专家点评Cell | “化敌为友”——刘翔宇团队揭示G蛋白偶联受体活性调节新模式|cell|介导|刘翔宇|细胞|蛋白

点评 |Robert J. Lefkowitz（杜克大学）、Brian K. Kobilka（斯坦福大学）、徐华强（中国科学院上海药物研究所）

G 蛋白偶联受体（G Protein-Coupled Receptors,GPCRs）是人体基因组中最大的膜蛋白受体超家族，也是最重要的药物靶点之一。这类蛋白广泛分布于各类细胞表面，能够感知细胞外多种信号分子，并介导下游信号级联反应。 GPCR的信号传导主要依赖两种不同的转导蛋白——G 蛋白和β-arrestin 蛋白。前期研究发现这两类信号转导蛋白结合受体胞内同一口袋，并介导了不同的下游信号，具有竞争关系。此外， β -arrestin 蛋白的招募会终止受体 G 蛋白信号通路，并引发受体内吞。在一些情况下，GPCR下游的G蛋白和β-arrestin信号通路均被激活会导致 “在靶”副作用。例如，吗啡等阿片类镇痛药物的镇痛作用依赖于阿片类受体下游 G 蛋白信号通路，而 β -arrestin 信号通路的激活则会导致药物耐受等问题。为解决这一问题，传统的策略是开发偏向激动剂（Biased agonist），即能够偏向性激活其中一条信号通路，而对另外一条信号通路激活能力较弱的激动剂。这一经典观点认为GPCR下游的G 蛋白信号通路和 β -arrestin 信号通路存在“非此即彼”的竞争关系。科学家们一直在探索是否存在GPCR活性调控的新机制，以指导开发具有全新药理性质的药物。

2026 年 1 月 2 7 日，清华大学药学院 / 北京生物结构研究中心 / 清华大学 - 北京大学生命科学联合中心刘翔宇课题组在Cell在线发表题为 “ 通用型別构激动剂稳定的 GPCR-G 蛋白 - β -arrestin 超级复合物 ” (A GPCR-G protein-β-arrestin megacomplexenabledby a versatile allosteric modulator) 的研究论文。该研究通过建立一种新型GPCR 药物筛选策略（SPS 方法），鉴定发现一种原用于艾滋病治疗的临床药物阿扎那韦（atazanavir）是多种 GPCR 的通用型正向别构调节剂（pan-positive allosteric modulator，pan-PAM），并能够介导 GPCR 下游 G 蛋白信号通路的持续激活。冷冻电镜结构揭示该小分子以分子胶水的方式促进GPCR-G 蛋白- β -arrestin超级复合物的形成，从而实现G蛋白和 β -arrestin“化敌为友”的共存。这个工作揭示了 GPCR 信号转导调控的新模式，为 GPCR 药物开发提供了新的思路。

自主研发 SPS 高通量筛选方法

在本工作中，研究人员首先在酿酒酵母中建立了一种新型 GPCR 激动剂筛选方法。基于 GPCR 和下游 G 蛋白之间保守的相互作用模式，研究人员巧妙地将酵母色氨酸合成通路中的关键酶 Trp1p拆分成两个部分，并分别连接至 GPCR和 miniG蛋白，构建了重组酵母。在GPCR未被激活的状态下，酵母因缺少完整的 Trp1p 而无法合成色氨酸，生长受到严重抑制；当 GPCR 被激活后，miniG 蛋白被招募到受体附近，从而组装形成完整的 Trp1p 蛋白，恢复酵母的色氨酸合成能力并加速生长。因此，通过检测酵母生长速度的差异即可判断 GPCR 是否被激活。由于该报告系统是基于酵母的生长压力设计的，因此被命名为“生存压力选择系统”（Survival Pressure Selection, SPS，图1）。

图1：SPS 方法设计示意图。

利用 SPS 方法鉴定阿扎那韦为多个 GPCR 的通用型别构激动剂

通过SPS方法，研究人员对二型糖尿病的潜在治疗靶点GPR119 进行了激动剂筛选，并鉴定到临床药物阿扎那韦为GPR119的新型激动剂。冷冻电镜结构表明，阿扎那韦作为别构调节物结合在受体第六和第七个跨膜螺旋（TM6/7）的胞内侧，并识别 TM6 的外摆构象。受体 TM6外摆是GPCR激活的共同特征，序列比对结果也显示阿扎那韦占据的结合口袋在GPCR中较为保守，这暗示该小分子可能具有激活不同GPCR 的潜力。研究人员进一步探索了阿扎那韦对于其他GPCR的激活能力，发现它能够广泛激活包括肾上腺素受体，阿片类受体和毒蕈碱乙酰胆碱受体在内的多种GPCR，表现出广谱的激活效果以及与正构激动剂的协同作用，因此可以作为一种通用型正向别构调节剂 pan-PAM。进一步地，研究人员解析了阿扎那韦结合 β 1肾上腺素受体与 Gs 复合物的冷冻电镜结构，确认了该小分子结合在相同口袋。

