与内源性配体腺苷分子相比，选择性小分子具有修饰基团3-碘苄基，两个小分子在结合受体后呈现出不同的朝向。研究人员发现，受体的第三个胞外环ECL3对A₃AR的配体选择性和受体激活具有关键作用，其他腺苷受体亚型的骨架上引入A₃AR的ECL3，均获得了结合选择性配体CF101和CF102的能力。随后，研究人员又通过对腺苷受体家族配体结合口袋残基比对及结构分析，发现A₃AR具有一个由His^3.37，Ser^5.42和Ser^6.52残基共同组成的亚口袋，关键残基的突变使得A₃AR丧失结合选择性小分子CF101和CF102的能力。该研究成果帮助我们从结构的角度理解了A₃AR结合选择性小分子的机理，为腺苷家族受体亚型的选择性配体开发奠定了结构基础。

图1. A₃AR与选择性配体的复合物冷冻电镜结构及其配体选择性机制。

本研究的冷冻电镜数据在上海市高峰电镜中心收集。上海药物所蔡洪敏博士，郭世猛博士、徐有伟博士和硕士生孙珺为该论文的共同第一作者，徐华强研究员、谢欣研究员和蔡洪敏博士为该论文的共同通讯作者。该工作获得了包括国家自然科学基金委、科技部和中国科学院先导专项、上海市市级科技重大专项和中国博士后科学基金会等项目的资助。

全文链接: https://www.nature.com/articles/s41467-024-47207-6

（供稿部门：徐华强课题组）