G 蛋白偶联受体（GPCR）是人体内最大的膜蛋白家族，负责将细胞外的各种信号转导至细胞内，调控着广泛的生理过程。目前，绝大多数 GPCR 药物通过结合受体的正构位点（即天然配体结合处）发挥作用。然而，由于 GPCR 同一家族成员间正构位点高度保守，这类药物常因选择性不足导致副作用。此外，对于由受体功能缺失（LoF）突变引起的遗传性疾病，传统正构配体往往束手无策，留下了巨大的治疗空白。别构调节作为一种极具潜力的策略，通过靶向受体上不同于正构位点的区域来调控受体，有望克服上述局限。虽然自然界中存在如 RAMP、MRAP等跨膜蛋白可通过跨膜相互作用调节GPCR，但人工设计靶向GPCR跨膜结构域（TMD）的调节蛋白一直被视为蛋白质科学领域的“无人区”，其难点不仅在于要特异性结合受体指定跨膜表位，还要求所设计蛋白能够识别受体特定构象进而有效调节GPCR 的信号转导功能。
2026年2月16日，浙江大学张岩教授和章敏研究员团队在Nature杂志上发表文章De novo Design of GPCR Exoframe Modulators，打破了传统GPCR配体设计的思维定式，首次提出了“GPCR外骨骼蛋白（GEM）”这一全新概念。该文章在大年初一投稿，历时一年，在马年新年钟声敲响时正式上线。团队利用深度学习方法，成功从头设计了一系列能够靶向GPCR跨膜结构域的调节蛋白，这些GEM如同“外骨骼”一般，能特异性结合特定受体跨膜表面，稳定受体的特定构象，实现包括激动、拮抗和偏向性信号转导在内的多样化别构调节功能。尤其是设计出的“激动-正向别构调节剂”（ago-PAM），成功挽救了多种与疾病相关的多巴胺D1受体（D1R）功能缺失突变，为治疗GPCR相关基因缺陷相关疾病开辟了全新的途径。
为了实现针对GPCR跨膜区域的功能化蛋白设计，研究团队开发了一套基于 RFDiffusion、ProteinMPNN 和 AlphaFold2-multimer 的高精度设计流程。他们首先开发了“探针”算法，通过高通量产生单次跨膜螺旋骨架、设计序列和预测结合状态，分析了多巴胺 D1 受体（D1R）表面的潜在结合位点，发现TM1/2/4、TM3/4/5和TM5/6/7区域均适合单次跨膜螺旋蛋白结合。随后，针对这些不同的结合区域和受体功能状态，配合 ProteinMPNN-AlphaFold2 （MPNN-AF2）重折叠进行序列-结构共设计，利用类似于“幻觉”（hallucination-like）的迭代优化方案，分别进行GEM 设计。
为了控制GEM的靶向位置和功能，研究团队在迭代优化过程中引入了三种“结构提示”（Structural Prompting）策略：“位点导向插入”、“位点阻断预占”和“构象诱导”，其中位点导向插入可通过将 GEM 序列插入受体指定区域以限制可能的靶向区域；位点阻断预占通过在迭代优化过程加入已设计的高置信度 GEM占据非预期位置，避免当前设计“脱靶”并聚焦预期位置进行设计；构象诱导通过在结构预测中加入 G 蛋白和激活态结构模板，引导迭代优化中针对受体激活状态进行优化。
最终，在迭代优化和结构提示策略的基础上，获得了四种具有不同结合模式与功能的 GEM：锚定型（Anchor）、偏向别构型（BAM）、负向别构型（NAM）和激动-正向别构型（ago-PAM）。
图 GEM从头设计流程与结构提示策略
随后，研究团队对GEM 的功能进行了药理学实验验证并使用冷冻电镜解析了四种 GEM 与 D1R 结合的高分辨率结构，全面揭示了“外骨骼”调控受体的作用机制：
1.GEManchor（锚定型）：结合在TM1/2/4区域，与受体形成广泛疏水相互作用，但不影响受体功能；
2.GEMBAM（偏向别构型）：靶向TM3/4/5区域，意外地展现出偏向性信号调节能力，在几乎不影响G蛋白（cAMP）信号的同时，显著抑制β-arrestin信号，为开发高选择性、低副作用的偏向性调节蛋白提供了潜在参考；
3.GEMNAM（负向别构型）：特异性结合于非活性态受体的TM5/6/7区域，结构研究显示其限制了激活所必需的TM6螺旋向外摆动，从而高效阻断了下游信号转导，表现出极强的负向别构调节活性。
4.GEMago-PAM（激动-正向别构型）：基于“构象诱导”策略设计，它能够像“钳子”一样精准钳制并稳定受体 TM6 外移的活性构象。功能实验表明，它表现出强大的直接激动活性，不仅能激活正常的野生型受体，还可能克服遗传突变造成的障碍，从而成为挽救受体功能缺失突变体的潜在有效手段。
冷冻电镜解析的复合物结构与设计的结构高度一致（RMSD低至1.0 Å），验证了该设计方法的极高精确度。此外，研究还展示了 GEM 的模块化潜力，多个 GEM 可以像乐高积木一样同时结合在一个受体上，并通过类似“逻辑门”的形式重编程受体的信号输出。
值得一提的是，该研究展示了 GEM 在治疗应用上的巨大潜力。目前已鉴定出4000 余种GPCR功能缺失突变（LoF）与数百种遗传疾病的发生发展直接相关（数据来源：GPCRdb），部分受体的功能缺失突变会引发包括特定亚型帕金森病、遗传性肥胖症等疾病。实验结果表明，GEMago-PAM 能够直接作用于受体跨膜域，通过帮助稳定受体的活性构象，成功恢复了包括 T37K（与婴儿帕金森肌张力障碍相关）在内的多种 D1R 突变体的信号转导功能。这种通过“外部加固”修复受体功能的作用机制，为传统小分子难以攻克的基因缺陷相关疾病提供了有效策略，表明GEM 不仅是一种强大的药理学工具，更代表了一种针对膜蛋白的全新药物模态。
图 使用GEM 进行LoF突变体拯救
总的来说，该研究提出并验证了“GPCR外骨骼蛋白”这一概念，不仅通过高通量“探针”算法揭示了GPCR表面未被探索的别构位点，更建立了一套通用的膜蛋白别构调节剂从头设计平台。通过AI设计靶向受体跨膜结构域的蛋白质，为解决传统小分子药物难以攻克的 GPCR 功能缺失性疾病提供了治疗策略。“外骨骼蛋白”不仅是一种强大的药理学工具，也标志着在攻克复杂基因缺陷相关疾病的征途中迈出了关键一步，展现了其作为GPCR等膜蛋白新型调控手段的巨大潜力。
https://www.nature.com/articles/s41586-025-09957-1
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