胆汁酸是一类由肝细胞产生,并由胆管分泌到肠道的两亲性代谢产物，在消化过程中对人体摄入的脂肪有重要的乳化作用。肝脏生成的两种初级胆酸可由肠道菌群进一步代谢为多种次级胆酸,对代谢和炎症相关的生理过程有重要的调节作用。胆汁酸及其受体为核心构成的肝脏-胆汁酸-肠道菌群信号转导轴，是近期生物医学研究的热点之一。
最近研究表明，许多天然胆汁酸及其衍生物对原发性胆汁性性胆管炎(PBC)、非酒精性脂肪性肝炎(NASH)、和II型糖尿病等疾病有治疗作用。在生物体内，胆汁酸主要通过激活膜受体（GPBAR/TGR5）和核受体FXR发挥作用。GPBAR是G蛋白偶联受体（GPCR），胆汁酸的许多有益作用可归因于GPBAR与Gs信号途径，如降血糖作用，促白色脂肪细胞组织褐化，对抗脂肪变性等。最新研究也表明，胆汁酸可激活GPBAR与β-arrestin的相互作用, 并介导抗病毒的天然免疫反应。然而，GPBAR激活导致的胆囊肥大及皮肤搔痒等副作用也影响了靶向该受体的新药研发。因此，从分子层面解析GPBAR如何识别不同胆汁酸并偏向性激活下游通路的机制，对GPBAR生理功能的理解及靶向该受体的新药研发具有重大意义。
2020年7月22日，浙江大学基础医学院张岩研究员团队、中科院上海药物研究所谢欣研究员团队以及山东大学基础医学院的于晓教授和孙金鹏教授团队通力合作在Nature以Article的形式在线发表了研究论文：“Structural basis of GPBAR activation and bile acid recognition”，首次利用单颗粒冷冻电镜重构技术解析了胆汁酸受体GPBAR在合成配体P395以及胆汁酸类似物INT-777作用下与Gs蛋白三聚体形成的复合物的高分辨率结构，明确了GPBAR对两亲性配体的识别机制；揭示了GPBAR识别多种胆汁酸的指纹图谱；鉴定了天然胆汁酸结合受体的别构位点；阐明了GPBAR非经典激活机制以及受体第三个胞内环的重要功能；同时还探究了不同配体介导受体下游信号偏向性的结构基础。
本研究对肝肠轴的信号转导机制研究，以及GPCR的激活过程等都将有广泛的影响。 具体发现包括：
(1) 本研究首次揭示两亲性代谢产物是如何被GPBAR识别并发挥作用的。GPBAR的配体结合口袋中由第五个螺旋及两个胞外环来构成疏水侧面，从而面对胆汁酸的疏水一面，而胆汁酸的另一个亲水结合面则朝向螺旋6和7之间的亲水氨基酸集团，形成特异性的相互作用。
图一：GPBAR与G蛋白三聚体复合物结构，两个结构的分辨率均为3.0。a:小分子化合物P395作用下GPBAR与G蛋白三聚体的复合物结构。b:内源性配体INT-777作用下GPBAR与G蛋白三聚体的复合物结构。
(2) 阐明了胆汁酸受体对多种不同胆汁酸识别的指纹图谱。研究通过对内源性胆汁酸类似物INT-777与GPBAR的结合模式的分析，以及内源性配体CA、DCA、DCA、LCA、TCA、GCA、TDCA、UDCA和TUDCA的配体结合，生化及药理学分析，找到了GPBAR识别不同胆汁酸的指纹图谱。这为深入理解胆汁酸的作用机理以及针对于GPBAR的药物设计提供了理论基础。
图二：受体识别内源性胆汁酸的结构指纹图谱
(3) 发现了胆汁酸在受体上的别构调控位点。团队成员通过电镜结构解析，发现GPBAR受体TM3-5附近存在配体第二个结合口袋。通过对内源性配体的结构及生化数据分析，发现10种胆汁酸中的5个具有12-OH的胆汁酸可以结合在该位点上，并别构调控胆汁酸受体激活的过程。这为理解胆汁酸如何作用于其膜受体的生理过程，以及发展和开发别构位点的小分子药物提供理论基础。
图三：GPBAR受体的第二个配体结合口袋。a: 电镜结构及生化实验验证GPBAR存在第二个配体结合口袋。b: 电镜结构及生化实验发现10种胆汁酸中的5个具有12-OH的胆汁酸可以结合在该位置，发挥别构调控作用。
(4) 最近的研究刚刚发现胆汁酸受体可以通过Arrestin偏好性途径调控不同的生理功能。偏向性配体的研究及开发是目前GPCR领域的一个热点，本研究应用的两个化合物具有不同的偏向性。通过对结构及生化数据的分析，发现GPBAR的ECL1，ECL3及ICL1是决定配体偏向性的结构基础，这为开发偏向性配体及药物的开发提供理论基础。
图四：GPBAR决定配体偏向性的结构基础。结构及生化实验发现 GPBAR的ECL1, ECL3 及ICL1 是主要调控配体偏向性的关键位置。
(5) 本研究明确提出了GPBAR不同于经典的受体激活机制与分子开关。此前“toggle switch”的结合和PIF基序的结构重排都被认为是大多数GPCR的共同机制。而对GPBAR而言，它的第六个跨膜螺旋（TM6）中虽然具有“toggle switch” W237氨基酸，但并不具备分子开关的功能；发挥分子开关功能的残基却是其上一个螺旋中的Y240。有趣的是，GPBAR的TM6与TM3的相互距离在所有已有结构报道的GPCR中最大，整个激活模式与结构重排都是一种全新的方式。这些新的发现扩展了人们对GPCR激活机制的认识。
图五：GPBAR独特的激活机制
(6) GPCR的第三个内环的功能大家一直不甚清楚。本研究观察到了受体完整清晰的第三个内环密度。首次发现了GPBAR受体的第三个胞内环（ICL3）可以和Gs蛋白特异性结合。并通过序列比对及生化实验发现，GPCR的ICL3与Gs的结合存在一类通用的规律，即这类GPCR受体可以通过ICL3偶联基序（R/KψXR/KXψXR）与Gs结合。这些研究阐明了此前尚未了解的GPCR-G蛋白的偶联的新机制。
综上，本研究不仅揭示了GPBAR参与胆汁酸识别和其别构效应的独特结构特征，而且阐明了GPCR超家族中配体结合口袋与G蛋白结合位点之间存在着新的激活及相互作用机制。考虑到GPBAR在代谢和免疫调节中的重要作用，GPBAR与激动剂的高分辨率结构以及这些新的发现将促进基于结构的药物设计。
据悉，山东大学基础医学院博士后杨帆、副教授肖鹏及博士郭璐璐、林婧宇、吴襄、浙江大学基础医学院博士后毛春友、明倩倩为共同第一作者；张岩研究员，于晓教授、谢欣研究员和孙金鹏教授为本论文共同通讯作者。
https://doi.org/10.1038/s41586-020-2569-1
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