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通过对G蛋白偶联受体（GPCR）-生物制剂复合物在A类、B类、C类和F类受体中的比较分析，本研究揭示了受体架构如何塑造不同的识别范式。分析表明，两个相互依赖的结构变量在整个超家族中显现：受体表面的可及性与三维组织，以及与这些区域相关的构象状态。A类受体主要暴露
通过对G蛋白偶联受体（GPCR）-生物制剂复合物在A类、B类、C类和F类受体中的比较分析，本研究揭示了受体架构如何塑造不同的识别范式。分析表明，两个相互依赖的结构变量在整个超家族中显现：受体表面的可及性与三维组织，以及与这些区域相关的构象状态。A类受体主要暴露紧凑的细胞外表面，B类受体利用大型细胞外结构域支持模块化配体识别，而C类和F类受体则依赖结构化细胞外结构域（分别为捕蝇草结构域和富含半胱氨酸结构域），从而实现构象选择和变构调节。综合来看，这些观察结果建立了一个结构框架，将受体可及性和构象动态与生物制剂识别及药理学调节联系起来。该框架为合理设计下一代靶向GPCR的生物制剂提供了概念基础，旨在提高选择性、功效和功能精准度。
1. 引言
研究人员指出，生物治疗药物的发展通过实现对传统小分子难以或无法触及的分子靶点的高度选择性调节，扩展了现代药理学。单克隆抗体、纳米抗体、工程肽、适配体及其他生物制剂模式，通过高特异性识别大型蛋白质表面、瞬时构象表位及蛋白质-蛋白质相互作用界面，拓宽了治疗领域。尽管生物制剂已改变了癌症、自身免疫性疾病和炎症性疾病的治疗，但由于GPCR超家族的独特结构和动态特性，其在GPCR上的应用进展较慢。
单克隆抗体通常通过免疫或展示筛选产生，而源自骆驼科重链抗体的纳米抗体可从免疫或合成文库中筛选。其紧凑的结构和延长的互补决定区3环有助于识别凹陷表位并稳定特定GPCR构象。工程肽利用内源性配体结合机制，核酸适配体则通常通过指数富集的配体系统进化技术（SELEX）进行筛选。模块化生物制剂在单个构建体中整合了不同的识别或激活组件。
GPCR包含人类基因组中超过800种膜蛋白，构成参与细胞信号转导的最大受体家族。其生理功能涵盖几乎所有器官系统，包括神经传递、内分泌调节、免疫监视、心血管稳态、代谢、感觉感知、发育和组织修复。因此，GPCR仍是被利用最多的治疗靶点家族，约占所有获批药物的三分之一。
GPCR作为高度动态的分子机器，持续采样失活、中间和活性构象状态，以将细胞外信号转化为不同的生理反应。配体结合改变这些构象间的平衡，从而调节细胞内转导子的招募。GPCR信号传导日益被视为一个构象连续体，超越了经典的失活和活性受体状态的二元模型。
直到最近，GPCR的结构研究仍是膜蛋白生物学中最具挑战性的课题之一。其固有的构象灵活性、低天然丰度和去垢剂提取后的不稳定性严重限制了高分辨率结构表征。近年来，受体工程、脂立方相结晶、同步辐射X射线晶体学和单颗粒冷冻电镜等技术进步彻底改变了GPCR结构生物学。
纳米抗体在此过程中发挥了重要作用。通过选择性识别瞬时受体构象，胞内结合纳米抗体稳定了原本短暂存在的信号状态，使得GPCR复合物的高分辨率结构测定成为可能。冷冻电镜进一步扩展了实验解析的GPCR-生物制剂复合物的范围，揭示了残基级相互作用网络和广泛的识别机制。
GPCR的结构多样性不仅是生物制剂发现的挑战，更是决定生物制剂识别本身的主要因素。细胞外架构的差异决定了表位可及性，约束了生物制剂的结合方式，并最终决定了不同生物制剂模式可利用的识别机制。尽管所有GPCR共享保守的七次跨膜架构，但其细胞外组织的深刻差异在不同受体类别间创造了独特的识别景观。
