基于受体蛋白结构信息阐释GLP-1R和GCGR受体选择性的分子机制

Glucagon-like peptide-1 receptor (GLP-1R) and glucagon receptor (GCGR) belong to class B GPCRs and play important roles in regulating glucose homeostasis which attracted considerable interest as targets in the treatment of type 2 diabetes. GLP-1R exhibits 47% sequence identity with GCGR while acts opposite biological effects. It is crucial to understand how the homologous GCGR and GLP-1R dstinguish between their homologous ligands glucagon and GLP-1, not only for the study of molecular determinants, but also for drug design and development. We have previously determined the three-dimensional atomic structure of the transmembrane domain (TMD) of human GCGR in 2013, and recently solved the full-length GCGR and GLP-1R-TMD. Based on the crystal structures of the two receptors, we aim at evaluating the function and downstream signal of key residues from structure information and elucidating the molecular mechanism of peptidic and non-peptidic ligand selectivity for both receptors. The outcome of this study will deepen our knowledge on GLP-1R/GCGR function and facilitate its drug discovery.

胰高血糖素样肽-1受体（GLP-1R）和胰高血糖素受体（GCGR）同属于B类GPCR，均为当今公认的重要抗糖尿病药物作用靶点。二者具有47%的同源性，但其生理功能却截然相反，明确两个受体功能选择性的分子机制对于理解其作用模式及以此为靶点的药物开发至关重要。我们在2013年首次解析了GCGR的跨膜区三维结构，近期又解析了全长GCGR以及GLP-1R跨膜区的结构，这为我们研究受体功能选择性指明了方向。基于两个受体与小分子化合物结合的结构信息，我们将系统评价三维结构中关键氨基酸位点的功能，通过构建GLP-1R/GCGR的嵌合受体和突变体，分别阐明两个受体与不同小分子配体及肽类配体选择性结合并启动下游信号转导的分子机制。本课题的开展对于深入理解GLP-1R/GCGR的功能、作用机制以及小分子药物的精准设计与开发具有重要的意义。

B类G蛋白偶联受体（GPCR）中的胰高血糖素样肽-1受体（GLP-1R）主要在摄食后发挥作用，通过与其配体GLP-1结合，刺激胰岛素分泌，使餐后血糖降低并维持在正常水平。而同家族的胰高血糖素受体（GCGR）则在饥饿状态下与其配体胰高血糖素结合来提高人体血糖水平，二者功能相反但蛋白同源性近50%，均为当今公认的重要的抗糖尿病药物作用靶点。明确两个受体功能选择性的关键位点及其分子机制对于靶向药物开发具有重要意义。利用2013年和2017年我们分别解析的GCGR跨膜区、GLP-1R跨膜区和全长GCGR的三维结构，本项目建立了实验筛选和虚拟筛选相结合的方法，发现了多个新型小分子正性变构调节剂，通过结构优化改造、结合口袋鉴定及第二轮虚拟筛选，获得了两个效果更优的新型PAMs并明确了PAMs及其对照化合物BETP结合受体的关键氨基酸位点。基于受体配体结构信息，我们系统研究并明确了GLP-1R/GCGR受体N端、不同跨膜区及ECL2对不同肽类激动剂与受体结合的影响。为更好的研究小分子别构调节剂以及激动剂与受体的结合模式，我们解析了compound 2单独与GLP-1R和Gs蛋白复合物，compound 2和GLP-1肽类配体共同与GLP-1R-Gs蛋白复合物的冷冻电镜结构，首次发现了别构激动剂的特殊激活模式，为此类药物的研发奠定了结构基础。此外，我们还解析了肽类双重激动剂P15结合GCGR及Gs蛋白复合物的冷冻电镜结构，明确了关键氨基酸的功能，这为肽类激动剂、尤其是多重激动剂的设计和筛选提供了理论基础和重要线索。