阿扎那韦介导 G 蛋白信号持续激活

在探究阿扎那韦药理性质的过程中，研究人员意外发现它与传统GPCR 激动剂相比具有截然不同的激活模式。通常GPCR 下游的 G 蛋白信号具有特定的时间窗口，即信号先持续上升一段时间后维持稳定或缓慢下降，表现为短暂激活。在这个过程中，GPCR 激活之后招募 β- arrestin蛋白，介导了 G 蛋白信号通路脱敏。但被阿扎那韦激活之后，多种不同亚型的 GPCR 均表现出超过60分钟的持续上升 G 蛋白信号，显示出持续激活的特征。研究人员最初怀疑阿扎那韦具有 G 蛋白偏好性，即不招募 β- arrestin蛋白，从而无法终止G 蛋白信号通路。但实验结果证实，阿扎那韦同样能够促进 β- arrestin蛋白的招募。这表明阿扎那韦作用于受体后，能在招募 β- arrestin蛋白的同时持续激活 G 蛋白信号通路。两类信号转导蛋白可以同时结合在受体附近，这与传统的GPCR信号转导调控范式相悖。

阿扎那韦稳定 GPCR-G 蛋白 - β -arrestin 超级复合物

杜克大学的 Robert J. Lefkowitz 教授团队在 2016 年和 2019 年先后报道了 GPCR-G 蛋白 - β -arrestin 蛋白信号转导超级复合物（megacomplex）的相关研究。他们的工作发现了B 类 GPCR （Class B GPCR）的羧基端对 β -arrestin 具有高亲和力，能够以独特的 “ 尾部结合 ” 方式稳定地捕获 β -arrestin 。在这种情况下， β -arrestin 与G蛋白占据不同的结合口袋，使得二者同时与受体共存，从而支持下游 G 蛋白信号通路的持续激活。但是这种复合物的形成依赖于受体羧基端丰富的磷酸化位点和对 β-arrestin 的高亲和力，因此被认为是 Class B GPCR 特有的现象。而本研究涉及的 GPCR 均属于Class A GPCR，缺乏上述特征，理论上无法通过类似的机制实现G蛋白信号的持续激活。那么，是否阿扎那韦具有某种特殊药理性质稳定了这些Class A GPCR与下游G蛋白和 β -arrestin的共存状态？研究人员通过多项共定位实验发现，阿扎那韦确实具有这一独特能力：它能将 β -arrestin 以某种未知构象锚定在受体附近，而不与 G 蛋白竞争，实现G蛋白信号的持续激活。这一过程不需要受体羧基端对 β -arrestin 具有高亲和力。

而阿扎那韦是如何实现这一点的？通过冷冻电镜解析超级复合物的结构成为回答这一问题最直接的方式。但这一结构的解析极具挑战性， β -arrestin 与 GPCR 之间的亲和力较低，结合不够稳定。复合物的高度动态性和异质性也为三维重构带来重重障碍。通过尝试多种数据处理策略，研究人员最终获得了阿扎那韦介导的超级复合物的高分辨率结构，分辨率达 3.2 Å。该结构清晰地展示了阿扎那韦如何介导超级复合物的组装。在此复合物中，G 蛋白仍结合在受体胞内侧的口袋内，与经典的 GPCR-G 蛋白复合物中的结合位置相似。而 β -arrestin 通过阿扎那韦的介导以“单摆构象”锚定在受体 TM6/7 的边上。这一构象完美兼容 G 蛋白的结合，且不同于以往报道的 β -arrestin 结合方式。阿扎那韦以分子胶水的方式结合在受体和 β -arrestin蛋白共同形成的口袋中，促进了两者的直接结合。

