G蛋白偶联受体（G protein-coupled receptors，GPCRs）可通过G蛋白与β-arrestin两条主要信号通路介导细胞响应，而“偏向性信号（biased signaling）”通过选择性调控不同下游通路的激活，有望在保留治疗效果的同时降低副作用，已成为当前GPCR药物研发的重要方向。
甲状旁腺激素受体1（PTH1R）属于B类GPCR家族，在骨代谢与钙磷稳态调控中发挥关键作用，是治疗骨质疏松症的重要靶点。然而，相较于已较为明确的G蛋白偶联状态结构，PTH1R与β-arrestin相互作用的结构基础长期缺乏系统解析，限制了偏向性药物的理性设计。
徐华强/赵丽华研究团队长期致力于B类GPCR的结构与功能研究，并在PTH1R这一经典靶点上建立了系统性研究基础。2019年在Science报道LA-PTH–PTH1R–Gs复合物结构，阐明长效激活机制；2022年在Acta Pharmacologica Sinica解析PTH与PTHrP识别PTH1R的分子基础；2023年在Nature揭示小分子偏向性激动剂PCO371结合于PTH1R胞内新型保守口袋，为B类GPCR小分子药物设计提供关键结构线索。
这些研究共同构建了PTH1R从配体识别到信号转导的结构生物学体系。自2019年起，研究团队持续推进PTH1R与arrestin相互作用的结构研究。
2026年5月11日，研究团队在Nature Structural & Molecular Biology 发表题为Structural basis of PTH1R–β-arrestin core engagement reveals design principles for G protein-biased therapeutics的研究论文，解析了PTH1R与β-arrestin 1（βarr1）形成核心结合（core engagement）状态的高分辨率冷冻电镜结构，并基于结构提出G蛋白偏向性配体设计原则。
该研究利用长效激动剂LA-PTH稳定PTH1R–βarr1复合物，解析获得两种不同构象状态（state 1：3.07 Å；state 2：3.20 Å）。与此前报道的B类GPCR–arrestin尾部结合模式不同，本研究揭示PTH1R–βarr1采用核心结合模式，即βarr1指环（finger loop）深入受体跨膜核心形成直接相互作用界面。两种状态之间βarr1发生约60°的整体旋转，表明GPCR–arrestin复合物在核心结合状态下具有显著构象动态性。
研究还发现，将PTH1R C端尾巴替换为V2R来源磷酸化尾巴后，复合物稳定性显著增强，并呈现更为均一的构象分布，表明受体C端磷酸化尾巴在调控复合物构象动态性中发挥重要作用（图1）。
图1. PTH1R–βarr1及PTH1R-V2RT–βarr1复合物的冷冻电镜结构及构象状态比较
结构比较显示，与G protein偶联状态相比，PTH1R在结合β-arrestin时呈现显著不同的构象变化：受体胞外侧TM5与ECL3区域向内收缩，而胞内侧TM5发生明显外移，从而形成适配β-arrestin finger loop插入的结合口袋。这一“胞外收缩—胞内扩张”的别构耦联机制，构成PTH1R实现arrestin核心结合的结构基础（图2）。
图2. PTH1R在arrestin偶联与Gs偶联状态下的构象差异及偏向信号机制
基于上述结构发现，研究团队提出G蛋白偏向性设计策略：通过在配体N端引入更大位阻的氨基酸或乙酰化修饰，限制TM5/ECL3胞外侧内收缩，从而削弱β-arrestin结合能力，同时保留G蛋白激活功能。
据此设计的Ac-LA-PTH（N端乙酰化）及LA-PTH-R1（位置1引入精氨酸）在βarr1/βarr2募集方面活性大幅降低，但在Gs/cAMP信号通路中仍保持较高活性（图3）。冷冻电镜结构进一步验证了该设计策略的结构基础（图2）。
图3. G蛋白偏向性激动剂的设计策略、序列与功能验证
在卵巢切除（OVX）诱导的骨质疏松小鼠模型中，与OVX对照组相比，Ac-LA-PTH给药组在股骨和胫骨的多项骨参数（骨体积分数BV/TV、骨小梁厚度、骨矿物质密度BMD、皮质骨厚度）上均呈现改善趋势，相比之下，LA-PTH相对于OVX对照组的改善作用较为有限，大多数骨参数未达到统计学显著差异。
直接比较Ac-LA-PTH与LA-PTH时，尽管所有检测指标之间均未观察到统计学显著差异，但Ac-LA-PTH在多个骨参数上始终呈现更高的数值趋势，为上述设计策略提供了初步的体内验证（图4）。
图4.Ac-LA-PTH在卵巢切除骨质疏松小鼠模型中的治疗效果
综上，该研究不仅揭示了B类GPCR–β-arrestin核心结合状态下的结构基础，还提出了通过调控受体胞外构象变化实现信号偏向性的设计原则，并从结构层面阐明了C端磷酸化尾巴在调控复合物构象动态性与稳定性中的关键作用。该研究为理解B类GPCR偏向性信号转导的分子机制提供了新的结构基础，也为开发更高选择性的GPCR靶向药物提供了结构参考与设计思路。
上海交通大学医学院附属瑞金医院赵丽华研究员、中国科学院上海药物研究所博士研究生何倩、袁青宁工程师（现临港实验室）为共同第一作者。中国科学院上海药物研究所徐华强研究员、赵丽华研究员为共同通讯作者。参与研究的还包括上海药物研究所张敏、胡雯、单虹和凯思凯迪公司赵关关和孙杰等研究人员。
本研究冷冻电镜数据在中国科学院上海药物研究所高峰电镜中心完成。该工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国科学院战略性先导科技专项、上海市自然科学基金、瑞金医院青年培育计划、临港实验室以及药物研究国家重点实验室等项目资助。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41594-026-01806-7