双靶点激动剂Tirzepatide通过分子动力学与蛋白-肽结合机制激活GLP-1R/GIPR的分子机制研究

本研究聚焦于GLP-1R/GIPR双靶点激动剂Tirzepatide的激活机制，通过分子动力学模拟揭示了其与受体结合的动态构象变化及偏向性结合模式，为代谢性疾病药物设计提供了理论依据。研究发现，GLP-1R的ECD结构域存在"闭合-开放"转变，TM1/TM7向螺旋束中心移动，且Tirzepatide的C端突变削弱GLP-1R结合，N端突变增强GIPR结合，这一发现为多靶点激动剂优化提供了新思路。

　　

在当今药物研发领域，G蛋白偶联受体(GPCRs)占据了约34%的靶点份额，其中B1类GPCRs如胰高血糖素样肽-1受体(GLP-1R)和葡萄糖依赖性促胰岛素多肽受体(GIPR)因其在代谢调控中的核心作用备受关注。然而，这类受体的激活机制长期笼罩在迷雾中，特别是近年来备受瞩目的双靶点激动剂Tirzepatide（LY3298176）——这个由39个氨基酸组成的线性肽段，携带着能延长半衰期的C20脂肪酸，如何在分子水平上同时作用于GLP-1R和GIPR，并展现出对GIPR更强的激活偏好性？这个谜题直接关系到2型糖尿病(T2D)、肥胖等代谢性疾病的治疗突破。

华东师范大学的研究团队在《International Journal of Biological Macromolecules》发表的研究中，运用冷冻电镜结构解析与分子动力学模拟相结合的策略，首次系统揭示了Tirzepatide的双重激活机制。研究团队选取了GLP-1R作为B类GPCRs的模型，通过对比受体在激活/非激活状态下的构象差异，结合长达微秒级的分子动力学模拟轨迹分析，绘制出了受体动态激活的分子图谱。关键技术包括：1）基于冷冻电镜解析的GLP-1R-Tirzepatide复合物结构；2）多副本分子动力学模拟（累计超过15μs）；3）结合自由能计算与残基相互作用分解分析；4）采用Ballesteros-Weinstein编号系统进行跨膜区比较。

【研究结果】

1. 稳定性分析显示：激活态的GLP-1R-Tirzepatide复合物(AGLP-T)骨架RMSD稳定在5?内，而内源性配体GLP-1结合的受体(AGLP-1)波动更大，提示Tirzepatide可能通过更稳定的结合模式调控受体。

2. 构象动态变化揭示：ECD区域呈现显著的"闭合-开放"转变，这与经典的"两域结合"模型一致。特别发现TM1和TM7向螺旋束中心移动10-12?，ECL1的W187残基发生平面翻转，这些特征与A类GPCRs激活机制惊人相似。

3. 结合特性研究发现：Tirzepatide的保守残基以相似方式结合GLP-1R和GIPR，但非保守残基突变导致结合偏好性——C端突变削弱GLP-1R结合达30%，而N端突变使GIPR结合自由能降低2.3 kcal/mol，这解释了其"不平衡双激动剂"的药理学特性。

【结论与意义】
该研究首次在原子尺度描绘了Tirzepatide激活GLP-1R/GIPR的动态过程，揭示了三个关键机制：1）B类GPCRs可能通过类似A类的TM1/TM7内移机制激活；2）ECD构象变化作为激活"开关"；3）肽段两端残基差异决定受体选择性。这些发现不仅为理解GPCRs的进化保守性提供了新证据，更重要的是为设计新一代多靶点代谢药物建立了理论框架——通过精准调控肽段N/C端残基组合，可编程式设计具有特定偏向性的多靶点激动剂。研究提及的"螺旋束中心位移量"等量化参数，已为多个在研的GLP-1R/GIPR/GCGR三靶点激动剂提供了关键设计指标。

这项由Xuejun Zou、Yu He、Ya Gao等完成的研究，获得了国家自然科学基金（22333006等）的支持，其创新性在于将计算模拟与结构生物学深度整合，为破解复杂受体激活机制提供了范式。正如研究者所言，这项工作"为优化其他双靶点或三受体激动剂组合提供了分子蓝图"，在肽类药物治疗代谢性疾病的黄金时代，这样的基础研究正成为转化医学的重要引擎。