Cell Res | 中国科技大学田长麟揭示G蛋白偶联受体中的β-arrestin偏向性激动作用
G蛋白偶联受体（GPCR）是人体中很丰富的细胞表面受体，也是FDA批准药物的主要靶点之一。然而，传统正构激动剂在选择性激活特定信号通路方面存在局限性，可能导致副作用。近年来，偏倚性别构调节剂（BAMs）因其能够选择性激活特定信号通路而受到关注。尽管已有研究解析了BAMs与GPCR-G蛋白或GRK复合物的结构，但BAMs与GPCR-arrestin复合物的结构尚未明确，限制了对其调节机制的全面理解。
2025 年 3 月 21 日，中国科技大学田长麟发表在Cell Research上题为Molecular mechanism of the arrestin-biased agonism of neurotensin receptor 1 by an intracellular allosteric modulator的研究通过化学蛋白合成策略，制备了具有明确六磷酸化修饰的神经降压素受体1（NTSR1），并解析了NTSR1与β-arrestin1和BAM SBI-553复合物的高分辨率冷冻电镜结构（2.65–2.88 Å）。这些结构揭示了在SBI-553存在时，β-arrestin1与NTSR1之间独特的“环状结合”模式，与典型“核心结合”模式显著不同。这一发现填补了关于BAMs调节GPCR-arrestin相互作用和偏移信号传导的知识空白，为开发更安全、更有效的GPCR靶向治疗药物提供了结构基础。
文章要点
1) 化学蛋白合成与磷酸化模式研究。本研究开发了一种化学蛋白合成策略，生成C末端具有明确六磷酸化的神经降压素受体1(NTSR1)，并解析了NTSR1与β-arrestin1和BAM SBI-553复合物的高分辨率冷冻电镜结构（2.65-2.88 Å）。研究团队首先合成了带有不同磷酸化模式的NTSR1 C末端肽段，通过荧光偏振试验证实六磷酸化的C末端肽段与β-arrestin1的亲和力比三磷酸化肽段高约100倍。通过肽水合物连接和蛋白质反式剪接连接技术，成功合成了全长的六磷酸化NTSR1，为后续结构分析提供了关键材料。
图1 化学蛋白合成与磷酸化模式研究
2) 环路参与构象的发现。在SBI-553存在时，NTSR1与β-arrestin1形成了独特的"环路参与"构象，与无BAMs时观察到的典型"核心参与"构象明显不同。这种构象的特点是NTSR1的胞内环3（ICL3）与β-arrestin1中央嵴的腔体结合，代表了一种此前未观察到的、arrestin选择性的GPCR构象。在这种构象中，ICL3-TM6和TM1-ICL1区域相比核心参与构象发生了显著构象变化，可能促进了β-arrestin1的招募。
图2 环路参与构象的发现
3) Arrestin选择性构象的分子基础。结构分析表明，SBI-553结合NTSR1后，促使ICL3-TM6和TM1-ICL1受体区域发生重构，导致一种arrestin选择性构象。这种构象的ICL3和ICL1与GRK或G蛋白结合存在空间位阻，证明这是一种仅在本研究中观察到的arrestin选择性NTSR1构象。这些构象变化可能是SBI-553引导NTSR1信号向arrestin方向发展的促进因素。
4) 环路参与构象中的分子相互作用。研究还发现了NTSR1与β-arrestin1在"环路参与"构象中的详细分子相互作用。主要接口是NTSR1的ICL3环插入β-arrestin1中央嵴形成的开放腔体，次要接口是NTSR1的ICL1与β-arrestin1的套索环相互作用。研究表明ICL3中的E291和R294与β-arrestin1中的E65、D134和R284通过静电相互作用网络形成接触，而P292与β-arrestin1中的Y248和L240侧链紧密接触。
5) C末端与β-arrestin1的相互作用。
除了NTSR1跨膜结构域胞内区域与β-arrestin1中央嵴的偶联外，研究还观察到NTSR1的C末端与β-arrestin1的N叶结合。在三个NTSR1-β-arrestin1复合物结构中，都观察到部分NTSR1 C末端进入β-arrestin1的N叶，置换了β-arrestin1的C末端。T407/S409/S410上的三个磷酸基团与β-arrestin1 N叶槽中的赖氨酸和精氨酸残基形成了基于电荷互补的相互作用。
6) 核心参与构象与构象可塑性。
与独特的环路参与构象相比，NTSR1-β-arrestin1-SBI-553复合物3采用了常规的核心参与构象，其中β-arrestin1通过中央嵴的指状环大量参与NTSR1的胞内跨膜腔和ICL区域。这表明SBI-553结合的NTSR1-β-arrestin1复合物可以同时存在核心参与和环路参与构象，表明NTSR1与β-arrestin1之间具有高度的构象可塑性和多样化的界面接触。
图3 核心参与构象与构象可塑性小结
本研究解析了GPCR在BAM结合状态下与arrestin的相互作用模式，揭示了SBI-553如何通过独特构象促进NTSR1的arrestin偏向性信号传导。研究结果与NTSR1-G蛋白或GRK复合物的现有结构数据相结合，完善了对SBI-553调控机制的分子层面理解。这一发现为深入理解变构调节剂如何调节GPCR-arrestin相互作用及偏向性信号通路激活提供了结构框架，将SBI-553置于能够引起偏向性受体信号传导的变构调节剂前列。研究还为设计和开发更安全、更有效的GPCR靶向药物提供了科学依据。
参考文献
Sun D, Li X, Yuan Q, Wang Y, Shi P, Zhang H, Wang T, Sun W, Ling S, Liu Y, Lai J, Xie W, Yin W, Liu L, Xu HE, Tian C. Molecular mechanism of the arrestin-biased agonism of neurotensin receptor 1 by an intracellular allosteric modulator. Cell Res. 2025 Apr;35(4):284-295.https://doi.org/10.1038/s41422-025-01095-7.
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