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数据库Nature：β-arrestins小分子抑制剂
发布时间：2026-07-10来源：bioart
β-arrestins是调控
GPCR
配体激活、信号转导及转运的关键蛋白通信枢纽
【
1，2】
。作为多功能衔接蛋白支架，β-arrestins在GPCR脱敏、内吞以及信号通路调控中发挥了关键作用
【
3】
。哺乳动物中β-arrestins广泛表达两个亚型βARR1和βARR2
（也称为arrestin-2和arrestin-3）
以及两种视觉arrestins
（arrestin-1和arrestin-4）
【
4】
。在激动剂激活后，GPCR偶联并激活异源三聚体G蛋白，触发第二信使产生以及下游信号转导。随后，GPCR激酶
（GRKs）
对激动剂激活的受体羧基端尾部进行磷酸化，磷酸化的羧基端招募β-arrestins。这种结合通过空间位阻抑制进一步的G蛋白相互作用，从而导致受体脱敏、G蛋白介导的下游信号减弱，以及通过网格蛋白包被小窝进行受体内吞。
除了传统的终止信号作用外，β-arrestins还可作为多功能的信号转导单元，独立地或与G蛋白协同参与多种信号级联反应，包括激活MAPK、SRC、NF-kB、AKT以及MDM-p53等信号通路，其作用涉及众多生物学过程，涵盖基因表达、代谢、免疫功能、细胞运动和凋亡等
【
5】
。因此，β-arrestins信号通路失调与多种疾病相关，包括癌症、炎症和自身免疫性疾病、代谢综合征、心血管疾病以及神经系统疾病。不过，
目前尚无靶向β-arrestins的药理学药物，这与G蛋白和GRK等蛋白不同，后者已有许多调节剂，因此，对β-arrestins的研究依然依赖于繁琐的遗传模型和动物系统，这种局限性凸显了开发化学策略以探测和调节β-arrestins活性的必要性。
近日，来自美国杜克大学的
Robert J. Lefkowitz
（
2012年诺贝尔化学奖得主
）
带领团队在
Nature
杂志发表了
文章
small-molecule modulation of β-arrestins
，
研究人员利用开发的差示扫描荧光法
（differential scanning fluorimetry, DSF）
对美国国家癌症研究所化合物库进行了筛选，发现一些化合物能够特异性结合β-arrestins，并抑制β-arrestins信号的激活。
研究人员使用经典的β-arrestins配体对
DSF
平台进行了验证，之后利用DSF平台对3500种化学多样性化合物，总数约数十万种的化合物库进行了筛选，随后，基于DSF可重复性、毒性过滤以及功能筛选等对初筛结果进一步精炼，最终得到26种具有潜在β-arrestins抑制作用的化合物。
在功能筛选中，研究人员采用了两种方法来评估上述化合物对β-arrestins功能的影响。首先，研究人员构建了一个融合蛋白，将V
2
R的C末端尾部融合到β2AR受体的C端，形成一个嵌合pβ
2
V
2
R系统，然后使用
3
H-Fen
（一种放射性标记的β
2
AR激动剂）
刺激该嵌合受体，使得该嵌合受体强烈招募β-arrestins。然后，对上述化合物进行检测，结果显示，大多数化合物能够使pβ
2
V
2
R招募至少一种亚型β-arrestins的效率降低30%以上。除此之外，研究人员还利用基于化学发光的βARR2招募策略
（PathHunter）
对激动剂激活的β
2
V
2
R进行了检测，结果显示所有的26种化合物都能抑制异丙肾上腺素
（Iso）
诱导的βARR2招募。基于上述分析，研究人员暂时选定了3种化合物进行后续的实验，分别是Cmpd-5
（oridonin）
、Cmpd-46和Cmpd-64，它们在正交实验中表现出了强烈的抑制作用，并具有易处理的化学性质，适合进行机制检测。值得注意的是，这三种化合物均能使高亲和力激动剂招募β-arrestins的能力降低40%，每种化合物还对Iso诱导的βARR2招募表现出稳定的剂量依赖性抑制作用，其最大抑制效率分别为77.0%
（Cmpd-5）
、77.3%
（Cmpd-46）
和74.4%
（Cmpd-64）
。为评估它们的功能互作，研究人员还在同一实验中对化合物进行了联合处理，两两联用与单独使用对β-arrestins招募的抑制作用相当，说明它们具有剂量加和性而无协同效应。
为了进一步探究这些化合物的直接相互作用，研究人员通过等温滴定量热法
