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Nature | 张岩/章敏团队开发GPCR别构调节新范式

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G 蛋白偶联受体(GPCR)是人体内最大的膜蛋白家族,负责将细胞外的各种信号转导至细胞内,调控着广泛的生理过程。目前,绝大多数 GPCR 药物通过结合受体的正构位点(即天然配体结合处)发挥作用。然而,由于 GPCR 同一家族成员间正构位点高度保守,这类药物常因选择性不足导致副作用。此外,对于由受体功能缺失(LoF)突变引起的遗传性疾病,传统正构配体往往束手无策,留下了巨大的治疗空白。别构调节作为一种极具潜力的策略,通过靶向受体上不同于正构位点的区域来调控受体,有望克服上述局限。虽然自然界中存在如 RAMP、MRAP等跨膜蛋白可通过跨膜相互作用调节GPCR,但人工设计靶向GPCR跨膜结构域(TMD)的调节蛋白一直被视为蛋白质科学领域的“无人区”,其难点不仅在于要特异性结合受体指定跨膜表位,还要求所设计蛋白能够识别受体特定构象进而有效调节GPCR 的信号转导功能。

2026年2月16日,浙江大学张岩教授和章敏研究员团队在Nature杂志上发表文章De novo Design of GPCR Exoframe Modulators,打破了传统GPCR配体设计的思维定式,首次提出了“GPCR外骨骼蛋白(GEM)”这一全新概念。该文章在大年初一投稿,历时一年,在马年新年钟声敲响时正式上线。团队利用深度学习方法,成功从头设计了一系列能够靶向GPCR跨膜结构域的调节蛋白,这些GEM如同“外骨骼”一般,能特异性结合特定受体跨膜表面,稳定受体的特定构象,实现包括激动、拮抗和偏向性信号转导在内的多样化别构调节功能。尤其是设计出的“激动-正向别构调节剂”(ago-PAM),成功挽救了多种与疾病相关的多巴胺D1受体(D1R)功能缺失突变,为治疗GPCR相关基因缺陷相关疾病开辟了全新的途径。

为了实现针对GPCR跨膜区域的功能化蛋白设计,研究团队开发了一套基于 RFDiffusion、ProteinMPNN 和 AlphaFold2-multimer 的高精度设计流程。他们首先开发了“探针”算法,通过高通量产生单次跨膜螺旋骨架、设计序列和预测结合状态,分析了多巴胺 D1 受体(D1R)表面的潜在结合位点,发现TM1/2/4、TM3/4/5和TM5/6/7区域均适合单次跨膜螺旋蛋白结合。随后,针对这些不同的结合区域和受体功能状态,配合 ProteinMPNN-AlphaFold2 (MPNN-AF2)重折叠进行序列-结构共设计,利用类似于“幻觉”(hallucination-like)的迭代优化方案,分别进行GEM 设计。

为了控制GEM的靶向位置和功能,研究团队在迭代优化过程中引入了三种“结构提示”(Structural Prompting)策略:“位点导向插入”、“位点阻断预占”和“构象诱导”,其中位点导向插入可通过将 GEM 序列插入受体指定区域以限制可能的靶向区域;位点阻断预占通过在迭代优化过程加入已设计的高置信度 GEM占据非预期位置,避免当前设计“脱靶”并聚焦预期位置进行设计;构象诱导通过在结构预测中加入 G 蛋白和激活态结构模板,引导迭代优化中针对受体激活状态进行优化。

最终,在迭代优化和结构提示策略的基础上,获得了四种具有不同结合模式与功能的 GEM:锚定型(Anchor)、偏向别构型(BAM)、负向别构型(NAM)和激动-正向别构型(ago-PAM)。

图 GEM从头设计流程与结构提示策略

随后,研究团队对GEM 的功能进行了药理学实验验证并使用冷冻电镜解析了四种 GEM 与 D1R 结合的高分辨率结构,全面揭示了“外骨骼”调控受体的作用机制:

1.GEManchor(锚定型):结合在TM1/2/4区域,与受体形成广泛疏水相互作用,但不影响受体功能;

2.GEMBAM(偏向别构型):靶向TM3/4/5区域,意外地展现出偏向性信号调节能力,在几乎不影响G蛋白(cAMP)信号的同时,显著抑制β-arrestin信号,为开发高选择性、低副作用的偏向性调节蛋白提供了潜在参考;

3.GEMNAM(负向别构型):特异性结合于非活性态受体的TM5/6/7区域,结构研究显示其限制了激活所必需的TM6螺旋向外摆动,从而高效阻断了下游信号转导,表现出极强的负向别构调节活性。

4.GEMago-PAM(激动-正向别构型):基于“构象诱导”策略设计,它能够像“钳子”一样精准钳制并稳定受体 TM6 外移的活性构象。功能实验表明,它表现出强大的直接激动活性,不仅能激活正常的野生型受体,还可能克服遗传突变造成的障碍,从而成为挽救受体功能缺失突变体的潜在有效手段。

冷冻电镜解析的复合物结构与设计的结构高度一致(RMSD低至1.0 Å),验证了该设计方法的极高精确度。此外,研究还展示了 GEM 的模块化潜力,多个 GEM 可以像乐高积木一样同时结合在一个受体上,并通过类似“逻辑门”的形式重编程受体的信号输出。

值得一提的是,该研究展示了 GEM 在治疗应用上的巨大潜力。目前已鉴定出4000 余种GPCR功能缺失突变(LoF)与数百种遗传疾病的发生发展直接相关(数据来源:GPCRdb),部分受体的功能缺失突变会引发包括特定亚型帕金森病、遗传性肥胖症等疾病。实验结果表明,GEMago-PAM 能够直接作用于受体跨膜域,通过帮助稳定受体的活性构象,成功恢复了包括 T37K(与婴儿帕金森肌张力障碍相关)在内的多种 D1R 突变体的信号转导功能。这种通过“外部加固”修复受体功能的作用机制,为传统小分子难以攻克的基因缺陷相关疾病提供了有效策略,表明GEM 不仅是一种强大的药理学工具,更代表了一种针对膜蛋白的全新药物模态。

图 使用GEM 进行LoF突变体拯救

总的来说,该研究提出并验证了“GPCR外骨骼蛋白”这一概念,不仅通过高通量“探针”算法揭示了GPCR表面未被探索的别构位点,更建立了一套通用的膜蛋白别构调节剂从头设计平台。通过AI设计靶向受体跨膜结构域的蛋白质,为解决传统小分子药物难以攻克的 GPCR 功能缺失性疾病提供了治疗策略。“外骨骼蛋白”不仅是一种强大的药理学工具,也标志着在攻克复杂基因缺陷相关疾病的征途中迈出了关键一步,展现了其作为GPCR等膜蛋白新型调控手段的巨大潜力。

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

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