大多数A类GPCR暴露相对受限的细胞外表面。相比之下，B类受体含有大的结构化细胞外结构域，直接参与肽识别。C类受体通过其强制性的二聚体组织和特征性的捕蝇草结构域呈现出更为独特的识别景观。最后，F类受体依赖于细胞外富含半胱氨酸结构域进行配体识别。
本综述的核心前提是，GPCR架构构成生物制剂识别的主要决定因素。通过比较A、B、C和F类受体的实验解析GPCR-生物制剂复合物，本综述识别出整个GPCR超家族共有的结构原则，同时强调区分各类受体的识别范式。
2. A类GPCR生物制剂识别的结构决定因素
A类GPCR构成最大且药理学最相关的分支，包含超过700个成员。虽然跨膜核心结构保守，但细胞外环、N端和负责转导子偶联的胞内区域存在显著多样性。A类受体通常缺乏大的细胞外结构域，这影响了生物制剂识别。常规单克隆抗体接触深层正构配体结合口袋的机会有限，而纳米抗体由于尺寸紧凑和延长的CDR3环，能够穿透狭窄的细胞外前庭或胞内腔隙。
结构研究表明，生物制剂通过几种反复出现的机制识别A类GPCR，包括细胞外表面识别、正构口袋穿透、胞内活性态稳定化和变构调节。重要的是，这些识别机制不仅由表位可及性决定，而且与受体功能内在耦合。
2.1 细胞外表面识别：利用可及表位
趋化因子受体因其较长的N端段提供了细胞外表面识别的最清晰例子。CCR5与MIP-1α的复合物晶体结构首次提供了这种识别机制的原子描述。这些结构观察解释了为何治疗性生物制剂优先识别细胞外受体表面而对正构腔的可及性有限。
2.2 正构口袋识别：超越常规配体模拟
大多数A类GPCR紧凑的细胞外架构限制了对正构结合口袋的直接访问。纳米抗体通过延长的CDR3环克服了这一结构约束。非典型趋化因子受体ACKR3提供了正构识别的一个充分表征的例子。μ-阿片受体进一步展示了正构结合如何与广泛的细胞外环识别相结合以实现受体亚型选择性。apelin受体提供了一个引人注目的例子，说明受体-生物制剂界面的细微修饰可以深刻改变药理学结果。
2.3 胞内活性态识别：稳定信号接口
A类GPCR的激活与一系列保守的构象重排相关，其中最显著的是跨膜螺旋6向外移位。胞内结合纳米抗体识别同一腔隙，选择性地稳定活性受体构象。β2-肾上腺素受体首次提供了胞内构象识别的结构证明。μOR和κOR进一步证明了构象纳米抗体可以识别相关GPCR的保守活性态架构。
2.4 变构识别：超越正构位点调节受体功能
变构识别代表了一种独特的GPCR调节机制。α1A-肾上腺素受体提供了细胞外构象识别的结构实例。视紫红质展示了一种互补机制。核酸适配体将细胞外变构识别的概念扩展到基于蛋白质的生物制剂之外。
2.5 A类GPCR涌现的结构设计原则
比较结构解析的A类GPCR-生物制剂复合物揭示，生物制剂识别的多样性最终源于保守的七次跨膜受体架构所施加的有限数量的结构原则。第一个原则涉及可被生物制剂接触的受体表面的范围和结构组织。第二个原则来自对正构生物制剂的比较。第三个原则涉及识别几何学与药理学结果之间的关系。胞内识别揭示了一个互补的结构原则。
3. B类GPCR生物制剂识别的结构决定因素
B类GPCR的识别景观与A类受体根本不同，因为内源性肽结合由一个大的N端细胞外结构域控制。结构研究揭示了三种反复出现的生物制剂识别模式：抗体主要结合ECD内的构象表位；工程肽激动剂保留了生理性的双结构域结合机制；双位生物制剂结合了细胞外受体识别与跨膜受体激活。
3.1 细胞外结构域的识别：B类GPCR的主要结构决定因素
大的细胞外结构域是B类GPCR的定义性结构特征。降钙素基因相关肽受体提供了最具信息量的例子之一。胰高血糖素受体展示了一种利用B类细胞外结构域的互补策略。
3.2 通过双结构域结合机制的识别
