内皮素（endothelin, ET）是由21个氨基酸组成的多肽，能激活内皮素受体（endothelin receptor, ETR）亚型ETA和ETB，对于维护血管张力和心血管稳态至关重要。ETA主要介导强效的血管收缩，ETB则主要通过一氧化氮诱导血管松弛，因此ETR是治疗心血管疾病的重要靶点。上海科技大学iHuman研究所与复旦大学附属中山医院心脏重症中心合作，对ETR进行了深入的结构生物学研究，相关成果于近期发表于国际学术期刊《细胞发现》（Cell Discovery）。
肺动脉高压（Pulmonary artery hypertension, PAH）是由多种病因和发病机制所致的一种血流动力学紊乱的病理状态。在PAH的发展过程中，ETA受体介导的肺动脉收缩和重构是该疾病的核心病理过程之一。临床试验显示，Bosentan 和 Ambrisentan等拮抗剂通过阻断ET-1与ETA受体的结合，抑制其病理性信号通路，表现出了显著的治疗效果，已被批准用于治疗肺动脉高压。然而，由于缺乏对临床药物或治疗性抗体与受体之间相互作用的分子机制的深入理解，药物靶向特异性差、副作用大等问题仍亟待解决。
联合团队利用单颗粒冷冻电镜技术解析了ET1-ETA-Gq，ET1-ETB-Gq和BQ3020-ETB-Gq 复合物三维结构，从原子水平揭示了内源性多肽配体结合口袋和激活模式（图1）。 此外研究还解析了ETA与三种不同的拮抗剂分子Macitentan，Ambrisentan，Zibotentan复合物的三维结构，系统揭示了不同小分子拮抗剂调节ETA的分子基础，并确定了小分子拮抗剂对内皮素受体选择性的关键氨基酸（图1）。
图1：内皮素受体与不同配体分子的复合物三维结构。(a-c) 冷冻电镜密度图显示了ET1–ETA–miniGs/q–Nb35复合物 (a)、ET1–ETB–miniGs/q–Nb35复合物 (b) 以及BQ3020–ETB–miniGs/q–Nb35复合物 (c) 。 (d) ETB中BQ3020结合口袋的横截面。BQ3020以球形显示。(e-g) Fab301–ETA–anti-BRIL Fab-Nb 复合物与不同拮抗剂的卡通表示：Macitentan (e)、Ambrisentan (g)、Zibotentan (f)。ETA 复合物的成分按指示着色。每个配体的电子显微镜密度图显示为彩色网格。
联合团队还利用单颗粒冷冻电镜实验结果结合AlphaFold2预测的结构模型，对靶向ETA的单克隆抗体Fab301进行了结构分析，并通过细胞水平功能实验验证了抗原表位及与受体之间的相互作用（图２）。
图2: 抗体Fab301与ETA的结合作用模式。(a)基于 AlphaFold2-multimer预测的 Fab301-ETA 复合物模型搭建，该复合物与Fab301 的实验电子密度非常吻合。显示抗体结合界面的放大视图（右图）。(b) ET-1 对 ECL2 中的 WT ETA 和ETA 突变体的影响。(c) ETA 和ETB 之间ECL2 区域的序列比对。氨基酸根据其性质进行分类。
综上，本工作从分子水平阐述了内皮素受体和小分子拮抗药物以及治疗性抗体之间的相互作用机制，利用结构分析和功能研究，揭示了内皮素受体在不同状态下的配体识别及信号转导机制，为亚型选择性拮抗药物的设计提供理论指导。同时也为肺动脉高压单克隆抗体药物的研发提供了新的思路。
上海科技大学生命科学与技术学院2022级博士研究生刘沈徽、硕士研究生张小丹、复旦大学附属中山医院心脏重症中心侯君谊博士和屠国伟主任医师为该论文的共同第一作者。iHuman研究所研究员、生命学院助理教授华甜，上海科技大学大道书院院长、iHuman研究所执行所长、生命学院教授刘志杰，复旦大学附属中山医院罗哲主任和缪长虹主任为共同通讯作者。
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