G 蛋白偶聯(lián)受體（ GPCR ）是細(xì)胞膜上的 “ 信號(hào)兵 ” ，負(fù)責(zé)將外界信號(hào)轉(zhuǎn)化為細(xì)胞內(nèi)的生理反應(yīng)。其中， Apelin 受體（ APLNR ）被譽(yù)為心血管疾病、肥胖和肌肉衰減癥等領(lǐng)域極具潛力的藥物靶點(diǎn)。然而， APLNR 具有 多變的聚合形式 ， 時(shí)而 “ 孤軍奮戰(zhàn) ” （單體），時(shí)而 “ 成雙成對(duì) ” （二聚體） ，從而 引發(fā)的復(fù)雜信號(hào)通路，長(zhǎng)期以來(lái) 成為 靶 向藥物 開(kāi)發(fā)的主要障礙。這些不同的聚合形式 是相互轉(zhuǎn)變還是各自獨(dú)立地 介 導(dǎo)下游信號(hào) 轉(zhuǎn)導(dǎo) ？它們?cè)诩せ钸^(guò)程中如何動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)變（圖1）？這些問(wèn)題如同鎖住的密碼箱，制約著精準(zhǔn)藥物設(shè)計(jì)。 只有深入理解藥物靶標(biāo)的作用機(jī)制，解析藥物靶點(diǎn)的原子密碼，幫助我們理解疾病病理過(guò)程中 GPCR 不同聚合形式動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，才能進(jìn)行精準(zhǔn)藥物設(shè)計(jì)。

圖 1 APLNR 單體與二聚體激活過(guò)程是相互轉(zhuǎn)變或是各自獨(dú)立 介 導(dǎo)下游信號(hào)的示意圖

繼 2024 年在Cell雜志上成功設(shè)計(jì)出絕對(duì) G 蛋白信號(hào)選擇性的 APLNR 激動(dòng)劑（） ， 為改善心肌肥厚提供全新策略之后，浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院張巖教授團(tuán)隊(duì)再次取得新進(jìn)展。近日，該團(tuán)隊(duì)在 Nature Communications 上發(fā)表最新研究成果，題為 Dynamic Monomer-Dimer Transition in Ligand-induced Apelin Receptor Activation 。這項(xiàng)研究為APLNR靶點(diǎn)藥物開(kāi)發(fā)提供了不同聚合形式動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)變機(jī)制上的全新見(jiàn)解，從原子層面破解了受體“變形記”的密碼。

捕捉受體的 “ 千姿百態(tài) ” ： 12 種 組裝體 構(gòu)象全景式解析

APLNR 形態(tài)多變：?jiǎn)误w或二聚體，靜息或激活，有或無(wú) G 蛋白 結(jié)合 。為看清它的變化，張巖團(tuán)隊(duì)用冷凍電鏡拍下 12 張 “ 高清快照 ”（圖2），從無(wú)配體靜息態(tài)、小分子激動(dòng)劑 AMG986 或 納米抗體激動(dòng)劑 JN241-9 結(jié)合中間態(tài)，到 G 蛋白結(jié)合全激活態(tài)，首次全景式揭示了單體與二聚體的動(dòng)態(tài)演變軌跡。

圖 2 不同狀態(tài)下單體與二聚體 APLNR 的電鏡密度圖

三大發(fā)現(xiàn) 揭開(kāi) APLNR 單體 - 二聚體動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)變的奧秘

發(fā)現(xiàn) 一 ：二聚體與單體，信號(hào) “ 偏好 ” 各不同

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)功能實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，盡管 APLNR 的二聚體和單體在激活 G 蛋白的能力上相差無(wú)幾，但在激活 β- arrestin （與心肌肥厚副作用相關(guān) 的信號(hào)通路 ）時(shí)，單體形式表現(xiàn)出比 二聚體形式更高的效 力 。這意味著，受體是以 “ 單身 ” 還是 “ 成對(duì) ” 的形式存在，直接影響了下游信號(hào)的選擇性，也解釋了為何此前開(kāi)發(fā)的某些激動(dòng)劑會(huì)帶來(lái)心肌肥厚的副作用 —— 它們可能更容易促使受體以單體形式存在。

發(fā)現(xiàn)二： G 蛋白 偶聯(lián) 是推動(dòng)二聚體解離的 “ 關(guān)鍵推手 ”

