G蛋白偶联受体（GPCR）是人体中最大的膜受体家族，参与视觉、嗅觉、神经传导和免疫调控等多种生命活动。虽然C类GPCR（如谷氨酸受体）已被证实以二聚体形式发挥功能，A类GPCR是否存在二聚化机制，长期以来仍是学界争议焦点。传统观点认为，A类GPCR作为单体即可完成信号转导。本研究通过结构生物学手段明确展示，A类孤儿受体GPR3能够在活化与非活化状态下稳定形成功能性二聚体，此外还发现一种拮抗剂靶向二聚体界面上，通过变构机制调控其下游信号通路。

7月21日，清华大学生物医学交叉研究院郑三多实验室在《e生命》（eLife）杂志发表了题为“二聚体GPR3在二聚界面中的配体变构调制”（Allosteric modulation of dimeric GPR3 by ligands in the dimerization interface）的研究论文。该研究结合冷冻电镜（cryo-EM）高分辨结构、突变功能验证实验，揭示了A类GPCR GPR3的二聚化特性及其变构调节机制，为靶向神经退行性疾病的药物开发提供了新的思路与结构基础。

郑三多实验室致力于探索A类孤儿G蛋白偶联受体（GPCR）的内源性配体，并为孤儿受体功能的研究提供药理学工具。此前实验室发现了一组A类孤儿GPCR的子集，这些受体呈现出显著的Gs蛋白相关组成型活性，包括GPR174、GPR3、GPR6和GPR12等受体。在这些受体中，即使在无外源配体作用的情况下，细胞内cAMP水平可升高至与完全激活状态相当的程度。通过解析不加外源配体的GPR174-Gs复合物的冷冻电镜结构，他们发现内源性溶血磷脂酰丝氨酸（lysoPS）完全占据了GPR174的正构配体结合位点，并使受体处于Gs通路的最大激活状态。这种高度组成型活性导致外源性lysoPS无法进一步提高cAMP水平，从而揭示了其高活性状态的分子机制。这一研究策略已成功扩展至GPR3的相关研究中。研究人员在GPR3-Gs复合物结构中同样观察到一个共纯化的脂质分子，提示其可能为GPR3的内源性配体。目前GPR3内源配体的具体鉴定工作仍在进行中。值得注意的是，该结构还揭示了GPR3以“单体—二聚体”共存形式存在的独特构象特征，为后续研究提供了新的结构生物学线索。

研究团队首先通过冷冻电镜技术，解析了GPR3与Gs蛋白复合物的活化态结构。在突变优化Gs偶联位点后，意外发现GPR3在同一样品中既以单体存在（86%），也形成清晰的二聚体结构（14%），后者分辨率达到2.7 Å。更为重要的是，研究者还获得了GPR3在非活化状态下的二聚体结构（3.32 Å）。结构分析发现，二聚化界面主要由TM5和TM6两条跨膜螺旋构成，并被两个胆固醇分子稳固包裹，形成一个典型的疏水界面（图1）。研究者进一步构建了一个无法形成二聚体的GPR3突变体，发现破坏二聚体界面可以显著增强Gs的偶联能力，这说明GPR3的二聚体形态实际上是一种功能抑制状态。这可能是一种天然的调控机制，用于在受体表达量过高时减弱其信号输出，防止过度激活。

图1. GPR3 在活性状态下形成二聚体

除了结构和功能机制的揭示，本研究另一亮点是发现了小分子药物AF64394对GPR3具有选择性的变构抑制作用。通过解析AF64394与GPR3的复合结构，研究者发现该分子并不直接占据正构口袋，而是插入GPR3二聚体界面处。AF64394结合后，导致胞内环ICL2由α螺旋向无序卷曲转变，破坏了其与Gαs蛋白之间的关键疏水相互作用，从而显著降低了Gs偶联效率（图2）。AF64394还能促进GPR3的二聚化，完全阻断其单体形态的出现，提示其可能具有“分子胶”样作用。

图2. AF64394与GPR3结合的结构分析

GPR3与 GPR6 和 GPR12 同属一个亚家族，与内源性大麻素受体具有结构相似性，广泛参与神经元分化、情绪调节、疼痛感知及脂肪代谢等多种生理过程，且与阿尔茨海默症和帕金森病等重大疾病密切相关。针对该家族受体的研究为开发针对神经退行性疾病如阿尔茨海默症和帕金森病的新疗法提供了理论基础。

北京生命科学研究所/清华大学生物医学交叉研究院郑三多实验室的2020级博士生邱泽铭、2021级博士生王巍和2022级博士生聂莹莹为本文的共同第一作者；郑三多助理教授为本文通讯作者。