神经肽Y受体NPY1R的结构生物学研究

G protein coupled-receptors (GPCRs) play critical roles in cell signal transduction pathways, and comprise the largest druggable protein target family in human body. Neuropeptide Y receptor NPY1R, belonging to the GPCR family, is involved in controlling body weight, fat content, vasoconstriction and heart rates. NPY1R has been suggested as a promising drug target for the treatment of obesity and diabetes. However, there is no marketed drug targeting on NPY1R yet. In this project, the human NPY1R protein will be overexpressed in eukaryotic expression systems, and purified with different ligands to obtain high quality NPY1R-ligand complex protein samples. The complex proteins will then be crystallized, and the crystal structures of different NPY1R-ligand complexes will be determined by collecting high resolution X-ray diffraction data. The above structures will reveal the ligand binding modes of NPY1R, which can deepen our understanding of cell signal recognition mechanisms of NPY1R, and lay a foundation for carrying out drug discovery targeting NPY1R.

G蛋白偶联受体（GPCR）在人体细胞信号传导过程中发挥关键作用，是最大的药物靶标蛋白质家族。神经肽Y受体NPY1R属于GPCR家族，与体重控制、脂肪含量、血管收缩和心跳速度等密切相关，是抵抗肥胖和糖尿病的药物研发的重要靶点，但目前尚无靶向NPY1R的药物成功上市。本项目利用真核细胞表达系统高量表达人源NPY1R蛋白，与不同配体分子结合后，通过蛋白纯化获得高质量的NPY1R－配体复合物蛋白样品，进行蛋白生长实验获得NPY1R蛋白晶体，收集X－射线衍射数据，最终解析NPY1R分别与不同配体结合的复合物蛋白晶体结构。分析NPY1R结构中受体与配体的结合模式，揭示NPY1R受体对细胞信号的识别机制，并为靶向NPY1R的药物研发提供重要的结构基础。

G蛋白偶联受体（G protein-coupled receptor, GPCR）是人体内最大的膜蛋白超家族，参与调控人体内几乎所有生理活动，目前上市药物中有超过40%以GPCR为作用靶点。肥胖是当今世界面临的严重的公共健康问题，每年全球有数以百万计的人死于与肥胖相关的疾病，如糖尿病、心血管疾病等。神经肽Y（neuropeptide Y，NPY）是最重要的神经肽类物质之一，在细胞内通过与其受体结合调节食物摄取、能量平衡和血管收缩等重要生理功能。NPY受体属于GPCR的视紫红质家族，在人体内分为NPY1R、NPY2R、NPY4R和NPY5R等四种亚型。NPY是人体内最有效的刺激食欲的物质，主要通过激活NPY1R行使这一功能，因此NPY1R是抵抗肥胖和糖尿病药物的重要靶点。目前，由于NPY1R的配体存在选择性差、脑屏障穿透能力弱和口服生物利用率低等问题，至今尚无靶向NPY1R的药物成功上市。 .本项目针对NPY1R与不同类型配体结合的复合物进行结构生物学研究，以期为相关功能研究和药物研发提供线索和依据。为了提高NPY1R蛋白的稳定性和产量，共构建了约350种NPY1R基因表达载体，筛选了30余种特异性配体，最终成功测定了NPY1R分别与小分子抑制剂UR-MK299和BMS-193885结合的复合物晶体结构，在原子水平上阐明了NPY1R与这两种抑制剂的精细结合模式，为靶向该受体的药物设计提供了高精度的结构模板。基于NPY1R与抑制剂的结合模式，我们设计了一系列NPY1R氨基酸突变体，并检测这些突变体与多种抑制剂的结合能力及其对于不同抑制剂的抑制活性和受体活化的影响，揭示了NPY1R对不同类型药物分子的特异性识别机制和不同NPY受体对配体的选择性机制。这些发现有助于深入理解NPY1R的拮抗剂抑制受体活化的分子机制，并有助于设计和研发高选择性、低副作用的新型NPY1R药物，为治疗肥胖和糖尿病等疾病的药物研发提供了重要的依据。此外，综合运用多种技术手段探索了NPY1R与其天然配体NPY的结合模式，阐明了NPY1R与天然配体NPY结合的关键作用力，首次发现了NPY的N端在受体分子中的可能作用位点，为全面深入研究NPY1R对细胞信号的识别和转导机制提供了重要的依据和线索。相关研究成果发表于Nature（556:520-524, 2018）。