膽汁酸是一類由肝細胞產生,並由膽管分泌到腸道的兩親性代謝產物，在消化過程中對人體攝入的脂肪有重要的乳化作用。肝臟生成的兩種初級膽酸可由腸道菌群進一步代謝為多種次級膽酸,對代謝和炎症相關的生理過程有重要的調節作用。膽汁酸及其受體為核心構成的肝臟-膽汁酸-腸道菌群信號轉導軸，是近期生物醫學研究的熱點之一。
最近研究表明，許多天然膽汁酸及其衍生物對原發性膽汁性性膽管炎(PBC)、非酒精性脂肪性肝炎(NASH)、和II型糖尿病等疾病有治療作用。在生物體內，膽汁酸主要通過激活膜受體（GPBAR/TGR5）和核受體FXR發揮作用。
GPBAR是G蛋白偶聯受體（GPCR），膽汁酸的許多有益作用可歸因於GPBAR與Gs信號途徑，如降血糖作用，促白色脂肪細胞組織褐化，對抗脂肪變性等。最新研究也表明，膽汁酸可激活GPBAR與β-arrestin的相互作用, 並介導抗病毒的天然免疫反應。然而，GPBAR激活導致的膽囊肥大及皮膚搔癢等副作用也影響了靶向該受體的新藥研發。因此，從分子層面解析GPBAR如何識別不同膽汁酸並偏向性激活下遊通路的機制，對GPBAR生理功能的理解及靶向該受體的新藥研發具有重大意義。
2020年7月22日，浙江大學基礎醫學院張巖團隊、中科院上海藥物研究所謝欣團隊以及山東大學基礎醫學院的於曉教授和孫金鵬教授團隊通力合作，在 Nature 雜誌在線發表了題為：Structural basis of GPBAR activation and bile acid recognition的研究論文。
該研究首次利用單顆粒冷凍電鏡重構技術解析了膽汁酸受體GPBAR在合成配體P395以及膽汁酸類似物INT-777作用下與Gs蛋白三聚體形成的複合物的高解析度結構，明確了GPBAR對兩親性配體的識別機制；揭示了GPBAR識別多種膽汁酸的指紋圖譜；鑑定了天然膽汁酸結合受體的別構位點；闡明了GPBAR非經典激活機制以及受體第三個胞內環的重要功能；同時還探究了不同配體介導受體下遊信號偏向性的結構基礎。
本研究對肝腸軸的信號轉導機制研究，以及GPCR的激活過程等都將有廣泛的影響。具體發現包括：
(1) 本研究首次揭示兩親性代謝產物是如何被GPBAR識別並發揮作用的。GPBAR的配體結合口袋中由第五個螺旋及兩個胞外環來構成疏水側面，從而面對膽汁酸的疏水一面，而膽汁酸的另一個親水結合面則朝向螺旋6和7之間的親水胺基酸集團，形成特異性的相互作用。
圖一：GPBAR與G蛋白三聚體複合物結構，兩個結構的解析度均為3.0。a:小分子化合物P395作用下GPBAR與G蛋白三聚體的複合物結構。b:內源性配體INT-777作用下GPBAR與G蛋白三聚體的複合物結構。
(2) 闡明了膽汁酸受體對多種不同膽汁酸識別的指紋圖譜。研究通過對內源性膽汁酸類似物INT-777與GPBAR的結合模式的分析，以及內源性配體CA、DCA、DCA、LCA、TCA、GCA、TDCA、UDCA和TUDCA的配體結合，生化及藥理學分析，找到了GPBAR識別不同膽汁酸的指紋圖譜。這為深入理解膽汁酸的作用機理以及針對於GPBAR的藥物設計提供了理論基礎。
圖二：受體識別內源性膽汁酸的結構指紋圖譜
(3) 發現了膽汁酸在受體上的別構調控位點。團隊成員通過電鏡結構解析，發現GPBAR受體TM3-5附近存在配體第二個結合口袋。通過對內源性配體的結構及生化數據分析，發現10種膽汁酸中的5個具有12-OH的膽汁酸可以結合在該位點上，並別構調控膽汁酸受體激活的過程。這為理解膽汁酸如何作用於其膜受體的生理過程，以及發展和開發別構位點的小分子藥物提供理論基礎。
圖三：GPBAR受體的第二個配體結合口袋。a: 電鏡結構及生化實驗驗證GPBAR存在第二個配體結合口袋。b: 電鏡結構及生化實驗發現10種膽汁酸中的5個具有12-OH的膽汁酸可以結合在該位置，發揮別構調控作用。
(4) 最近的研究剛剛發現膽汁酸受體可以通過Arrestin偏好性途徑調控不同的生理功能。偏向性配體的研究及開發是目前GPCR領域的一個熱點，本研究應用的兩個化合物具有不同的偏向性。通過對結構及生化數據的分析，發現GPBAR的ECL1，ECL3及ICL1是決定配體偏向性的結構基礎，這為開發偏向性配體及藥物的開發提供理論基礎。
圖四：GPBAR決定配體偏向性的結構基礎。結構及生化實驗發現 GPBAR的ECL1, ECL3 及ICL1 是主要調控配體偏向性的關鍵位置。
(5) 本研究明確提出了GPBAR不同於經典的受體激活機制與分子開關。此前「toggle switch」的結合和PIF基序的結構重排都被認為是大多數GPCR的共同機制。而對GPBAR而言，它的第六個跨膜螺旋（TM6）中雖然具有「toggle switch」 W237胺基酸，但並不具備分子開關的功能；發揮分子開關功能的殘基卻是其上一個螺旋中的Y240。有趣的是，GPBAR的TM6與TM3的相互距離在所有已有結構報導的GPCR中最大，整個激活模式與結構重排都是一種全新的方式。這些新的發現擴展了人們對GPCR激活機制的認識。
圖五：GPBAR獨特的激活機制
(6) GPCR的第三個內環的功能大家一直不甚清楚。本研究觀察到了受體完整清晰的第三個內環密度。首次發現了GPBAR受體的第三個胞內環（ICL3）可以和Gs蛋白特異性結合。並通過序列比對及生化實驗發現，GPCR的ICL3與Gs的結合存在一類通用的規律，即這類GPCR受體可以通過ICL3偶聯基序（R/KψXR/KXψXR）與Gs結合。這些研究闡明了此前尚未了解的GPCR-G蛋白的偶聯的新機制。
綜上，本研究不僅揭示了GPBAR參與膽汁酸識別和其別構效應的獨特結構特徵，而且闡明了GPCR超家族中配體結合口袋與G蛋白結合位點之間存在著新的激活及相互作用機制。考慮到GPBAR在代謝和免疫調節中的重要作用，GPBAR與激動劑的高解析度結構以及這些新的發現將促進基於結構的藥物設計。
據悉，山東大學基礎醫學院博士後楊帆、副教授肖鵬及博士郭璐璐、林婧宇、吳襄、浙江大學基礎醫學院博士後毛春友、明倩倩為共同第一作者；張巖研究員，於曉教授、謝欣研究員和孫金鵬教授為本論文共同通訊作者。
論文連結：
https://doi.org/10.1038/s41586-020-2569-1