FFA2受体结构解析：短链脂肪酸选择性识别与变构调控的分子机制

推荐语：日本东京大学等团队通过冷冻电镜技术解析了FFA2-Gi复合物与激动剂TUG-1375/4-CMTB及拮抗剂GLPG0974结合的三维结构，揭示了FFA2对短链脂肪酸（SCFAs）的选择性机制，发现GLPG0974通过变构位点1（allosteric site 1）抑制受体活性，而4-CMTB通过变构位点2（allosteric site 2）直接激活受体，为炎症性肠病和糖尿病等疾病的精准药物设计提供新靶点。

　　

短链脂肪酸（SCFAs）作为肠道菌群代谢产物，通过游离脂肪酸受体2（FFA2）调控免疫和代谢功能，是治疗炎症性肠病和糖尿病的潜在靶点。然而，FFA2如何选择性识别SCFAs，以及合成配体如何调控其活性的分子机制长期未明。日本东京大学Mai Kugawa、Kouki Kawakami联合多国团队在《Nature Communications》发表研究，首次解析了人源FFA2-G_i复合物与合成配体的高分辨结构，为开发靶向FFA2的精准药物奠定基础。

研究团队采用冷冻电镜（cryo-EM）技术，分别解析了FFA2与正构激动剂TUG-1375、变构激动剂/正向变构调节剂（PAM）4-CMTB形成的活性复合物（分辨率3.19 ?），以及与拮抗剂GLPG0974结合的失活状态结构（3.36 ?）。结合分子动力学模拟和突变功能实验，系统阐明了FFA2的配体识别与激活机制。

FFA2对短链脂肪酸的选择性机制
结构比较发现，FFA2与长链脂肪酸受体FFA1的配体结合口袋走向截然不同：TUG-1375的羧基朝向胞外溶剂区，而FFA1的配体TAK-875则平行于膜平面延伸。关键突变实验证实，将FFA2中TM3-TM4间的"门控残基"（F87^3.30/T142^4.58/I145^4.61）突变为丙氨酸后，受体可获得对棕榈酸（C16）的响应能力，说明配体进入通道的位置决定链长选择性。

变构拮抗剂GLPG0974的作用机制
意外发现GLPG0974并非结合正构位点，而是占据变构位点1（TM2/TM3/TM7交界区），通过诱导Y90^3.33构象变化间接阻断激动剂结合。其羧基不与R255^7.35形成盐桥，解释了临床候选药物GLPG0974独特的物种选择性——人类FFA2的K65^2.60与小鼠FFA2的R65^2.60存在空间位阻差异。

变构激动剂4-CMTB的双重功能
4-CMTB结合于TM6/TM7外侧的变构位点2，通过稳定TM6/7的活性构象发挥双重作用：作为独立激动剂时直接激活受体；作为PAM时增强内源性SCFAs（如丙酸）的效能。序列分析显示，L268^7.48是决定4-CMTB亚型选择性的关键残基，将FFA3中对应的V271^7.48突变为亮氨酸即可赋予其对4-CMTB的响应性。

受体激活的分子开关
结构比较揭示了FFA2独特的激活路径：TM7在激活时向外移动（而非典型GPCR的内移），为G蛋白结合创造空间。正构激动剂通过破坏Na⁺结合位点（D55^2.50/S96^3.39/N265^7.45/D269^7.49）和重构TM6-TM7间相互作用网络（如K65^2.60-F89^3.32阳离子-π作用）驱动构象变化。

该研究首次绘制了FFA2从失活到激活的完整构象图谱，提出"极性头部向内"（polar-in）GPCR的通用激活模型。发现的变构位点2（allosteric site 2）为设计高选择性GPCR调节剂提供了新思路，而工程化改造的FFA2/FFA3嵌合体为研究受体进化提供了工具。鉴于FFA2在溃疡性结肠炎和代谢疾病中的核心作用，这项工作为开发针对变构位点的下一代药物开辟了道路。