综上所述，研究人员通过新型GPCR 激动剂筛选方法（SPS方法），鉴定出临床上已使用多年的艾滋病治疗药物阿扎那韦为多种 GPCR的通用型别构激动剂，并发现阿扎那韦具有独特的药理学性质，可介导 GPCR 下游 G 蛋白信号通路的持续激活，促进 GPCR-G 蛋白-β-arrestin 蛋白信号转导超级复合物的组装。研究人员通过冷冻电镜捕获了这一超级复合物的结构，清晰阐明了阿扎那韦是如何以分子胶水的方式稳定 β- arrestin 的独特单摆构象。这一研究揭示了 GPCR 信号转导调控的新模式，为开发具有新型药理性质的 GPCR 药物提供了全新思路和结构基础。经典范式认为， GPCR 下游的 G 蛋白和 β-arrestin 蛋白处于竞争模式。两种信号转导蛋白如同在拔河比赛中互相对抗。在这种理念下，平衡激动剂导致两个信号通路势均力敌，而偏向激动剂则使得其中一方更具优势。但无论如何，它们始终维持着相互竞争的状态。相比之下，本研究发现的新模式可视为一种非竞争模式。在此模式中， G 蛋白与 β-arrestin 蛋白 “ 化敌为友 ” ，共同调控下游信号转导。研究者将其命名为桥接信号转导（ Bridged Signaling ）（图2）。

图2：本工作发现的桥接信号转导模式图。

总体而言，这项工作不仅在技术上实现了结构与功能的高度整合，更在概念层面完成了对 GPCR 信号转导经典框架的重构。它并非对既有模型的修补，而是提出了一个更具包容性和解释力的新范式。对于长期致力于 GPCR 结构与信号机制研究的学者而言，这是一项站在前人工作基础之上、同时又清晰指向未来的重要成果。它将深刻影响我们理解 GPCR 生物学的方式，也必将对下一代 GPCR 靶向药物的研发产生持续而深远的影响。

清华大学药学院刘翔宇副教授课题组博士后何国栋博士，博士生孙沁心，已出站博士后许心宇博士（现为加州大学旧金山分校博士后）为本研究的第一作者。许心宇博士和刘翔宇副教授为本研究的通讯作者。刘翔宇课题组原成员张书豪博士（现为斯坦福大学博士后）和孙晓鸥博士为研究做出了重要贡献。清华大学生命科学学院闫创业副教授和孔方博士（现为西湖大学博士后）为冷冻电镜数据处理提供了重要建议和帮助。沈阳药科大学无涯创新学院林斌副教授在分子动力学模拟方面提供了重要帮助。常州大学药学院陈新教授和硕士生叶苛欣在小分子合成方面提供了重要帮助。斯坦福大学 Brian Kobilka教授以及清华大学基础医学院已出站博士后衡杰博士（现为百济神州科学家）为本工作提供了重要建议，本研究使用的 NanoBiT 系统相关质粒由日本京都大学/东北大学 Asuka Inoue 教授馈赠。

专家点评

Robert J. Lefkowitz (杜克大学)

Originally discovered as molecules which desensitize or turn off G-protein signaling by GPCRs, beta-arrestins have, over the past 30 years, been increasingly recognized as multifunctional signal mediators and modulators. Their additional functions include internalization of the receptors through clathrin coated pits, and acting as signal transducers in their own right, serving as both scaffolds and direct allosteric activators of various effectors. Seemingly paradoxically, it has also recently been appreciated that they can prolong as well as abbreviate the duration of G-protein mediated signaling. However, the molecular mechanisms by which these remarkably versatile proteins accomplish these various functions and how these might be leveraged for therapeutic gain have been largely unknown. In this highly original study by He et al the authors discover a versatile positive allosteric modulator, atazanavir, which enhances the ability of GPCRs to interact simultaneously and coordinately with both beta arrestin and G-proteins. Surprisingly, in contrast with the overwhelming majority of allosteric GPCR modulators which are highly specific for a single GPCR, this compound interacts with a variety of receptors to enhance formation of this megacomplex. The work has important implications not only for deeper understanding GPCR signaling but for potentially modulating it in therapeutically relevant ways.

