在化學中，雙鍵是兩個原子之間的共價鍵，涉及四個成鍵電子，而單鍵只涉及兩個電子，這使得雙鍵在強電子受體存在下可能更活潑。雙鍵最常出現在兩個碳原子之間，碳碳雙鍵廣泛存在於脂肪酸和磷脂中，重要的脂肪酸和磷脂中可能有一個或多個雙鍵，理論上最多可達十餘個。具有單個雙鍵的脂肪酸在人體中最為普遍，約占總數的一半。具有兩個或更多雙鍵的脂肪酸出現的數量相對較少，但這樣具有多個雙鍵的脂肪酸在信號轉導中非常重要，比如omega-3（ω-3）脂肪酸、神經醯胺和鞘磷脂等都有多個雙鍵。

▲膜受體GPR120特異性識別不飽和脂肪酸的碳碳雙鍵，不同脂肪酸在GPR120結合口袋內部的不同作用模式通過特定的信號轉導傳播路徑來發揮不同的生物學功能（圖片來源：研究作者提供）

ω-3 脂肪酸通過作用於膜受體GPR120來發揮作用。GPR120是一種能夠被長鏈脂肪酸酸識別的G蛋白偶聯受體，作為治療2型糖尿病和心血管疾病的潛在的新治療靶點，已引起相當多的關注。然而，GPR120如何識別ω-3 不飽和脂肪酸雙鍵的機制還不得而知，具有多個雙鍵的脂肪酸如何介導複雜的生物識別信號也亟需解釋。

日前，中國科學家山東大學孫金鵬教授、馮世慶教授、於曉教授與浙江大學張岩教授團隊通力合作，共同在《科學》雜誌在線發表的最新研究成果，成功解析出LA、OA、EPA、9-HSA和TUG891等脂肪酸和其他類型配體結合GPR120與不同G蛋白的高解析度冷凍電鏡複合物結構，並結合系統藥理學、結構生物學與計算生物學等手段闡明了GPR120識別雙鍵的機制。

該研究發現GPR120 配體結合口袋內部的芳香胺基酸可以通過π-π作用識別脂肪酸不同位置的雙鍵，進而影響GPR120偶聯下游不同的G蛋白來發揮多種功能。

▲GPR120結合LA、OA、EPA、9-HSA和TUG891等脂肪酸的冷凍電鏡結構（圖片來源：參考資料[1]）

其中至少九個芳香族胺基酸參與了不同位置雙鍵的特異性識別，它們能夠單獨識別不飽和脂肪酸中存在的特定位置的雙鍵，這種識別有助於芳香族胺基酸與配體的雙鍵形成特定的距離和角度，相應的胺基酸突變以後可以發現這些特定的相互作用被破壞。

從配體結合口袋內部的胺基酸開始向下形成的傳遞通路會影響GPR120偶聯下游不同的G蛋白，通過破壞或維持TM1-TM2 和TM7 中的構象鎖影響GPR120結合Gq蛋白；芳香族胺基酸再加上疏水胺基酸的相互作用可以通過影響TM3和TM4的構象變化影響GPR120結合Gs蛋白。該研究確定了GPR120-Gi界面的獨特特徵，並闡明了與疾病相關的GPR120的SNP錯義突變的結構基礎。

▲TUG891配體選擇性的結構基礎（圖片來源：參考資料[1]）

本研究還發現GPR120與合成的小分子配體TUG891 相互作用的芳香族胺基酸殘基表現出很大的多樣性。藥理學分析表明至少有五個芳香胺基酸調控著 GPR120 的激動劑選擇性，TUG89中的O10將 TUG891分成適合結合到兩個子口袋的片段。通過結構生物學和藥理學分析，單獨優化這兩個片段可以用於設計靶向GPR120合成激動劑。

綜上所述，本項研究先進行了系統藥理學分析，結合結構生物學，計算生物學和細胞功能實驗，不僅闡明GPR120受體內的芳香族胺基酸可以通過π-π作用識別特定的雙鍵，進而影響不同的下游信號轉導，更為開發治療糖尿病或者肥胖等疾病靶向GPR120的藥物設計提供了有力指導。

浙江大學毛春友研究員、博士研究生秦嬌，山東大學肖鵬教授、博士研究生陶曉娜、張超，山東大學齊魯醫院博士後賀慶濤博士為本文共同第一作者；山東大學孫金鵬教授、浙江大學張岩教授、山東大學於曉教授和山東大學馮世慶教授為文章共同通訊作者。賀慶濤博士由孫金鵬教授、馮世慶教授和於曉教授共同指導。山東大學張澄教授，王傳新教授，濱州醫學院的張道來副教授也參與了本文的功能實驗。

趙子健教授（廣東工業大學教授）

ω-3多不飽和脂肪酸是調控代謝和炎症的重要信號分子，可被細胞膜上的游離脂肪酸受體4 (FFAR4)--又稱為GPR120所識別。GPR120是一種能夠被長鏈脂肪酸酸識別的G蛋白偶聯受體，也被認為是治療糖尿病的潛在新靶點。近些年來，我國科研工作者通過大量工作的累積，在脂肪酸受體GPR120的研究中做出了重要貢獻，在國際上GPR120研究領域展示了一系列引領工作。例如，中國科學技術大學的周榮斌教授和田志剛院士發現GPR120可以識別ω-3 多不飽和脂肪酸和內源性脂類配體，抑制NLRP3炎症小體激活以及caspase-1、IL-1β分泌，改善 NLRP3炎症性依賴性炎症和代謝紊亂（Immunity. 2013 Jun 27;38(6):1154-63）。

