Nat Commun丨张岩团队揭示APLNR单体-二聚体动态转变机制，助力精准药物设计|二聚体|复合物|张岩(南宋)|蛋白|解离|静息

G 蛋白偶联受体（ GPCR ）是细胞膜上的 “ 信号兵 ” ，负责将外界信号转化为细胞内的生理反应。其中， Apelin 受体（ APLNR ）被誉为心血管疾病、肥胖和肌肉衰减症等领域极具潜力的药物靶点。然而， APLNR 具有多变的聚合形式，时而 “ 孤军奋战 ” （单体），时而 “ 成双成对 ” （二聚体），从而引发的复杂信号通路，长期以来成为靶向药物开发的主要障碍。这些不同的聚合形式是相互转变还是各自独立地介导下游信号转导？它们在激活过程中如何动态转变（图1）？这些问题如同锁住的密码箱，制约着精准药物设计。只有深入理解药物靶标的作用机制，解析药物靶点的原子密码，帮助我们理解疾病病理过程中 GPCR 不同聚合形式动态变化规律，才能进行精准药物设计。

图 1 APLNR 单体与二聚体激活过程是相互转变或是各自独立介导下游信号的示意图

继 2024 年在Cell杂志上成功设计出绝对 G 蛋白信号选择性的 APLNR 激动剂（），为改善心肌肥厚提供全新策略之后，浙江大学医学院张岩教授团队再次取得新进展。近日，该团队在 Nature Communications 上发表最新研究成果，题为 Dynamic Monomer-Dimer Transition in Ligand-induced Apelin Receptor Activation 。这项研究为APLNR靶点药物开发提供了不同聚合形式动态转变机制上的全新见解，从原子层面破解了受体“变形记”的密码。

捕捉受体的 “ 千姿百态 ” ： 12 种组装体构象全景式解析

APLNR 形态多变：单体或二聚体，静息或激活，有或无 G 蛋白结合。为看清它的变化，张岩团队用冷冻电镜拍下 12 张 “ 高清快照 ”（图2），从无配体静息态、小分子激动剂 AMG986 或纳米抗体激动剂 JN241-9 结合中间态，到 G 蛋白结合全激活态，首次全景式揭示了单体与二聚体的动态演变轨迹。

图 2 不同状态下单体与二聚体 APLNR 的电镜密度图

三大发现揭开 APLNR 单体 - 二聚体动态转变的奥秘

发现一：二聚体与单体，信号 “ 偏好 ” 各不同

研究团队通过功能实验发现，尽管 APLNR 的二聚体和单体在激活 G 蛋白的能力上相差无几，但在激活 β- arrestin （与心肌肥厚副作用相关的信号通路）时，单体形式表现出比二聚体形式更高的效力。这意味着，受体是以 “ 单身 ” 还是 “ 成对 ” 的形式存在，直接影响了下游信号的选择性，也解释了为何此前开发的某些激动剂会带来心肌肥厚的副作用 —— 它们可能更容易促使受体以单体形式存在。

发现二： G 蛋白偶联是推动二聚体解离的 “ 关键推手 ”

在缺乏 G 蛋白的情况下， APLNR 主要以二聚体形式存在，然而，当引入 G 蛋白后，情况发生了逆转：单体 -G 蛋白复合物的数量远超二聚体 -G 蛋白复合物。这说明， G 蛋白的结合极大地促进了二聚体解离为单体。进一步的结构比对揭示了背后的机制： G 蛋白结合时会与 protB 发生结构 “ 碰撞 ” ，迫使 protB “ 让位 ” 并解离，从而形成更稳定的单体 –G 蛋白复合物 —— 后者的结合界面更为紧密（接触面积 1213 Å² vs. 二聚体中的 917.7 Å² ），这也解释了为何单体复合物是激活终态的优势选择。与此同时，在完全激活态中仍能捕捉到少量二聚体 –G 蛋白复合物，这可能是 G 蛋白与 protB 同时发生旋转、在空间上彼此 “ 妥协 ” 的结果（图3）。

图 3 不同配体激活 APLNR 的过程中单体与二聚动态转变的模式图

（箭头粗细代表构象的占比）

发现三：不同配体激活时，致二聚体 “ 预解离 ” 能力强弱有别

这是本研究最令人兴奋的发现之一，强效小分子激动剂 AMG986 无需 G 蛋白，就能主动诱导二聚体中的一个单体（ protB ）提前 “ 热身 ” ，使其 TM6 向外打开（图3），二聚体界面变得松散，做好 “ 分家 ” 的准备。相比之下， JN241-9 则 “ 温和 ” 得多，在缺乏 G 蛋白时，它虽然能结合受体，但无法诱导 TM6 的打开，受体仍维持在非活性构象。只有当 G 蛋白出现时， JN241-9 结合的二聚体才会发生解离。

简言之，配体自身就已决定了二聚体的 “ 分家 ” 倾向。 AMG986 主动拆解， JN241-9 被动等待。这一差异，结合下游信号选择性功能实验，解释了为何更强效配体往往伴随更强的 β arrestin 活性和副作用，也为设计 “ 恰到好处 ” 的偏向性激动剂提供了分子蓝图。

本工作还进一步揭示了以下关键机制：

1. 直观展示二聚体 “ 渐行渐远 ” 的动态过程：通过多状态结构比对和冷冻电镜颗粒统计，首次量化了激活过程中单体与二聚体的比例变化，给出了动态平衡的定量描述，并且阐明了动态转变背后的分子机制。

2. 明确提出 “ 配体依赖的二聚体预解离 ” 概念：揭示了不同配体诱导二聚体预解离趋势的差异及其结构基础。

3. 精确搭建二聚界面胆固醇的位置与数量：研究者在二聚界面清晰定位了胆固醇分子，并初步探究表明，这些胆固醇簇如同 “ 减震海绵 ” ，在稳定二聚体结构中发挥着关键作用，为通过干预脂质微环境来调控受体聚合状态提供了全新视角。

这项研究把APLNR从单体到二聚体、从静息到激活的“变形”过程一一定格，深刻揭示了受体不同聚合形式如何动态转变以精细调控下游信号，阐明了G蛋白作为二聚体解离“关键推手”的核心机制，并首次揭示了配体本身在决定二聚体命运中的关键作用。这些发现对于靶向 APLNR 药物研发具有直接指导意义：一味追求高亲和力、高效能的激动剂可能并非最佳策略，需要综合考虑配体对受体聚合状态的影响，寻求 G 蛋白信号与 β- arrestin 信号之间的最佳平衡。