G 蛋白偶聯(lián)受體（GPCR）是人體內(nèi)最大的膜蛋白家族，負(fù)責(zé)將細(xì)胞外的各種信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)至細(xì)胞內(nèi)，調(diào)控著廣泛的生理過程。目前，絕大多數(shù) GPCR 藥物通過結(jié)合受體的正構(gòu)位點(diǎn)（即天然配體結(jié)合處）發(fā)揮作用。然而，由于 GPCR 同一家族成員間正構(gòu)位點(diǎn)高度保守，這類藥物常因選擇性不足導(dǎo)致副作用。此外，對(duì)于由受體功能缺失（LoF）突變引起的遺傳性疾病，傳統(tǒng)正構(gòu)配體往往束手無策，留下了巨大的治療空白。別構(gòu)調(diào)節(jié)作為一種極具潛力的策略，通過靶向受體上不同于正構(gòu)位點(diǎn)的區(qū)域來調(diào)控受體，有望克服上述局限。雖然自然界中存在如 RAMP、MRAP等跨膜蛋白可通過跨膜相互作用調(diào)節(jié)GPCR，但人工設(shè)計(jì)靶向GPCR跨膜結(jié)構(gòu)域（TMD）的調(diào)節(jié)蛋白一直被視為蛋白質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域的“無人區(qū)”，其難點(diǎn)不僅在于要特異性結(jié)合受體指定跨膜表位，還要求所設(shè)計(jì)蛋白能夠識(shí)別受體特定構(gòu)象進(jìn)而有效調(diào)節(jié)GPCR 的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)功能。

2026年2月16日，浙江大學(xué)張巖教授和章敏研究員團(tuán)隊(duì)在Nature雜志上發(fā)表文章De novo Design of GPCR Exoframe Modulators，打破了傳統(tǒng)GPCR配體設(shè)計(jì)的思維定式，首次提出了“GPCR外骨骼蛋白（GEM）”這一全新概念。該文章在大年初一投稿，歷時(shí)一年，在馬年新年鐘聲敲響時(shí)正式上線。團(tuán)隊(duì)利用深度學(xué)習(xí)方法，成功從頭設(shè)計(jì)了一系列能夠靶向GPCR跨膜結(jié)構(gòu)域的調(diào)節(jié)蛋白，這些GEM如同“外骨骼”一般，能特異性結(jié)合特定受體跨膜表面，穩(wěn)定受體的特定構(gòu)象，實(shí)現(xiàn)包括激動(dòng)、拮抗和偏向性信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)在內(nèi)的多樣化別構(gòu)調(diào)節(jié)功能。尤其是設(shè)計(jì)出的“激動(dòng)-正向別構(gòu)調(diào)節(jié)劑”（ago-PAM），成功挽救了多種與疾病相關(guān)的多巴胺D1受體（D1R）功能缺失突變，為治療GPCR相關(guān)基因缺陷相關(guān)疾病開辟了全新的途徑。

為了實(shí)現(xiàn)針對(duì)GPCR跨膜區(qū)域的功能化蛋白設(shè)計(jì)，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一套基于 RFDiffusion、ProteinMPNN 和 AlphaFold2-multimer 的高精度設(shè)計(jì)流程。他們首先開發(fā)了“探針”算法，通過高通量產(chǎn)生單次跨膜螺旋骨架、設(shè)計(jì)序列和預(yù)測(cè)結(jié)合狀態(tài)，分析了多巴胺 D1 受體（D1R）表面的潛在結(jié)合位點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)TM1/2/4、TM3/4/5和TM5/6/7區(qū)域均適合單次跨膜螺旋蛋白結(jié)合。隨后，針對(duì)這些不同的結(jié)合區(qū)域和受體功能狀態(tài)，配合 ProteinMPNN-AlphaFold2 （MPNN-AF2）重折疊進(jìn)行序列-結(jié)構(gòu)共設(shè)計(jì)，利用類似于“幻覺”（hallucination-like）的迭代優(yōu)化方案，分別進(jìn)行GEM 設(shè)計(jì)。

為了控制GEM的靶向位置和功能，研究團(tuán)隊(duì)在迭代優(yōu)化過程中引入了三種“結(jié)構(gòu)提示”（Structural Prompting）策略：“位點(diǎn)導(dǎo)向插入”、“位點(diǎn)阻斷預(yù)占”和“構(gòu)象誘導(dǎo)”，其中位點(diǎn)導(dǎo)向插入可通過將 GEM 序列插入受體指定區(qū)域以限制可能的靶向區(qū)域；位點(diǎn)阻斷預(yù)占通過在迭代優(yōu)化過程加入已設(shè)計(jì)的高置信度 GEM占據(jù)非預(yù)期位置，避免當(dāng)前設(shè)計(jì)“脫靶”并聚焦預(yù)期位置進(jìn)行設(shè)計(jì)；構(gòu)象誘導(dǎo)通過在結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)中加入 G 蛋白和激活態(tài)結(jié)構(gòu)模板，引導(dǎo)迭代優(yōu)化中針對(duì)受體激活狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化。

