神经降压素受体1的β-arrestin偏向性激动分子机制研究
学术背景
G蛋白偶联受体（GPCRs）是人体细胞表面最丰富的受体家族，也是FDA批准药物中最常见的靶点。GPCRs在疼痛、糖尿病、心血管疾病和癌症等多种疾病的治疗中发挥着重要作用。然而，GPCRs的药物开发面临诸多挑战，尤其是受体亚型选择性和控制靶向及非靶向副作用的问题。传统的正构配体（orthosteric ligands）往往难以解决这些问题，因此，开发作用于正构口袋外的变构调节剂（allosteric modulators）成为一种有前景的策略。变构调节剂可以选择性地增强或抑制内源性配体的信号传导，同时提供优异的受体亚型选择性。
近年来，一类被称为偏向性变构调节剂（biased allosteric modulators, BAMs）的分子引起了广泛关注。BAMs不仅具有变构调节功能，还能引导受体信号传导偏向G蛋白或β-arrestin通路，从而避免某些副作用。尽管已有研究解析了BAM结合状态下GPCR与G蛋白或GPCR激酶（GRK）的复合物结构，但BAM结合状态下GPCR与β-arrestin的复合物结构尚未被解析，这限制了对BAMs全面药理特性的理解。
本研究旨在揭示BAM如何调节GPCR与β-arrestin的相互作用，特别是通过解析神经降压素受体1（NTSR1）与β-arrestin1及BAM SBI-553的高分辨率冷冻电镜结构，填补这一关键知识空白。
论文来源
本论文由Demeng Sun、Xiang Li、Qingning Yuan等来自中国科学技术大学、清华大学、中国科学院上海药物研究所等机构的研究人员共同完成，并于2025年3月21日在线发表在《Cell Research》期刊上。
研究流程与结果
1. 磷酸化NTSR1的化学合成
研究首先开发了一种化学蛋白质合成策略，用于生成C端六磷酸化的NTSR1。NTSR1的C端磷酸化对于β-arrestin1的招募和激活至关重要。研究团队合成了不同磷酸化模式的NTSR1 C端肽段，并通过荧光偏振实验验证了这些肽段与β-arrestin1的亲和力。结果显示，六磷酸化肽段（Ser401/Ser403/Ser404和Thr407/Ser409/Ser410）对β-arrestin1的亲和力显著增强，解离常数（Kd）为35 nM。
2. NTSR1-β-arrestin1-SBI-553复合物的组装与结构解析
研究团队利用化学合成的六磷酸化NTSR1，组装了NTSR1-β-arrestin1-SBI-553复合物，并通过冷冻电镜技术解析了其高分辨率结构（2.65–2.88 Å）。结构显示，SBI-553的结合诱导了NTSR1的细胞内区域发生显著重构，特别是细胞内环3（ICL3）和跨膜螺旋6（TM6）区域。这种重构使得ICL3能够插入β-arrestin1中央嵴的腔体中，形成一种独特的“环结合”构型，与传统的“核心结合”构型显著不同。
3. 结构比较与功能分析
通过比较SBI-553结合与未结合的NTSR1-β-arrestin1复合物结构，研究发现SBI-553的结合显著改变了NTSR1的细胞内区域构象，特别是TM5和TM6的胞质端。此外，SBI-553与NTSR1的细胞内区域形成了广泛的疏水相互作用，进一步稳定了复合物结构。功能实验表明，SBI-553能够显著增强β-arrestin1的招募，同时抑制Gαq蛋白的信号传导。
4. β-arrestin1与NTSR1的相互作用机制
研究详细解析了NTSR1与β-arrestin1在“环结合”构型下的相互作用界面。ICL3与β-arrestin1中央嵴的多个环形成了广泛的氢键和盐桥相互作用，而ICL1则与β-arrestin1的套索环（lariat loop）形成了氢键。这些相互作用共同稳定了复合物结构，并促进了β-arrestin1的招募。
5. 磷酸化C端与β-arrestin1的结合
研究还观察到NTSR1的磷酸化C端与β-arrestin1的N叶结合，形成了电荷互补的相互作用。磷酸化的Thr407、Ser409和Ser410与β-arrestin1的多个正电荷残基形成了稳定的氢键和盐桥，进一步增强了复合物的稳定性。
研究结论与意义
本研究首次解析了BAM结合状态下GPCR与β-arrestin的复合物结构，揭示了SBI-553如何通过诱导NTSR1的“环结合”构型，选择性增强β-arrestin1的招募。这一发现填补了BAM调节GPCR与β-arrestin相互作用的关键知识空白，为开发更安全、更有效的GPCR靶向药物提供了重要的结构基础。
研究亮点
- 高分辨率结构解析：本研究解析了NTSR1-β-arrestin1-SBI-553复合物的高分辨率冷冻电镜结构（2.65 Å），是目前GPCR-β-arrestin复合物中分辨率最高的结构。
- 独特的“环结合”构型：研究发现了一种全新的β-arrestin1与GPCR的结合模式，即“环结合”构型，这一构型在以往的GPCR-β-arrestin复合物中从未被观察到。
- 化学蛋白质合成策略：研究团队开发了一种化学蛋白质合成策略，成功生成了C端六磷酸化的NTSR1，为研究磷酸化对GPCR功能的影响提供了重要工具。
- 偏向性信号传导机制：研究揭示了SBI-553如何通过调节NTSR1的构象，选择性增强β-arrestin1的招募，为开发偏向性GPCR药物提供了新的思路。
其他有价值的信息
本研究还提供了SBI-553与NTSR1结合的详细分子机制，包括SBI-553与NTSR1细胞内区域的疏水相互作用，以及SBI-553如何通过改变NTSR1的构象，阻碍G蛋白的结合。这些发现为理解BAM的分子机制提供了新的视角，并为进一步优化BAM的设计提供了重要参考。
通过本研究，科学家们不仅填补了GPCR与β-arrestin相互作用的关键知识空白，还为开发更安全、更有效的GPCR靶向药物提供了重要的结构基础。这一研究成果有望推动GPCR药物开发的进一步发展，为多种疾病的治疗提供新的策略。