最近山東大學於曉教授團隊和孫金鵬教授團隊在研究中發現胰島δ細胞上的GPR120主要感知胰島內兩種不同內源性不飽和脂肪酸配體，油酸（OA）和亞油酸（LA）。有趣的是，在這些工作中，已經意識到脂肪酸的雙鍵位置可以影響胰島中GPR120感知亞油酸LA後通過Gi和Arrestin偏好性通路抑制SST分泌，進而促進β細胞的胰島素分泌，並且具有改善胰島炎症，維持胰島穩態的功能。但同樣作為GPR120內源性配體的油酸則不具有此功能（Diabetes. 2022 Jul 1;71(7):1454-1471.）。孫金鵬教授還和杜呂配教授一起開發了多個靶向GPR120的Arrestin信號途徑的多個配體(Eur J Pharmacol. 2015 Sep 15;763(Pt B):160-8; Future Med Chem. 2015;7(18):2429-37)。值得注意的是，OA和LA的不飽和雙鍵位於脂肪酸鏈的不同位置，其是否和他們在體內完全不同的功能有關，是很有意思的謎題。探究脂肪酸受體如何識別不同的不飽和脂肪酸類型，並產生具體的信號功能，成為亟需解決脂肪酸信號轉導和代謝的重要科學問題。

近日，山東大學孫金鵬教授，馮世慶教授，於曉教授與浙江大學張岩教授團隊通力合作，利用高解析度冷凍電鏡解析了多個不同的脂肪酸配體與GPR120-G蛋白複合物的結構，填補了長鏈脂肪酸識別G蛋白偶聯受體領域的空白，揭開了脂類受體GPR120激活G蛋白的神秘面紗。該研究首次發現GPR120至少九個芳香胺基酸殘基可以選擇性識別不飽和脂肪酸中特定位置的雙鍵的排列，並將它們轉化為不同的信號輸出，形成一種像鋼琴鍵一樣的編碼。根據這些發現，作者提出了一種「鋼琴鍵盤」模型，用於GPR120識別脂肪酸中的不飽和雙鍵。一連串的雙鍵構成了脂肪酸呈現的「鍵盤」，而特定的芳香胺基酸殘基則是GPR120的「手指」。GPR120的「手指」與不飽和脂肪酸「鍵盤」的接觸能夠產生不同的「曲調」來指導生物功能。這些有趣的發現，包括闡明膜蛋白感知自然進化的不飽和雙鍵的基本機制，即在特定位置具有不同雙鍵修飾的脂肪酸「鍵盤模型」及其與偏好性信號轉導的選擇性連接，將會引起關注不同脂肪酸研究者的廣泛興趣。

此研究還發現只有ω-3多不飽和脂肪酸能夠激活Gs信號，而其他脂肪酸和合成激動劑則不能。這是一個對多不飽和脂肪酸病理和生理領域研究有著重大的啟示作用。多不飽和脂肪酸中的一個主要類別是ω-6多不飽和脂肪酸，其中最具有代表性的就是眾所周知的花生四烯酸（AA, 二十碳）。白曉春教授和趙子建教授團隊的研究陸續發現在腫瘤細胞和胰島中（Wen et al, 2012; Chen et al, 2013，Oncogene; Bi et al, JCI, 2017），花生四烯酸可以激活mTORC1, 而與之相對應的EPA（ω-6）只比花生四烯酸多了一個雙鍵，卻抑制mTORC1活性。這一直是困擾我們的機制問題。如今孫教授和他們團隊解析的「鍵盤/手指」匹配理論，完美地解釋了這個多不飽和脂肪酸領域的病理生理調控現象。最近的研究表明 GPR120的Gs活性有助於改善脂代謝，Gs偶聯的具體特徵及其與ω-3雙鍵識別的聯繫可用於指導針對GPR120的有效藥物開發。通過結構分析和計算模擬進一步表徵了將 GPR120在配體口袋內的雙鍵識別與細胞質側的特定結構特徵聯繫起來的傳播路徑。研究發現位於TM3和TM4的構象鎖負責Gs信號的產生，而TM2和TM6-TM7的構象鎖將GPR120配體口袋內的特定π:π相互作用與選擇性Gq的細胞質結構重排緊密相連。該研究確定了GPR120-Gi界面的獨特特徵，並闡明了與疾病相關的GPR120的SNP錯義突變的結構基礎。本研究解析了不飽和脂肪酸通過受體實現跨膜信號轉導的機制，破譯了膜蛋白識別脂肪酸中不飽和雙鍵排列的密碼。該研究將引起對糖尿病、代謝疾病和GPCR研究領域感興趣或從事研究的讀者的關注，為發展高親和力的ω-3多不飽和脂肪酸替代品指明了方向。

參考資料：

[1] Chunyou Mao et al., (2023) Unsaturated bond recognition leads to biased signal in a fatty acid receptor. Science Doi: 10.1126/science.add6220