近日，上?？萍即髮W(xué)iHuman 研究所徐菲課題組與華中科技大學(xué)劉劍峰團(tuán)隊(duì)再度合作，在《自然-通訊》（Nature Communications）發(fā)表題為“Mechanistic Insights into the Versatile Stoichiometry and Biased Signaling of the Apelin Receptor-Arrestin Complex” 的研究論文，首次解析了愛(ài)帕琳肽受體（apelin receptor, APJR）與信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白 β-arrestin1 形成二聚體復(fù)合物的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，揭示了 APJR 通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)控與 β-arrestin 的化學(xué)計(jì)量比以及相互作用從而實(shí)現(xiàn)偏向性信號(hào)傳導(dǎo)的分子機(jī)制，為肥胖、心血管及衰老等疾病的創(chuàng)新藥物研發(fā)提供了關(guān)鍵結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)和理論依據(jù)。

徐菲團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期深耕APJR研究領(lǐng)域：2017 年率先解析首個(gè)APJR晶體結(jié)構(gòu)，2022年首次揭示APJR與下游Gi蛋白復(fù)合物的單體/二聚體結(jié)構(gòu)，為理解其信號(hào)激活機(jī)制奠定了重要基礎(chǔ)。2025年初揭示了G蛋白偶聯(lián)可能在A(yíng)PJR激活過(guò)程中起到促進(jìn)二聚體解離的作用。然而，APJR與β-arrestin的相互作用機(jī)制一直缺乏直接結(jié)構(gòu)證據(jù)，制約了對(duì)其“雙信號(hào)通路”（Gi蛋白通路與β-arrestin通路）調(diào)控的深入理解。其中，Gi通路激活具有心臟保護(hù)作用，而β-arrestin通路過(guò)度激活可能導(dǎo)致心肌肥厚等副作用。因此，解析APJR-β-arrestin復(fù)合物結(jié)構(gòu)成為破解其偏向性信號(hào)機(jī)制進(jìn)而指導(dǎo)開(kāi)發(fā)偏向性激動(dòng)劑藥物的關(guān)鍵。

研究團(tuán)隊(duì)利用單顆粒冷凍電鏡技術(shù)，成功解析了三種APJR-β-arrestin1 復(fù)合物的高分辨率結(jié)構(gòu)（圖1）。這些結(jié)構(gòu)首次揭示，與其他A類(lèi)GPCR多以1:1比例結(jié)合β-arrestin不同，APJR可通過(guò)靈活的二聚體形式與β-arrestin形成2:2或2:1復(fù)合物，展現(xiàn)出獨(dú)特的“動(dòng)態(tài)結(jié)合”特征。功能研究發(fā)現(xiàn)，2:2結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)β-arrestin最大招募效率的關(guān)鍵，而2:1結(jié)構(gòu)則可能反映了信號(hào)激活過(guò)程中的中間狀態(tài)。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，APJR上的關(guān)鍵殘基（如R127^3.50）和L^3.43Y^5.58L^6.40疏水網(wǎng)絡(luò)在調(diào)控β-arrestin結(jié)合中發(fā)揮決定性作用，為設(shè)計(jì)“Gi 偏向性激動(dòng)劑”提供了新的思路（圖2)。

圖1：APJR-β-arrestin1復(fù)合物結(jié)合cmpd644（臨床階段藥物的類(lèi)似物Azelaprag）的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)。（a）APJR與β-arrestin1結(jié)合的2:2化學(xué)計(jì)量比結(jié)構(gòu)。（b）APJR與 β-arrestin1結(jié)合的2:1化學(xué)計(jì)量比結(jié)構(gòu)。（c）單體突變型APJR（F101A）與β-arrestin1結(jié)合的1:1化學(xué)計(jì)量比結(jié)構(gòu)。

圖2：APJR二聚體與Gi蛋白或β-arrestin結(jié)合時(shí)的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)模型。APJR二聚體的激活：APJR二聚體的apo形式（灰色）在結(jié)合激動(dòng)劑cmpd644并與Gi蛋白（橙色）結(jié)合后，轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆せ顮顟B(tài)，形成2:1的APJR-Gi蛋白復(fù)合物。另一方面，APJR二聚體（綠色）可與βarr1（藍(lán)色）結(jié)合，分別形成2:2和2:1化學(xué)計(jì)量比的完全激活和部分激活的APJR-βarr1復(fù)合物。紅色箭頭指示了在與βarr1結(jié)合的狀態(tài)下跨膜區(qū)6（TM6）的進(jìn)一步運(yùn)動(dòng)，重點(diǎn)標(biāo)注了關(guān)鍵殘基R^3.50、L^6.33和Y^7.53。

該研究不僅填補(bǔ)了APJR-β-arrestin相互作用的結(jié)構(gòu)空白，更建立了“化學(xué)計(jì)量比-構(gòu)象變化-信號(hào)輸出”的關(guān)聯(lián)模型，為理解GPCR多聚化調(diào)控機(jī)制以及偏向性信號(hào)傳導(dǎo)提供了全新框架。同時(shí)，也為優(yōu)化針對(duì)心力衰竭、肥胖及衰老相關(guān)疾病等藥物的信號(hào)偏向性、提升治療窗口提供了直接結(jié)構(gòu)依據(jù)，有望加速針對(duì)APJR的下一代精準(zhǔn)治療藥物研發(fā)。

上?？萍即髮W(xué)iHuman研究所高級(jí)工程師岳洋、副研究員武麗杰，以及華中科技大學(xué)副研究員許嬋娟為該論文共同第一作者；華中科技大學(xué)劉劍峰教授和上?？萍即髮W(xué)iHuman研究所、生命學(xué)院常任正教授徐菲為共同通訊作者。上?？萍即髮W(xué)為第一完成單位。

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-62870-z