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G蛋白偶聯(lián)受體（GPCR）是具有7次跨膜螺旋的細胞表面受體，功能非常廣泛，是目前臨床使用藥物最多的一類藥物靶標。GPCR有兩條主要的信號通路，一條是經(jīng)典的G蛋白信號通路，另一條可抑制經(jīng)典通路，稱為arrestin信號通路，這兩個通路又受激酶GRK的調控。G蛋白主要分為四個亞型：Gs刺激型、Gi抑制型、Gq、G12。
首先，GPCR如何知道它要結合Gs還是Gi呢？課題組通過冷凍電鏡技術解析Gi型GPCR的結構發(fā)現(xiàn)，Gs、Gi選擇性依賴于TM6構象變化。GPCR不光感受胞外的配體，也受胞內的潛在的內源性配體調控。課題組解析了許多GPCR的結構，特別是神經(jīng)遞質相關的受體，例如五羥色胺、多巴胺、阿片受體，這些都為Gs受體。同時，通過解析整個家族的五羥色胺受體結構，細致的發(fā)現(xiàn)Gs結合的GPCR TM6向外張開且較Gi的TM6短2-3個螺旋；而Gs的TM5比Gi長2-3個螺旋，這些在很多GPCR中的共性說明了Gs/Gi的選擇性基于TM6的長短與構象變化。而在對Gq結構的解析中，發(fā)現(xiàn)不同的受體則有各不相同的機制來選擇性的激活Gq。至此，800多個GPCR 對應四個G蛋白亞型，它們如何與不同亞型G蛋白相互作用問題得到了解決。
其次，GPCR又是如何與arrestin結合的？G蛋白、arrestin和GRK作為GPCR的調節(jié)蛋白，他們的共性在于，在沒有受體的時候，都處于非激活構象。G蛋白、arrestin和GRK必須被激活的受體來激活，才可以發(fā)揮功能。那么GPCR是如何激活arrestin的？徐華強教授利用自由電子x射線激光的方法，第一次解析了人視紫紅質蛋白rhodopsin與arrestin1復合體的結構。闡明了GPCR通過磷酸化激活arrestin：GPCR的磷酸化主要發(fā)生在C端末尾。GPCR的C端并沒有序列保守性，但從結構上分析發(fā)現(xiàn)，其磷酸化的空間位置與模式具有保守性，稱為磷酸化密碼。這一工作也作為cell的封面文章發(fā)表。
第三，我們知道GPCR主要的兩條通路G蛋白和arrestin介導的生物學功能也不相同。許多藥物的藥效希望通過G蛋白通路來實現(xiàn)，而副作用則通常會通過arrestin。因而，科學家們也一直致力于尋找具有通路選擇性的配體——偏向性配體。因而，探究兩個通路的調節(jié)機制——GRK的作用至關重要。GRK作為酶，與受體底物的相互作用非常弱，為捕捉這一相互作用，課題組用選用了神經(jīng)緊張素受體NSTR1，用NanoBIT生物交聯(lián)、BS3化學交聯(lián)的方法，成功的到了穩(wěn)定的GPCR-GRK2復合物，并最終得到了復合體的高分辨率結構。闡明了GRK激酶與受體相互作用的機制。
另外，在藥物設計方面，徐華強教授提出，目前新藥臨床研究的高失敗率需要我們反思我們的生物醫(yī)學方法。盡管我們已有很豐富的理論基礎知識，但許多藥物的設計還很不成熟。其中我們要注意的是，有效藥物發(fā)現(xiàn)的核心，是確保生物醫(yī)學符合人類生理固有規(guī)律。例如，代謝的晝夜節(jié)律和膽汁酸短暫半衰期間的適配。但目前針對膽汁酸受體的藥物往往與這些標準并不一致。為此，課題組推出了反映膽汁酸代謝周期的FXR激動劑Linafexor，證明了其在治療脂肪性肝炎NASH等條件下的療效。進一步說明了基于基本生理原理的藥物發(fā)現(xiàn)的重要性。
