研究揭示趨化因子CXCR3的精細分子調控機制

在細胞免疫的過程中，CD4+ T細胞扮演著重要的角色，它們位于淋巴結的核心區域，需要遷移至淋巴結外圍區域，與DC細胞接觸，進而被激活為Th1型輔助細胞。此外，被Th1型輔助細胞激活的CD8+ T細胞，也稱為CTL細胞，需要遷移至外周炎癥部位，發揮清除被感染細胞的功能。趨化因子CXCL9、10、11及其細胞膜受體CXCR3介導的免疫細胞的趨化運動，在這些免疫細胞的遷移過程中在發揮了關鍵的作用。因此，CXCR3在細胞免疫中占據了不可忽視的地位。CXCR3與多種免疫性疾病有著緊密的聯系，包括感染免疫、腫瘤免疫、移植排斥反應以及自身免疫等。目前已經發現了多個CXCR3的小分子激動劑與抑制劑，但它們如何發揮作用的具體分子機制仍不清楚。

2024年1月4日，復旦大學代謝與整合生物學研究院青年研究員任若冰課題組與香港中文大學（深圳）科比爾卡創新藥物研究院助理教授胡紅麗課題組、江瑛芝課題組合作在國際學術期刊Nature Structure & Molecular Biology上發表了題為Structural insights into the activation and inhibition of CXC chemokine receptor 3的研究論文，系統闡述了CXCR3被趨化因子CXCL11、模擬肽PS372424、聯芳型小分子VUF11222激活的分子機制，以及被別構抑制劑SCH546738抑制的分子機制。這項研究成果對于理解CXCR3在免疫反應中的重要作用以及開發基于CXCR3的免疫調節藥物具有重大意義。

作者利用冷凍電鏡技術分別解析了被趨化因子CXCL11、擬肽PS372424、聯芳型小分子VUF11222激活的CXCR3-DNGi的復合物結構（圖1a-c），并在此基礎上深入探討了CXCR3識別三類激動劑的分子基礎。CXCL11的N端8個氨基酸插入到CXCR3的中央口袋，并通過π-π相互作用、氫鍵相互作用、鹽橋相互作用、疏水相互作用與周圍的氨基酸緊密結合。CXCL11的30s loop與CXCR3的ECL2之間的相互作用，在穩定CXCL11的結合中發揮重要作用。PS372424在中央口袋中占據的位置與CXCL11的N端非常類似，而VUF11222則插入到口袋的更深處，占據了一個獨特的結合位點。

基于先前的研究文獻，CXCL11和PS372424被認為是具有arrestin偏向性的激動劑，而VUF11222則傾向于作為Gi偏向性激動劑。在本研究中，作者觀察到一個有趣的現象：與被CXCL11和PS372424激活的CXCR3相比，VUF11222激活的CXCR3在TM7的7.47-7.53區域展現出了一個更顯著的傾斜。這種結構上的變化可能導致7.53位點在細胞質側口袋內的空間位置發生調整，潛在地影響G蛋白或arrestin與受體的結合能力，從而引起受體偏向性的轉變。這一發現為深入理解CXCR3偏向性激活不同信號轉導途徑的機制提供了新的視角。

作者還通過替換CXCR3的ICL3以及與單鏈抗體Nb6的結合，成功解析了CXCR3與小分子抑制劑SCH546738的復合物結構（圖1d）。SCH546738的結合位點位于TM5與TM6之間，作者利用分子動力學模擬與點突變實驗進一步驗證了這一抑制劑的結合特性。值得一提的是，這是**在A類GPCR的TM5與TM6之間發現抑制劑的結合位點，這為開發新型GPCR抑制劑提供了新的思路。通過比較CXCR3的激活態與抑制態結構，作者進一步闡述了激動劑結合如何引發TM3、TM5、TM6界面氨基酸的重排，進而導致G蛋白結合口袋的開放的分子基礎。

此外，2023年11月28日任若冰課題組與胡紅麗課題組聯合在Cell Discovery發表了Structure basis for the modulation of CXC chemokine receptor 3 by antagonist AMG487的研究工作，揭示了二期臨床小分子抑制劑AMG487通過占據TM1，TM2及TM7上的氨基酸殘基，從而將CXCR3穩定在失活狀態的分子機制。該研究為理解AMG487抑制CXCR3的分子機制提供了重要的結構基礎，為開發靶向CXCR3的高親和力、高選擇性小分子抑制劑提供了重要的理論依據，為未來免疫性疾病的治療提供了新的可能。同時，該研究也印證了通過ICL3改造和Nb6結合的方法能夠成功解析高分辨率抑制態GPCR。