Nature | 張巖/章敏團隊開發GPCR別構調節新范式

G 蛋白偶聯受體（GPCR）是人體內最大的膜蛋白家族，負責將細胞外的各種信號轉導至細胞內，調控著廣泛的生理過程。目前，絕大多數 GPCR 藥物通過結合受體的正構位點（即天然配體結合處）發揮作用。然而，由于 GPCR 同一家族成員間正構位點高度保守，這類藥物常因選擇性不足導致副作用。此外，對于由受體功能缺失（LoF）突變引起的遺傳性疾病，傳統正構配體往往束手無策，留下了巨大的治療空白。別構調節作為一種極具潛力的策略，通過靶向受體上不同于正構位點的區域來調控受體，有望克服上述局限。雖然自然界中存在如 RAMP、MRAP等跨膜蛋白可通過跨膜相互作用調節GPCR，但人工設計靶向GPCR跨膜結構域（TMD）的調節蛋白一直被視為蛋白質科學領域的“無人區”，其難點不僅在于要特異性結合受體指定跨膜表位，還要求所設計蛋白能夠識別受體特定構象進而有效調節GPCR 的信號轉導功能。

2026年2月16日，浙江大學張巖教授和章敏研究員團隊在Nature雜志上發表文章De novo Design of GPCR Exoframe Modulators，打破了傳統GPCR配體設計的思維定式，首次提出了“GPCR外骨骼蛋白（GEM）”這一全新概念。該文章在大年初一投稿，歷時一年，在馬年新年鐘聲敲響時正式上線。團隊利用深度學習方法，成功從頭設計了一系列能夠靶向GPCR跨膜結構域的調節蛋白，這些GEM如同“外骨骼”一般，能特異性結合特定受體跨膜表面，穩定受體的特定構象，實現包括激動、拮抗和偏向性信號轉導在內的多樣化別構調節功能。尤其是設計出的“激動-正向別構調節劑”（ago-PAM），成功挽救了多種與疾病相關的多巴胺D1受體（D1R）功能缺失突變，為治療GPCR相關基因缺陷相關疾病開辟了全新的途徑。

為了實現針對GPCR跨膜區域的功能化蛋白設計，研究團隊開發了一套基于 RFDiffusion、ProteinMPNN 和 AlphaFold2-multimer 的高精度設計流程。他們首先開發了“探針”算法，通過高通量產生單次跨膜螺旋骨架、設計序列和預測結合狀態，分析了多巴胺 D1 受體（D1R）表面的潛在結合位點，發現TM1/2/4、TM3/4/5和TM5/6/7區域均適合單次跨膜螺旋蛋白結合。隨后，針對這些不同的結合區域和受體功能狀態，配合 ProteinMPNN-AlphaFold2 （MPNN-AF2）重折疊進行序列-結構共設計，利用類似于“幻覺”（hallucination-like）的迭代優化方案，分別進行GEM 設計。

為了控制GEM的靶向位置和功能，研究團隊在迭代優化過程中引入了三種“結構提示”（Structural Prompting）策略：“位點導向插入”、“位點阻斷預占”和“構象誘導”，其中位點導向插入可通過將 GEM 序列插入受體指定區域以限制可能的靶向區域；位點阻斷預占通過在迭代優化過程加入已設計的高置信度 GEM占據非預期位置，避免當前設計“脫靶”并聚焦預期位置進行設計；構象誘導通過在結構預測中加入 G 蛋白和激活態結構模板，引導迭代優化中針對受體激活狀態進行優化。

最終，在迭代優化和結構提示策略的基礎上，獲得了四種具有不同結合模式與功能的 GEM：錨定型（Anchor）、偏向別構型（BAM）、負向別構型（NAM）和激動-正向別構型（ago-PAM）。

圖 GEM從頭設計流程與結構提示策略

隨后，研究團隊對GEM 的功能進行了藥理學實驗驗證并使用冷凍電鏡解析了四種 GEM 與 D1R 結合的高分辨率結構，全面揭示了“外骨骼”調控受體的作用機制：

1.GEManchor（錨定型）：結合在TM1/2/4區域，與受體形成廣泛疏水相互作用，但不影響受體功能；

2.GEMBAM（偏向別構型）：靶向TM3/4/5區域，意外地展現出偏向性信號調節能力，在幾乎不影響G蛋白（cAMP）信號的同時，顯著抑制β-arrestin信號，為開發高選擇性、低副作用的偏向性調節蛋白提供了潛在參考；

3.GEMNAM（負向別構型）：特異性結合于非活性態受體的TM5/6/7區域，結構研究顯示其限制了激活所必需的TM6螺旋向外擺動，從而高效阻斷了下游信號轉導，表現出極強的負向別構調節活性。

4.GEMago-PAM（激動-正向別構型）：基于“構象誘導”策略設計，它能夠像“鉗子”一樣精準鉗制并穩定受體 TM6 外移的活性構象。功能實驗表明，它表現出強大的直接激動活性，不僅能激活正常的野生型受體，還可能克服遺傳突變造成的障礙，從而成為挽救受體功能缺失突變體的潛在有效手段。

冷凍電鏡解析的復合物結構與設計的結構高度一致（RMSD低至1.0 ?），驗證了該設計方法的極高精確度。此外，研究還展示了 GEM 的模塊化潛力，多個 GEM 可以像樂高積木一樣同時結合在一個受體上，并通過類似“邏輯門”的形式重編程受體的信號輸出。

值得一提的是，該研究展示了 GEM 在治療應用上的巨大潛力。目前已鑒定出4000 余種GPCR功能缺失突變（LoF）與數百種遺傳疾病的發生發展直接相關（數據來源：GPCRdb），部分受體的功能缺失突變會引發包括特定亞型帕金森病、遺傳性肥胖癥等疾病。實驗結果表明，GEMago-PAM 能夠直接作用于受體跨膜域，通過幫助穩定受體的活性構象，成功恢復了包括 T37K（與嬰兒帕金森肌張力障礙相關）在內的多種 D1R 突變體的信號轉導功能。這種通過“外部加固”修復受體功能的作用機制，為傳統小分子難以攻克的基因缺陷相關疾病提供了有效策略，表明GEM 不僅是一種強大的藥理學工具，更代表了一種針對膜蛋白的全新藥物模態。

圖 使用GEM 進行LoF突變體拯救

總的來說，該研究提出并驗證了“GPCR外骨骼蛋白”這一概念，不僅通過高通量“探針”算法揭示了GPCR表面未被探索的別構位點，更建立了一套通用的膜蛋白別構調節劑從頭設計平臺。通過AI設計靶向受體跨膜結構域的蛋白質，為解決傳統小分子藥物難以攻克的 GPCR 功能缺失性疾病提供了治療策略。“外骨骼蛋白”不僅是一種強大的藥理學工具，也標志著在攻克復雜基因缺陷相關疾病的征途中邁出了關鍵一步，展現了其作為GPCR等膜蛋白新型調控手段的巨大潛力。

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09957-1

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