新型跨膜区变构调节剂调控胰高血糖素受体GCGR激活的分子机制研究

Glucagon receptor (GCGR), belonging to class B G protein-coupled receptors (GPCRs), is involved in glucose homeostasis and has been proposed to be a potential drug target for the treatment of type 2 diabetes. However, limited information is available on the allosteric mechanism within its seven-transmembrane (7TM) domain, restricting the research and development of allosteric modulators, which allow a broad spectrum of pharmacological effects largely expanding that of orthosteric ligands. Based on our recently discovered new-type modulators binding to the transmembrane domain of GCGR, in this project, we will try to illustrate the allosteric hot spots，important allosteric conformations and allosteric pathways in the GCGR-modulator complexes, with the application of homology modeling, docking and long-time molecular dynamics simulation. These mechanisms will be supported by subsequent functional assays such as point mutagenesis，chemical crosslinking, cAMP assay and radioligand binding. This study will provide valuable insights into the allosteric modulations that would be of great help to design novel allosteric drugs targeting GCGR in pathological states.

GCGR属于B型G蛋白偶联受体，是治疗2型糖尿病的重要靶标。变构调控分子具有选择性高、毒副作用低等优点，是当前药物研究的热点。GCGR变构调控机制研究的匮乏制约了其变构调控分子的发现。本项目以前期发现的GCGR新型跨膜区变构调控分子为研究对象，运用同源模建、分子对接等方法获得GCGR和变构分子的精确复合物三维结构，通过长时间MD模拟研究膜环境下GCGR与变构分子复合物的动态构象，从原子层面揭示变构分子调节GCGR激活的关键调控位点、关键调控构象和变构通路，并综合运用点突变、化学交联、cAMP活性测试、配体竞争性结合等生物实验验证GCGR跨膜区变构调控的分子机制。本项目研究结果对促进基于新调控机制的GCGR变构调节剂药物发现具有重要意义。

胰高血糖素受体GCGR正构配体的结合位点平而大，不适合小分子结合，因此变构口袋的发现以及变构机制的阐明对于GCGR小分子药物研发有重要意义。前期通过虚拟筛选和化学改造，我们在GCGR跨膜区的一个新变构口袋发现一系列变构协同激动剂和变构协同拮抗剂。本项目搭建GCGR-glucagon-小分子复合物模型，利用长时间分子动力学模拟联合实验验证，研究该口袋中不同类型小分子的动态调控机制。变构协同激动剂N33和变构协同拮抗剂N60都可以在长时间模拟中保持稳定结合构象，MMPBSA计算进一步揭示重要结合残基，点突变实验阐明这些残基对分子活性的影响，验证小分子结合位点。在同一口袋中，正向和负向调节剂通过与glucagon和周围残基形成不同作用影响受体构象。N60的极性羧基头更容易同时与glucagon N端以及R308形成稳定极性作用，阻碍glucagon往TM6、TM7方向移动，降低glucagon与E362或D385的作用概率，不利于TM6、TM7发生类激活态的构象变化。N33的头部基团极性稍弱，几乎不与glucagon直接作用，glucagon N端则可以和E362、D385以及H361相互作用，诱导TM6、TM7的胞外端发生类激活态构象变化，促进受体激活。同时，N33直接与GCGR重要的跨膜区极性网络作用，与K187、N238形成稳定氢键，进一步影响受体的激活。这些结果暗示变构分子朝向胞外侧的头部基团在变构调控中发挥重要作用。上述发现为GCGR跨膜区的变构分子设计提供许多指导信息，促进靶向GCGR的新型变构药物发现。