基于GPCRs变构信号因果机制开发结构特异性可切换效应分子的创新策略

本研究针对GPCRs( G蛋白偶联受体)药物开发中因正构位点保守性导致的靶向性难题，创新性地运用SBSMMA(基于结构的统计力学变构模型)系统解析280种GPCRs的变构通讯图谱，首次实现GLP1R(胰高血糖素样肽-1受体)激动剂-拮抗剂配对分子的定向设计，并通过AlloMAPS数据库公开单残基分辨率变构信号数据，为"难成药"GPCR靶点开发提供了兼具结构特异性和功能可调性的变构药物设计新范式。

　　

在生命科学和医学领域，G蛋白偶联受体(GPCRs)家族作为最大的膜蛋白家族，参与调控从感官知觉到免疫应答等几乎所有生理过程。这类受体不仅是约三分之一上市药物的作用靶点，更是治疗心血管疾病、代谢综合征和精神障碍等重大疾病的关键突破口。然而令人遗憾的是，由于GPCRs正构位点(orthosteric sites)的高度结构保守性，超过半数具有治疗潜力的GPCRs至今仍缺乏临床前候选药物，被冠以"难成药靶点"的称号。更棘手的是，针对保守正构位点开发的药物常因脱靶效应导致严重毒副作用，这一困境在化学趋化因子受体和B1类肽激素受体中尤为突出。

为破解这一难题，来自新加坡生物信息研究所的研究团队在《Journal of Molecular Biology》发表了一项突破性研究。研究者创新性地从变构调节(allostery)这一自然进化赋予的精密调控机制入手，通过建立GPCRs变构通讯的定量模型，开发出能精确调控特定受体活性的"分子开关"。这项研究不仅系统绘制了GPCRs变构信号图谱，更实现了从基础理论到药物设计的跨越，为靶向"难成药"GPCRs提供了全新解决方案。

研究团队主要运用了三大关键技术：首先采用结构基础统计力学变构模型(SBSMMA)定量解析280个GPCRs的单残基变构调制(Δh_i
^(P)
)；其次通过Allosteric Probing Maps(APMs)技术系统筛查潜在变构位点；最后结合分子对接和定向设计协议(directed design protocol)进行变构效应分子优化。所有分析均基于AlphaFold预测的GPCR结构，并通过实验解析的晶体结构进行验证。

在"趋化因子受体家族变构信号的保守性与多样性"部分，研究揭示CCR1和CCR5虽共享典型七次跨膜结构，但ECL2(胞外环2)与ICL1/3(胞内环)间的变构通讯强度存在显著差异。通过23个趋化因子受体的平均变构信号图(ASM)，首次发现TM4区域在调控Gα(GA)结合位点动力学中的关键枢纽作用。这些发现为开发家族成员特异性药物提供了分子基础。

关于"ADRB2和GLP1R中配体的变构效应"，研究定量比较了激动剂ERC与拮抗剂TIM在β₂
肾上腺素受体(ADRB2)中的变构差异：ERC引起ICL2区0.4 kcal/mol的正向调制(Δh_GA
^(ERC)
)，而TIM仅产生0.1 kcal/mol的微弱响应。在GLP1R中，内源性激动剂GLP-1对GA位点的调控强度(0.7 kcal/mol)显著高于合成激动剂UK4(0.5 kcal/mol)，这种量化比较为理性设计变构药物提供了精确参数。

在"变构效应分子设计"章节，研究取得三大突破：基于已知配体位点开发出可切换的激动-拮抗对(如1-1与1-6)；通过APMs指导的从头设计获得结合新位点的效应分子(如2-1)；特别是针对GLP1R/GIPR这对同源受体，首次实现基于效能(efficacy-based)的特异性设计——化合物3-1在GLP1R中产生强变构信号(Δh_GA
^(3-1)
=0.8 kcal/mol)，而对GIPR几乎无影响，这种"选择性激活"特性完美规避了传统基于亲和力设计的脱靶风险。

这项研究通过建立GPCRs变构信号的全景图谱，开创了变构药物设计的新范式。其核心突破在于：首次将变构效应的因果关联量化呈现，开发出能精确调控信号方向的"分子开关"；建立的AlloMAPS数据库为领域研究提供宝贵资源；特别是针对GLP1R设计的可切换效应分子，为糖尿病/肥胖症治疗提供了同时调控多通路的新策略。这些发现不仅解决了GPCR药物开发中的特异性难题，更为复杂疾病的多靶点精准调控开辟了新途径，标志着变构药物设计从经验探索迈向理性计算的新纪元。