（Isothermal titration calorimetry, ITC）
测定了化合物与βARR1/2的结合，揭示其解离常数
（Kd）
处于高纳摩尔与低微摩尔的区间之内。Cmpd-5对两种亚型的结合能力相似，Cmpd-46对βARR2有轻微偏好，而Cmpd-64对βARR2的选择性约为βARR1的6倍。除此之外，研究人员还对这些化合物是否同样结合其它G蛋白或者信号转导蛋白进行了检测，发现它们都不结合Gα
s
、Gα
i
、Gα
q
、Gα
12
以及ERK2、SRC、p38α等信号蛋白，它们具有对β-arrestins的特异性结合能力。
研究人员继续探究了这些化合物对β
2
V
2
R系统之外其它受体招募β-arrestins的能力的影响，分别研究了AT
1
R、V
2
R、CXCR
3
、NTSR1、β
1
AR、μOR、M
2
R、ACKR3以及GLP-1R。实验结果显示，三种化合物均能产生强效的受体依赖的βARR1/2招募抑制作用，其抑制效率约为35%-94%，其中GLP-1R和AT
1
R的降幅最大，分别为93%和82%，说明这些化合物在抑制βARR1/2招募方面具有广泛的作用。
长时间的GPCR激活会削弱激动剂效力，部分原因在于β-arrestin与磷酸化受体结合，从而导致受体与G蛋白解偶联并促进受体内化。为探究上述化合物对这一过程的影响，研究人员实时监测了细胞内第二信使的动态，发现三种化合物均抑制了β
2
AR的脱敏作用，使cAMP信号持续存在；另外，三种化合物也显著抑制了AT
1
R的脱敏，促进了
ANGII
诱导的Ca2+信号。研究人员还检测了三种化合物对β-arrestin介导的受体内吞的作用进行了检测和分析，发现三种化合物均能减少Iso诱导的β
2
V
2
R-βARR2内吞，Cmpd-5、Cmpd-46、Cmpd-64的最大降低幅度分别达到93%、88%和87%。上述实验表明这些化合物干扰了β-arrestin-GPCR偶联，阻止了受体脱敏，削弱了激动剂驱动的受体内吞作用。
研究人员进一步检测了β-arrestin招募介导的其它信号通路激活情况，发现三种化合物同样能够抑制β-arrestin介导的ERK激活、趋化因子受体对T细胞的趋化、β-arrestin介导的心肌细胞收缩，这些实验显示，三种化合物能够在多种生理背景下干扰β-arrestin依赖性信号转导。
最后，研究人员利用冷冻电镜重建了βARR1- Cmpd-5的复合物结构，分辨率为3.47埃。在复合物中，Cmpd-5的密度定位于βARR1中央嵴内的一个独特口袋中，该口袋由middle loop
（氨基酸129-140）
、C-loop
（氨基酸241-249）
和lariat loop
（氨基酸274-300）
组成，本文统称为MCL位点。与结合GPCR磷酸化C末端的经典N结构域沟槽不同，MCL位点代表了一个空间和结构上截然不同的口袋。与βARR1的apo结构相比，βARR1的整体架构基本保留，但Cmpd-5的结合诱导了中央嵴的显著重排，同时伴有约8°的轻微结构域间旋转。在经典的活性β-arrestin构象中，middle loop位移以及结构域间约20°的扭动共同导致MCL位点扩张以容纳受体元件。相比之下，Cmpd-5的结合促进了middle loop向C-loop结构域的弯曲，使其尖端重新定位以封闭并收缩MCL口袋，同时伴随C-loop的位移和lariat loop中的一个helix-to-loop转变的发生，这些变化共同产生约8°的结构域间扭转，这与完全激活状态不同。这种重排导致middle loop后向弯曲更靠近finger loop，使其柔性增强。尽管finger loop并不与Cmpd-5直接接触，但分子动力学模拟显示它会频繁与N结构域沟槽发生联系，可能会产生构象改变从而影响与磷酸化受体尾端的结合。总之，上述协同重排使得Cmpd-5稳定了β-arrestin的一种构象进而限制了GPCR核心界面以及尾部界面的结合。
图1
βARR1- Cmpd-5复合物结构
示意图
综上所述，
本研究通过高通量筛选，得到了β-arrestins的小分子抑制剂，这些抑制剂能够稳定β-arrestin的构象以限制其与GPCR磷酸化尾端的结合，并在更广泛的范围内抑制了β-arrestin介导的信号转导、受体内吞以及生理效应，为GPCR-β-arrestin信号通路的深入研究及病理应用提供了新的工具和基础。
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