专家点评

Brian K. Kobilka (斯坦福大学)

There is a growing appreciation of the complexity of G protein coupled receptor (GPCR) signaling where specific receptors can signal through multiple G protein isoforms as well as through β -Arrestins which are also known to desensitize G protein signaling. Compounds targeting a specific GPCR may preferentially interact with and signal through G proteins (G protein biased) or arrestins (arrestin biased). This is particularly important when one pathway has a beneficial therapeutic effect while the other produces adverse effects. A new study by He and colleagues, using an innovative screening strategy (Survival Pressure Selection), identified an allosteric compound (Atazanavir) that promotes both arrestin mediated internalization and, at the same time, sustained signaling through Gs in several GPCRs including GPR119 and the β 2 Adrenergic Receptor ( β 2AR). The authors were able to obtain a cryoEM structure of a complex consisting of β 2AR, Gs and β -Arrestin (a Megaplex) where Atazanavir binds to a shallow pocket formed by the lipid facing sides of transmembranes 6 and 7 where it stabilizes a noncanonical interaction between the β 2AR and β -Arrestin without interfering with coupling to and activation of Gs. This study demonstrates the potential to identify allosteric compounds with novel signaling profiles.

专家点评

徐华强（H. Eric Xu ，中国科学院上海药物研究所）

G 蛋白偶联受体（GPCR）是人体内规模最大、药物可及性最高的一类膜蛋白受体，超过三分之一的临床用药直接或间接作用于该家族。围绕 GPCR 如何在细胞内实现信号选择性、持续性与空间特异性调控，始终是结构生物学与药理学领域的核心科学问题。

在过去十余年中，我们以及国际同行通过冷冻电镜等结构手段，先后解析了多种 GPCR–G 蛋白复合物、GPCR–β-arrestin 复合物，逐步认识到 β-arrestin 并非仅是“终止信号”的负调控因子，而是参与更为复杂的信号整合过程。然而，一个关键问题始终悬而未决：G 蛋白与 β-arrestin 是否、以及如何在同一受体上协同工作？

近日，清华大学刘翔宇课题组在《Cell》发表的这项研究，给出了迄今为止最具说服力、也是最具颠覆性的答案。

一、从“互斥模型”到“整合模型”：超大复合物的结构性证据

传统教科书模型长期强调 G 蛋白信号与 β-arrestin 信号之间的“二元对立”：前者负责信号激活，后者介导脱敏与内吞，两者难以共存。然而，这一研究通过高分辨率冷冻电镜，首次直接捕捉并解析了一种稳定存在的 GPCR–G 蛋白–β-arrestin 超大复合物（megacomplex）结构，从结构层面否定了这一简化模型。

值得注意的是，这一超大复合物并非依赖受体 C 端磷酸化尾部的经典 arrestin 结合模式，而是由小分子药物 Atazanavir 作为“分子胶水”，在受体胞内跨膜区稳定 G 蛋白与 β-arrestin 的同时结合。β-arrestin 在其中呈现出一种明显不同于传统“插入式”结合的非经典构象，其指状环（finger loop）不再深入受体核心，而是转向与 Gα 亚基形成新的蛋白–蛋白界面。

这一结构特征，与我们此前在 GPCR–信号蛋白复合体研究中逐步形成的认识高度契合：β-arrestin 的功能并非由单一“构象模板”决定，而是具备高度可塑性的信号整合能力。该研究将这一理念推进到了一个全新的层级。

二、持续性信号的分子基础：内吞不是终点，而是延伸

该研究的另一项关键突破，在于清晰阐明了 GPCR 内吞后仍可维持 G 蛋白信号输出（sustained signaling）的结构基础。

长期以来，多个 GPCR 体系中观察到“内体信号”“持续性 cAMP 产生”等现象，但缺乏统一、直接的分子解释。该研究显示，Atazanavir 稳定的超大复合物能够在受体内吞后持续存在，使 GPCR 在胞内区室中仍维持 G 蛋白活化状态。这一发现不仅为相关生理与病理现象提供了合理解释，也标志着 GPCR 信号调控从“时间维度”走向“时空一体化调控”的新阶段。

三、从结构生物学到药物发现：Pan-PAM 打开新药设计空间

尤为值得强调的是，该研究并未止步于机制阐释，而是直接触及 GPCR 药物发现的核心命题。Atazanavir 展现出对多个 A 类 GPCR 的广谱正向别构调节活性（Pan-PAM），提示在 TM6/TM7 交界区域可能存在一个高度保守、可被药物利用的“信号整合热点”。

这对药物研发具有深远意义。传统激动剂往往面临快速脱敏、疗效衰减及副作用累积等问题，而基于“超大复合物”稳定的新型调节策略，有望实现信号质量而非单纯信号强度的精准调控。这种“信号编程（signal programming）”理念，代表着 GPCR 药物设计范式的实质性跃迁。

https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.12.023

制版人：十一

学术合作组织

（*排名不分先后）