在细胞免疫的过程中，CD4+ T细胞扮演着重要的角色，它们位于淋巴结的核心区域，需要迁移至淋巴结外围区域，与DC细胞接触，进而被激活为Th1型辅助细胞。此外，被Th1型辅助细胞激活的CD8+ T细胞，也称为CTL细胞，需要迁移至外周炎症部位，发挥清除被感染细胞的功能。趋化因子CXCL9、10、11及其细胞膜受体CXCR3介导的免疫细胞的趋化运动，在这些免疫细胞的迁移过程中在发挥了关键的作用。因此，CXCR3在细胞免疫中占据了不可忽视的地位。CXCR3与多种免疫性疾病有着紧密的联系，包括感染免疫、肿瘤免疫、移植排斥反应以及自身免疫等。目前已经发现了多个CXCR3的小分子激动剂与抑制剂，但它们如何发挥作用的具体分子机制仍不清楚。

2024年1月4日，复旦大学代谢与整合生物学研究院青年研究员任若冰课题组与香港中文大学（深圳）科比尔卡创新药物研究院助理教授胡红丽课题组、江瑛芝课题组合作在国际学术期刊Nature Structure & Molecular Biology上发表了题为Structural insights into the activation and inhibition of CXC chemokine receptor 3的研究论文，系统阐述了CXCR3被趋化因子CXCL11、模拟肽PS372424、联芳型小分子VUF11222激活的分子机制，以及被别构抑制剂SCH546738抑制的分子机制。这项研究成果对于理解CXCR3在免疫反应中的重要作用以及开发基于CXCR3的免疫调节药物具有重大意义。

作者利用冷冻电镜技术分别解析了被趋化因子CXCL11、拟肽PS372424、联芳型小分子VUF11222激活的CXCR3-DNGi的复合物结构（图1a-c），并在此基础上深入探讨了CXCR3识别三类激动剂的分子基础。CXCL11的N端8个氨基酸插入到CXCR3的中央口袋，并通过π-π相互作用、氢键相互作用、盐桥相互作用、疏水相互作用与周围的氨基酸紧密结合。CXCL11的30s loop与CXCR3的ECL2之间的相互作用，在稳定CXCL11的结合中发挥重要作用。PS372424在中央口袋中占据的位置与CXCL11的N端非常类似，而VUF11222则插入到口袋的更深处，占据了一个独特的结合位点。

基于先前的研究文献，CXCL11和PS372424被认为是具有arrestin偏向性的激动剂，而VUF11222则倾向于作为Gi偏向性激动剂。在本研究中，作者观察到一个有趣的现象：与被CXCL11和PS372424激活的CXCR3相比，VUF11222激活的CXCR3在TM7的7.47-7.53区域展现出了一个更显著的倾斜。这种结构上的变化可能导致7.53位点在细胞质侧口袋内的空间位置发生调整，潜在地影响G蛋白或arrestin与受体的结合能力，从而引起受体偏向性的转变。这一发现为深入理解CXCR3偏向性激活不同信号转导途径的机制提供了新的视角。

作者还通过替换CXCR3的ICL3以及与单链抗体Nb6的结合，成功解析了CXCR3与小分子抑制剂SCH546738的复合物结构（图1d）。SCH546738的结合位点位于TM5与TM6之间，作者利用分子动力学模拟与点突变实验进一步验证了这一抑制剂的结合特性。值得一提的是，这是首次在A类GPCR的TM5与TM6之间发现抑制剂的结合位点，这为开发新型GPCR抑制剂提供了新的思路。通过比较CXCR3的激活态与抑制态结构，作者进一步阐述了激动剂结合如何引发TM3、TM5、TM6界面氨基酸的重排，进而导致G蛋白结合口袋的开放的分子基础。

图1 CXCR3的冷冻电镜结构 

a, CXCR3与趋化因子CXCL11的复合物结构。b, CXCR3与小分子激动剂PS372424的复合物结构。

c, CXCR3与小分子激动剂VUF11222的复合物结构。d, CXCR3与小分子抑制剂SCH546738的复合物结构。

此外，2023年11月28日任若冰课题组与胡红丽课题组联合在Cell Discovery发表了Structure basis for the modulation of CXC chemokine receptor 3 by antagonist AMG487的研究工作，揭示了二期临床小分子抑制剂AMG487通过占据TM1，TM2及TM7上的氨基酸残基，从而将CXCR3稳定在失活状态的分子机制。该研究为理解AMG487抑制CXCR3的分子机制提供了重要的结构基础，为开发靶向CXCR3的高亲和力、高选择性小分子抑制剂提供了重要的理论依据，为未来免疫性疾病的治疗提供了新的可能。同时，该研究也印证了通过ICL3改造和Nb6结合的方法能够成功解析高分辨率抑制态GPCR。

两篇文章中，香港中文大学（深圳）博士后研究员焦海展和复旦大学代谢与整合生物学研究院任若冰课题组博士生庞滨为该研究论文的共同第一作者。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41594-023-01175-5

https://doi.org/10.1038/s41421-023-00617-0