最終，在迭代優(yōu)化和結(jié)構(gòu)提示策略的基礎(chǔ)上，獲得了四種具有不同結(jié)合模式與功能的 GEM：錨定型（Anchor）、偏向別構(gòu)型（BAM）、負(fù)向別構(gòu)型（NAM）和激動(dòng)-正向別構(gòu)型（ago-PAM）。

圖 GEM從頭設(shè)計(jì)流程與結(jié)構(gòu)提示策略

隨后，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)GEM 的功能進(jìn)行了藥理學(xué)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證并使用冷凍電鏡解析了四種 GEM 與 D1R 結(jié)合的高分辨率結(jié)構(gòu)，全面揭示了“外骨骼”調(diào)控受體的作用機(jī)制：

1.GEManchor（錨定型）：結(jié)合在TM1/2/4區(qū)域，與受體形成廣泛疏水相互作用，但不影響受體功能；

2.GEMBAM（偏向別構(gòu)型）：靶向TM3/4/5區(qū)域，意外地展現(xiàn)出偏向性信號(hào)調(diào)節(jié)能力，在幾乎不影響G蛋白（cAMP）信號(hào)的同時(shí)，顯著抑制β-arrestin信號(hào)，為開發(fā)高選擇性、低副作用的偏向性調(diào)節(jié)蛋白提供了潛在參考；

3.GEMNAM（負(fù)向別構(gòu)型）：特異性結(jié)合于非活性態(tài)受體的TM5/6/7區(qū)域，結(jié)構(gòu)研究顯示其限制了激活所必需的TM6螺旋向外擺動(dòng)，從而高效阻斷了下游信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，表現(xiàn)出極強(qiáng)的負(fù)向別構(gòu)調(diào)節(jié)活性。

4.GEMago-PAM（激動(dòng)-正向別構(gòu)型）：基于“構(gòu)象誘導(dǎo)”策略設(shè)計(jì)，它能夠像“鉗子”一樣精準(zhǔn)鉗制并穩(wěn)定受體 TM6 外移的活性構(gòu)象。功能實(shí)驗(yàn)表明，它表現(xiàn)出強(qiáng)大的直接激動(dòng)活性，不僅能激活正常的野生型受體，還可能克服遺傳突變?cè)斐傻恼系K，從而成為挽救受體功能缺失突變體的潛在有效手段。

冷凍電鏡解析的復(fù)合物結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)高度一致（RMSD低至1.0 ?），驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方法的極高精確度。此外，研究還展示了 GEM 的模塊化潛力，多個(gè) GEM 可以像樂高積木一樣同時(shí)結(jié)合在一個(gè)受體上，并通過類似“邏輯門”的形式重編程受體的信號(hào)輸出。

值得一提的是，該研究展示了 GEM 在治療應(yīng)用上的巨大潛力。目前已鑒定出4000 余種GPCR功能缺失突變（LoF）與數(shù)百種遺傳疾病的發(fā)生發(fā)展直接相關(guān)（數(shù)據(jù)來源：GPCRdb），部分受體的功能缺失突變會(huì)引發(fā)包括特定亞型帕金森病、遺傳性肥胖癥等疾病。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，GEMago-PAM 能夠直接作用于受體跨膜域，通過幫助穩(wěn)定受體的活性構(gòu)象，成功恢復(fù)了包括 T37K（與嬰兒帕金森肌張力障礙相關(guān)）在內(nèi)的多種 D1R 突變體的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)功能。這種通過“外部加固”修復(fù)受體功能的作用機(jī)制，為傳統(tǒng)小分子難以攻克的基因缺陷相關(guān)疾病提供了有效策略，表明GEM 不僅是一種強(qiáng)大的藥理學(xué)工具，更代表了一種針對(duì)膜蛋白的全新藥物模態(tài)。

圖 使用GEM 進(jìn)行LoF突變體拯救

總的來說，該研究提出并驗(yàn)證了“GPCR外骨骼蛋白”這一概念，不僅通過高通量“探針”算法揭示了GPCR表面未被探索的別構(gòu)位點(diǎn)，更建立了一套通用的膜蛋白別構(gòu)調(diào)節(jié)劑從頭設(shè)計(jì)平臺(tái)。通過AI設(shè)計(jì)靶向受體跨膜結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)，為解決傳統(tǒng)小分子藥物難以攻克的 GPCR 功能缺失性疾病提供了治療策略?！巴夤趋赖鞍住辈粌H是一種強(qiáng)大的藥理學(xué)工具，也標(biāo)志著在攻克復(fù)雜基因缺陷相關(guān)疾病的征途中邁出了關(guān)鍵一步，展現(xiàn)了其作為GPCR等膜蛋白新型調(diào)控手段的巨大潛力。

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09957-1

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