双结构域结合机制代表了B类GPCR中肽识别的定义性结构原则。胰高血糖素样肽-1受体提供了治疗优化最清晰的例子之一。甲状旁腺激素受体1型提供了一个补充例子。
3.3 双位生物制剂：整合细胞外识别与受体激活
双位生物制剂代表了定义B类GPCR的结构组织的自然延伸。PTH1R提供了这一设计策略的第一个实验证明。细胞外纳米抗体将生物制剂锚定在受体表面并约束肽激动剂相对于跨膜束的空间取向。
3.4 B类GPCR涌现的结构设计原则
比较结构解析的B类GPCR-生物制剂复合物揭示了细胞外受体架构的扩展如何创造大部分A类GPCR紧凑细胞外表面所缺乏的识别机会。第一个定义性原理是架构可及性。第二个原则是功能模块性。第三个原则涉及相互作用几何学。
4. C类和F类GPCR生物制剂识别的结构决定因素
C类和F类GPCR构成GPCR超家族的结构化细胞外分支。两者都依赖积极参与配体识别、受体激活、受体二聚化和变构调节的大型细胞外区域。可用结构揭示了两种广泛的识别策略：C类受体中捕蝇草架构的构象识别，以及F类受体中富含半胱氨酸结构域的识别。
4.1 动态捕蝇草构象的识别
捕蝇草结构域构成了靶向C类GPCR的生物制剂的主要识别平台。代谢型谷氨酸受体5提供了首个结构证明，表明生物制剂可以选择性稳定VFT的中间构象状态。钙敏感受体提供了一个补充例子。
4.2 Frizzled富含半胱氨酸结构域的识别
F类GPCR拥有不同于C类受体VFT结构域和B类受体肽结合ECD的细胞外架构。Frizzled受体含有一个N端CRD，通过容纳Wnt棕榈油酸部分的保守疏水沟直接识别Wnt配体。针对多个Frizzled受体的单克隆抗体的结构研究表明，Wnt脂质结合沟构成一个反复出现的抑制性表位。FZD3导向的纳米抗体Nb8提供了一个补充例子，其中对不太保守的CRD表面的识别产生了高受体亚型选择性。
4.3 C类和F类GPCR涌现的结构设计原则
C类和F类GPCR将细胞外架构与生物制剂识别之间的关系扩展到B类受体中观察到的模块化ECD组织之外。在这些家族中，大的细胞外结构域直接参与配体识别、构象调节、受体协同性和高阶组装，创造了功能特性强烈依赖于其结构状态的识别表面。在C类GPCR中，主导决定因素是构象可塑性。F类受体说明了一个互补的原则。
5. 跨GPCR类的生物制剂识别的统一结构框架
实验解析的GPCR-生物制剂复合物数量的增长揭示，生物制剂识别不能仅由受体序列或药理学分类解释。跨受体类别的比较反而识别出两个一致塑造生物制剂结合的结构变量：可用于识别的受体表面的范围、可及性和三维组织，以及这些表面相关的构象景观。前者定义了生物制剂可以在何处以及如何结合受体，后者决定了该相互作用如何与受体功能和药理学结果耦合。
这些结构约束对于生物制剂尤为重要，因为其分子尺寸强烈影响可接触的受体表面。常规抗体优先结合延长的溶剂暴露区域，而较小的生物制剂支架如纳米抗体可以额外穿透细胞外前庭和胞内腔隙。随着细胞外区域在GPCR类别中变得更加广泛和结构化，可及的相互作用表面的数量和多样性增加，扩大了生物制剂模式可用的识别策略范围。
然而，架构可及性本身并不决定生物制剂功能。第二个普遍决定因素是被识别的受体表面的构象景观。生物制剂经常结合那些在受体激活过程中组织发生变化的结构元件。因此，生物制剂结合的药理学后果取决于相互作用稳定的构象状态。
在该框架中，表位可及性决定了识别的机会，而构象耦合决定了识别的功能后果。这些原则对结构引导的生物制剂设计具有直接意义。表位选择应考虑序列保守性、表面可及性、三维组织和与受体激活的功能耦合。
6. 结论
对A、B、C和F类GPCR-生物制剂复合物的比较分析将受体表面可及性和构象动态确定为生物制剂识别的两个核心结构决定因素。
