研究揭示趨化因子CXCR3的精細(xì)分子調(diào)控機(jī)制

在細(xì)胞免疫的過程中，CD4+ T細(xì)胞扮演著重要的角色，它們位于淋巴結(jié)的核心區(qū)域，需要遷移至淋巴結(jié)外圍區(qū)域，與DC細(xì)胞接觸，進(jìn)而被激活為Th1型輔助細(xì)胞。此外，被Th1型輔助細(xì)胞激活的CD8+ T細(xì)胞，也稱為CTL細(xì)胞，需要遷移至外周炎癥部位，發(fā)揮清除被感染細(xì)胞的功能。趨化因子CXCL9、10、11及其細(xì)胞膜受體CXCR3介導(dǎo)的免疫細(xì)胞的趨化運(yùn)動(dòng)，在這些免疫細(xì)胞的遷移過程中在發(fā)揮了關(guān)鍵的作用。因此，CXCR3在細(xì)胞免疫中占據(jù)了不可忽視的地位。CXCR3與多種免疫性疾病有著緊密的聯(lián)系，包括感染免疫、腫瘤免疫、移植排斥反應(yīng)以及自身免疫等。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了多個(gè)CXCR3的小分子激動(dòng)劑與抑制劑，但它們?nèi)绾伟l(fā)揮作用的具體分子機(jī)制仍不清楚。

2024年1月4日，復(fù)旦大學(xué)代謝與整合生物學(xué)研究院青年研究員任若冰課題組與香港中文大學(xué)（深圳）科比爾卡創(chuàng)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(guó)際學(xué)術(shù)期刊Nature Structure & Molecular Biology上發(fā)表了題為Structural insights into the activation and inhibition of CXC chemokine receptor 3的研究論文，系統(tǒng)闡述了CXCR3被趨化因子CXCL11、模擬肽PS372424、聯(lián)芳型小分子VUF11222激活的分子機(jī)制，以及被別構(gòu)抑制劑SCH546738抑制的分子機(jī)制。這項(xiàng)研究成果對(duì)于理解CXCR3在免疫反應(yīng)中的重要作用以及開發(fā)基于CXCR3的免疫調(diào)節(jié)藥物具有重大意義。

作者利用冷凍電鏡技術(shù)分別解析了被趨化因子CXCL11、擬肽PS372424、聯(lián)芳型小分子VUF11222激活的CXCR3-DNGi的復(fù)合物結(jié)構(gòu)（圖1a-c），并在此基礎(chǔ)上深入探討了CXCR3識(shí)別三類激動(dòng)劑的分子基礎(chǔ)。CXCL11的N端8個(gè)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(jié)合。CXCL11的30s loop與CXCR3的ECL2之間的相互作用，在穩(wěn)定CXCL11的結(jié)合中發(fā)揮重要作用。PS372424在中央口袋中占據(jù)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(jù)了一個(gè)獨(dú)特的結(jié)合位點(diǎn)。

基于先前的研究文獻(xiàn)，CXCL11和PS372424被認(rèn)為是具有arrestin偏向性的激動(dòng)劑，而VUF11222則傾向于作為Gi偏向性激動(dòng)劑。在本研究中，作者觀察到一個(gè)有趣的現(xiàn)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(qū)域展現(xiàn)出了一個(gè)更顯著的傾斜。這種結(jié)構(gòu)上的變化可能導(dǎo)致7.53位點(diǎn)在細(xì)胞質(zhì)側(cè)口袋內(nèi)的空間位置發(fā)生調(diào)整，潛在地影響G蛋白或arrestin與受體的結(jié)合能力，從而引起受體偏向性的轉(zhuǎn)變。這一發(fā)現(xiàn)為深入理解CXCR3偏向性激活不同信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的機(jī)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(jié)合，成功解析了CXCR3與小分子抑制劑SCH546738的復(fù)合物結(jié)構(gòu)（圖1d）。SCH546738的結(jié)合位點(diǎn)位于TM5與TM6之間，作者利用分子動(dòng)力學(xué)模擬與點(diǎn)突變實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了這一抑制劑的結(jié)合特性。值得一提的是，這是**在A類GPCR的TM5與TM6之間發(fā)現(xiàn)抑制劑的結(jié)合位點(diǎn)，這為開發(fā)新型GPCR抑制劑提供了新的思路。通過比較CXCR3的激活態(tài)與抑制態(tài)結(jié)構(gòu)，作者進(jìn)一步闡述了激動(dòng)劑結(jié)合如何引發(fā)TM3、TM5、TM6界面氨基酸的重排，進(jìn)而導(dǎo)致G蛋白結(jié)合口袋的開放的分子基礎(chǔ)。

此外，2023年11月28日任若冰課題組與胡紅麗課題組聯(lián)合在Cell Discovery發(fā)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(jù)TM1，TM2及TM7上的氨基酸殘基，從而將CXCR3穩(wěn)定在失活狀態(tài)的分子機(jī)制。該研究為理解AMG487抑制CXCR3的分子機(jī)制提供了重要的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，為開發(fā)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(jù)，為未來免疫性疾病的治療提供了新的可能。同時(shí)，該研究也印證了通過ICL3改造和Nb6結(jié)合的方法能夠成功解析高分辨率抑制態(tài)GPCR。