游离脂肪酸由以羧酸为末端的碳氢链组成，不仅是人类和动物的主要能量来源，还在许多细胞功能中扮演重要的信号分子角色。中链脂肪酸是一类碳链长度为8-12个碳的羧酸，包括癸酸（C10）、十一酸（C11）和月桂酸（C12），以及它们的2-羟基或3-羟基形式（如3-OH-C12）。中链脂肪酸在能量代谢和炎症等方面发挥着重要作用。研究显示，3-OH-C12的产生与脂肪酸的β-氧化过程密切相关，当该过程发生紊乱时，血浆中3-OH-C12浓度可以升高到微摩尔级别。此外，研究发现3-OH-C12还能够调节促炎症细胞因子IL-6的释放，表明其在炎症过程中的重要性。
GPR84是A类G蛋白偶联受体（GPCR）的一员，虽然可被包括3-OH-C12在内的多个中链脂肪酸激活，但由于激动效力（potency）较低，中链脂肪酸是否是GPR84的内源性配体一直存在争议。GPR84主要在免疫细胞中高表达，包括外周的单核细胞、巨噬细胞、中性粒细胞以及大脑中的小胶质细胞，并被确认为促炎症受体，是多种炎症性疾病的潜在治疗目标，包括溃疡性结肠炎、纤维化疾病、非酒精性脂肪性肝炎和急性呼吸窘迫综合症等。目前已有多个GPR84拮抗剂，如GLPG1205、PBI-4050和PBI-45471，在炎症和纤维化疾病的动物模型中显示出一定的治疗效果，并已经进入临床研究阶段。
上海药物所谢欣研究员团队和南发俊研究员团队合作在GPR84受体的拮抗剂和激动剂的发现以及药物开发中开展了大量的研究工作。开发的一类全新骨架的GPR84选择性拮抗剂（化合物33，现被命名为BGT-004，J Med Chem. 2022;65(5):3991-4006），口服可有效缓解炎症性肠病模型小鼠的肠炎症状，疗效优于临床一线药物美沙拉嗪，BGT-004目前已完成系统性临床前研究，将于近期提交正式IND申请，充分展示了GPR84在病理生理中的重要作用。团队也通过对国家化合物样品库的大规模筛选发现一个GPR84激动剂ZQ-16（J Pharmacol Exp Ther. 2016;357(2):337-44），随后针对ZQ-16的结构优化获得了迄今为止活性最强的GPR84激动剂LY-237（ACS Medicinal Chemistry Letters, 2016;7(6):579-83）。该超强激动剂为稳定GPR84与G蛋白复合物构象提供一种可能。
2023年6月6日，上海药物所徐华强/尹万超团队和谢欣团队合作，在Nature Communications上发表了题为“Structural insights into ligand recognition and activation of the medium-chain fatty acid-sensing receptor GPR84” 的最新研究成果。在该研究中，研究团队利用冷冻电镜技术解析了GPR84与小分子激动剂LY237及Gαi蛋白的复合物结构，分辨率为3.23埃（图1a）。而在未添加外源激动剂的GPR84与Gαi蛋白复合物的结构中，研究人员意外发现正构结合位点存在小分子的密度 (图1b)。通过小分子密度特征分析和功能实验验证(图1b-c)，研究人员推测该小分子可能是3-OH-C12，并猜测其为GPR84的内源性配体。为进一步证实该猜想，研究人员在添加外源3-OH-C12情况下解析了GPR84-Gαi蛋白复合物结构，分辨率达到2.89埃(图1d)，初步确证3-OH-C12为GPR84内源性配体。
本研究清晰的展示了GPR84独特的结构特征，包括延长的TM5末端与下游Gαi蛋白产生更广泛的相互作用，胞外端独特的ECL2与TM3及N端形成的二硫键组合导致配体结合口袋上方可被完全封闭等 (图1e-f)。 GPR84跨膜区TM4/5之间的疏水氨基酸簇，形成一个阻断墙，正好可以容纳LY237及3-OH-C12的烷基尾，导致对烷烃链长度的精确选择。而ECL2上R172的正电荷侧链与LY237或3-OH-C12极性末端的相互作用对激动剂分子的锚定和稳定非常关键。为进一步研究配体进入GPR84结合口袋的路径，研究人员应用分子动力学模拟和突变功能实验，证明在激动剂配体的识别初期，GPR84通过胞外侧的极性氨基酸（特别是R349和H352）的极性侧链吸引带负电的配体极性头部，并通过受体胞外部分的构象变化最终诱导激动剂配体进入结合口袋。这些研究表明ECL2不仅直接参与激动剂的结合，而且在配体从细胞外环境进入受体正性结合口袋的过程中也起着关键的作用。此外，针对GPR84激活机制的对比研究中还发现了该受体独特的“duel toggle switch”激活模式，即6.48保守位点取代残基Y332与对应3.36位N104的氢键互作，在响应激动剂配体结合后的协调构象变化可以促进受体胞内端DRY和NPxxY基序的构象改变进行Gαi蛋白偶联，这进一步丰富了对A类GPCR激活机制的多样性的理解。
本研究不仅确证了3-OH-C12为GPR84内源性配体，并促进了科研人员对GPR84受配体识别和配体进入机制、受体激活和Gαi蛋白偶联机制的理解，为GPR84生理功能研究及针对GPR84的药物研发提供了重要的参考。
本研究中的冷冻电镜数据由上海药物所高峰电镜中心收集。上海药物研究所刘恒博士、张庆博士、博士研究生何欣恒为该论文的共同第一作者。徐华强研究员、谢欣研究员、尹万超研究员为共同通讯作者。该工作还得到了南发俊研究员的支持。该项研究获得了包括上海市重大科技专项、国家自然科学基金委、国家卫健委重大科技专项、国家重点基础研究计划、广东省高水平新型研发机构/广东省高水平创新研究院等经费的资助。
全文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-38985-6
