​Nat Commun | 张健/孙金鹏/陆绍永合作发现GPCR隐式变构位点用于药物设计

变构调节（Allosteric regulation）是蛋白等生物大分子的天然属性，可通过分子结合到蛋白上的变构位点（空间上不同于蛋白底物功能位点，Allosteric site）来调控蛋白的功能活性。这类位点具有高度多样性，被结合后可诱导构象变化实现对蛋白功能进行上调或下调，实现对酶激动剂，高选择性抑制剂及蛋白间相互作用调节剂的设计，为解决众多难靶蛋白的创新药物发现提供了契机。然而，在当前已解析的蛋白晶体中，存在于表面的变构位点极为稀少，而更多在蛋白动态构象变化中短暂存在的隐式变构位点（Cryptic allosteric sites），由于在蛋白晶体结构中难以直接观察到，更是无法获得，严重阻碍了其在变构创新药物研发中的应用。

2021年8月5日，来自上海交通大学医学院、山东大学基础医学院和宁夏医科大学的张健、孙金鹏、陆绍永等合作在 Nature Communications杂志上发表题为Activation pathway of a G protein-coupled receptor uncovers conformational intermediates as targets for allosteric drug design的研究论文。该工作发展了识别隐式变构机制及位点的新策略，系统阐明了G-蛋白偶联受体(GPCR) 血管紧张素受体(AT₁R)协同的激活机制, 揭示了AT₁R受体从失活态活化态的激活过程中的关键中间态构象，识别AT₁R受体中间态构象中的隐藏变构位点，突变该隐藏变构位点可以变构地扰动下游G-蛋白和-arrestin信号。

首先，从失活态和激活态的AT₁R受体的晶体结构出发，他们识别了连接失活态和激活态之间的最小能量路径，并获得15个初始结构。基于这些构象，进行了大规模采样，定义了AT₁R受体激活的参数 (图1)，并根据激活参数绘制AT₁R受体激活过程的势能面。势能面显示在晶体获得的激活态和失活态之间比较稳定的中间态。接着，他们利用马尔科夫模型 (Markov state model，MSM) 进一步揭示了各个构象态之间转化的动力学性质，并基于MSM提取了代表性构象。

通过各个构象态代表性结构的比较，揭示从失活态激活态构象转变过程中关键氨基酸残基的微转换 (microswitch) 变化，如Y^5.58和Y^7.53的相互靠近，F^6.45逐渐地越过F^5.51的侧链等。进一步数据分析发现AT₁R受体在激活过程中，除了典型的TM5-TM7运动，还存在H8上移，正构位点与下游G-蛋白和-arrestin口袋联系增强等特点，为GPCR隐式变构位点的发现提供了机制基础。

图2：隐藏在中间态构象的变构位点P6的以及突变实验对P6的验证

进而，研究人员在这一变化中预测并验证了位于TM1-TM7和H8之间的P6位点 (F^1.48, L^1.52, I^1.57 N^7.49, P^7.50, F^7.55, K^8.49, F^8.50, K^8.51, Y^8.53, F^8.54) 是中间态独有的潜在变构位点。该P6位点在激活过程中随着H8的上移过程而出现，且能够影响下游G蛋白和β-arrestin信号（图2），说明其在AT₁R受体构象变化中的重要作用，也为全新类型的选择性AT₁R受体变构激动剂设计开辟了新的方向。

在本工作中，上海交通大学医学院张健教授、陆绍永教授、山东大学基础医学院孙金鹏教授为本文的共同通讯作者。生物医学科学专业本科生何欣恒 (现中科院上海药物研究所2020级直博生)、山东大学基础医学院杨照博士和周淑华硕士生为本文的共同第一作者。同时，该研究得到了上海宇道生物有限公司的AlloSTAR平台及上海交通大学医学院附属仁济医院心内科主任卜军教授的大力支持。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-021-25020-9