在缺乏 G 蛋白的情況下， APLNR 主要以二聚體形式存在 ， 然而，當(dāng)引入 G 蛋白后，情況發(fā)生了逆轉(zhuǎn)： 單體 -G 蛋白復(fù)合物的數(shù)量遠(yuǎn)超二聚體 -G 蛋白復(fù)合物 。這說(shuō)明， G 蛋白的 結(jié)合極 大地促進(jìn)了二聚體解離為單體。進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)比對(duì)揭示了背后的機(jī)制 ： G 蛋白結(jié)合時(shí)會(huì)與 protB 發(fā)生結(jié)構(gòu) “ 碰撞 ” ，迫使 protB “ 讓位 ” 并解離，從而形成更穩(wěn)定的單體 –G 蛋白復(fù)合物 —— 后者的結(jié)合界面更為緊密（ 接觸 面積 1213 ?2 vs. 二聚體中的 917.7 ?2 ），這也解釋了為何單體復(fù)合物是激活終態(tài)的優(yōu)勢(shì)選擇。與此同時(shí)，在完全激活態(tài)中仍能捕捉到少量二聚體 –G 蛋白復(fù)合物，這可能是 G 蛋白與 protB 同時(shí)發(fā)生旋轉(zhuǎn)、在空間上彼此 “ 妥協(xié) ” 的結(jié)果（圖3）。

圖 3 不同配體激活 APLNR 的過(guò)程中單體與二聚動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)變的模式圖

（箭頭粗細(xì)代表構(gòu)象的占比）

發(fā)現(xiàn)三：不同配體 激活時(shí) ， 致二聚體 “ 預(yù)解離 ” 能力 強(qiáng)弱有別

這是本研究最令人興奮的發(fā)現(xiàn)之一 ， 強(qiáng)效小分子激動(dòng)劑 AMG986 無(wú)需 G 蛋白 ， 就能 主動(dòng)誘導(dǎo) 二聚體中的一個(gè)單體（ protB ）提前 “ 熱身 ” ， 使其 TM6 向外打開(kāi)（圖3）， 二聚體界面變得松散，做好 “ 分家 ” 的準(zhǔn)備。相比之下， JN241-9 則 “ 溫和 ” 得多 ， 在缺乏 G 蛋白時(shí)，它雖然能結(jié)合受體，但無(wú)法誘導(dǎo) TM6 的打開(kāi)， 受體仍 維持在非活性構(gòu)象。只有當(dāng) G 蛋白出現(xiàn)時(shí)， JN241-9 結(jié)合的二聚體才會(huì)發(fā)生解離。

簡(jiǎn)言之，配體自身就已決定了二聚體的 “ 分家 ” 傾向。 AMG986 主動(dòng)拆解， JN241-9 被動(dòng)等待。這一差異， 結(jié)合下游信號(hào)選擇性功能實(shí)驗(yàn)， 解釋了為何 更 強(qiáng)效配體往往伴隨更強(qiáng)的 β arrestin 活性和副作用，也為設(shè)計(jì) “ 恰到好處 ” 的偏向性激動(dòng) 劑提供 了分子藍(lán)圖。

本工作還進(jìn)一步揭示了以下關(guān)鍵機(jī)制 ：

1. 直觀(guān)展示二聚體 “ 漸行漸遠(yuǎn) ” 的動(dòng)態(tài)過(guò)程 ：通過(guò)多狀態(tài)結(jié)構(gòu)比對(duì)和冷凍電鏡顆粒統(tǒng)計(jì)，首次量化了激活過(guò)程中單體與二聚體的比例變化，給出了動(dòng)態(tài)平衡的定量描述， 并且 闡明了 動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)變 背后的分子機(jī)制。

2. 明確提出 “ 配體依賴(lài)的二聚體預(yù)解離 ” 概 念： 揭示 了 不同配體誘導(dǎo) 二聚體預(yù) 解 離趨勢(shì) 的差異及其結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

3. 精確搭建 二聚界面 膽固醇 的位置與數(shù)量 ：研究者在二聚界面清晰 定位 了膽固醇分子 ，并 初步探究表明，這些膽固醇 簇 如同 “ 減震海綿 ” ，在穩(wěn)定二聚體結(jié)構(gòu)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用 ， 為通過(guò)干預(yù)脂質(zhì)微環(huán)境來(lái)調(diào)控受體聚合狀態(tài)提供了全新視角。

這項(xiàng)研究把APLNR從單體到二聚體、從靜息到激活的“變形”過(guò)程一一定格，深刻揭示了受體不同聚合形式如何動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)變以精細(xì)調(diào)控下游信號(hào)，闡明了G蛋白作為二聚體解離“關(guān)鍵推手”的核心機(jī)制，并首次揭示了配體本身在決定二聚體命運(yùn)中的關(guān)鍵作用。這些發(fā)現(xiàn)對(duì)于 靶向 APLNR 藥物研發(fā)具有直接指導(dǎo)意義：一味追求高親和力、高效能的激動(dòng) 劑可能 并非最佳策略，需要綜合考慮配體對(duì)受體聚合狀態(tài)的影響，尋求 G 蛋白信號(hào)與 β- arrestin 信號(hào)之間的最佳平衡。

https://www.nature.com/articles/s41467-026-71325-y

制版人： 十一

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