2023年11月10日，中國(guó)科學(xué)院上海藥物研究所段佳研究員、徐華強(qiáng)研究員與澳門科技大學(xué)段小群教授共同在 Cell Reports雜志上發(fā)表題為“Molecular recognition of niacin and lipid-lowering drugs by the human hydroxycarboxylic acid receptor 2”的研究文章，成功解析煙酸（Niacin），以及臨床在研的兩種小分子激動(dòng)劑MK-6892和GSK256073分別結(jié)合羥基羧酸受體（HCAR2）的高分辨率冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，揭示了三種分子對(duì)HCAR2不同的結(jié)合模式及獨(dú)特的激活機(jī)制，為開(kāi)發(fā)靶向HCAR2副作用更小的降脂藥物提供了重要的指導(dǎo)依據(jù)。
煙酸于1957年被美國(guó)批準(zhǔn)為降血脂藥物。1993年，孤兒受體GPR109A（即后來(lái)的HCAR2）被發(fā)現(xiàn)，2003年科學(xué)家發(fā)現(xiàn)GPR109A是煙酸發(fā)揮降血脂作用的受體。至今，煙酸在臨床上作為降血脂藥物應(yīng)用已有60年的歷史，在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，煙酸被發(fā)現(xiàn)可帶來(lái)皮膚潮紅的不良反應(yīng)，從而大大地降低了病人的依從性。2010年，葛蘭素史克公司研發(fā)了HCAR2的高效激動(dòng)劑GSK256073，其能夠有效降低甘油三酯而不引起皮膚潮紅，I期臨床試驗(yàn)展示了良好的安全性，II期臨床試驗(yàn)表現(xiàn)出降脂效果。2012年，默克公司研發(fā)了另一種HCAR2的選擇性高親和力激動(dòng)劑MK-6892，動(dòng)物模型中展示了其可以有效降低甘油三酯而不引起顯著的潮紅反應(yīng)。MK-6892和GSK256073代表了HCAR2激動(dòng)劑藥物研發(fā)的重要探索，它們與煙酸相比，顯示出了對(duì)受體更高的親和力和選擇性，同時(shí)減輕了皮膚潮紅等不良反應(yīng)。
作為A類GPCR家族羥基羧酸受體的一員，HCAR2主要分布在人體的消化道，脾臟，脂肪組織等，與多種代謝疾病和炎癥疾病相關(guān)，是一個(gè)活躍的藥物研究靶點(diǎn)。激活HCAR2可引起下游偶聯(lián)G蛋白和招募 arrestin，從而引起不同的信號(hào)傳導(dǎo)。目前的研究表明煙酸發(fā)揮降脂功能主要是通過(guò)激活HCAR2的G蛋白通路，而動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明造成不良反應(yīng)潮紅現(xiàn)象則可能是激活 arrestin通路造成的。
煙酸、MK-6892、GSK256073這三種小分子均能夠有效激活HCAR2，但卻能夠引發(fā)不同的藥理作用。三種小分子與受體發(fā)生相互作用的模式有何異同，以及小分子激活受體后引起的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)有何差異目前仍未可知。基于此，研究人員通過(guò)單顆粒冷凍電鏡技術(shù)解析了Niacin、MK-6892、GSK256073分別結(jié)合HCAR2-Gi復(fù)合物的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，分辨率分別是3.05埃，2.92埃，2.80埃?；诟哔|(zhì)量的結(jié)構(gòu)模型，研究人員揭示了三種不同分子與受體的相互作用的分子機(jī)制，并發(fā)現(xiàn)了三種配體雖然占用一個(gè)共同的受體正構(gòu)結(jié)合口袋（Orthosteric binding pocket），但MK-6892和GSK256073的側(cè)鏈還各自占據(jù)了一個(gè)長(zhǎng)長(zhǎng)的受體擴(kuò)展口袋（Extend binding pocket），配體口袋的大小與各自的相互作用網(wǎng)絡(luò)決定了配體與受體親和力的強(qiáng)弱，也導(dǎo)致了三種配體在激活受體下游G蛋白通路和 arrestin通路上的差異性，這可能是MK-6892和GSK256073在發(fā)揮治療作用時(shí)能夠有效避免引發(fā)皮膚潮紅的原因。
在激活機(jī)制上，科研人員發(fā)現(xiàn)，三種小分子配體與控制受體激活的經(jīng)典“toggle switch”殘基相距甚遠(yuǎn)。進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)分析與序列比對(duì)發(fā)現(xiàn)，HCAR2以及同家族的羥基羧酸受體均包含兩個(gè)保守的氨基酸殘基R111 3.36和Y284 7.43，且三種配體均與之產(chǎn)生明顯的相互作用，突變這兩個(gè)氨基酸其中的任何一個(gè)為丙氨酸，均能夠?qū)е率荏w失活，這進(jìn)一步說(shuō)明了上述兩個(gè)保守的氨基酸殘基在羥基羧酸受體的激活過(guò)程中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。有趣的是，在人體800多個(gè)GPCR成員當(dāng)中，有且僅有11個(gè)GPCR在3.36位的氨基酸為精氨酸（R），這暗示了羥基羧酸受體具有相當(dāng)獨(dú)特的一種配體誘導(dǎo)受體激活的機(jī)制。
總之，該研究成果闡明了三種小分子對(duì)HCAR2的作用機(jī)制，HCAR2的激活機(jī)制，為理解HCAR2的配體識(shí)別提供了結(jié)構(gòu)案例，并對(duì)設(shè)計(jì)針對(duì)HCAR2受體高親和力低副作用的藥物小分子提供了結(jié)構(gòu)線索。
上海藥物所與澳門科技大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士生朱勝楠、上海市高峰電鏡中心執(zhí)行主任袁青寧為本論文共同第一作者。上海藥物所段佳研究員、徐華強(qiáng)研究員，以及澳門科技大學(xué)段小群教授為共同通訊作者。上海市高峰電鏡中心負(fù)責(zé)了該項(xiàng)研究冷凍電鏡數(shù)據(jù)的收集。該工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、上海市市級(jí)科技重大專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金委等項(xiàng)目的資助。
HCAR2的三維結(jié)構(gòu)樣貌、配體口袋特征及調(diào)控受體激活的關(guān)鍵氨基酸殘基示意圖
