G蛋白偶联受体（G Protein-Coupled Receptors,GPCRs）,是人类基因组中最大的一类跨膜受体蛋白家族,人类基因组中共编码800多个GPCR,广泛分布在多种组织和器官。GPCR可以通过招募下游的G蛋白及Arrestin等将光照、神经递质、激素、免疫炎症因子等细胞外刺激转化为细胞内信号,参与调节人体中大部分生理过程。另外,GPCR在多种疾病的发生发展过程中都起到关键作用,因此是临床上一类重要的药物靶点,目前FDA批准的药物中已有超过三分之一是靶向GPCR去发挥作用的。多种内源性的配体作用于同一 GPCR会介导下游的不同信号转导途径,在代谢及免疫炎症过程中发挥着重要作用。其中胆汁酸是一类由肝脏细胞产生,并由胆管分泌到肠道的两亲性代谢产物,在消化过程中对人体摄入的脂肪有重要的乳化作用,胆汁酸在体内发挥作用的主要途径之一是通过与其膜受体GPBAR结合,在多种代谢和炎症相关的生理过程起到重要的调节作用。但目前人们对于GPBAR如何识别不同胆汁酸以及介导下游信号的机制尚不清楚,并且临床上靶向胆汁酸受体GPBAR的药物也非常少。在本研究中,我们利用生化、细胞实验结合单颗粒冷冻电镜技术解析了胆汁酸受体GPBAR在小分子化合物P395以及胆汁酸类似物INT-777作用下与下游Gs蛋白三聚体形成的高分辨率复合物结构,观察到了胆汁酸类似物INT-777在配体结合口袋中全部极性基团朝向一侧,与受体的Y240、S270等形成氢键及极性作用而稳定,全部疏水基团朝向另一侧被受体的疏水口袋稳定,由此揭示了胆汁酸受体GPBAR对两亲性配体的识别机制。我们利用cAMP积累实验分析不同内源性胆汁酸与其类似物的信号差异,阐明了 GPBAR识别多种不同内源性胆汁酸的指纹图谱;利用Arrestin招募实验、cAMP积累实验结合偏向性计算公式揭示了 GPBAR介导下游偏好性信号途径的结构基础,同时还从对比GPBAR与其他经典GPCR的激活过程中发现了 GPCR激活的新机制,以及之前一直没有解决的受体胞内第三环的功能。该研究对于理解GPCR在代谢过程中的关键作用以及GPCR的激活等都将有广泛的影响。由于GPBAR在代谢和免疫调节中发挥重要作用,GPBAR与激动剂的高分辨率结构以及我们对GPBAR配体识别及激活机制的研究也将促进靶向GPBAR治疗上述疾病的药物设计。假过敏受体MRGPRX2在生物体的免疫炎症调控中也发挥着重要作用,同时它是一类重要的痒觉受体。MRGPRX2是人类Mas相关GPCR家族的成员之一,主要在肥大细胞中表达,是使肥大细胞活化、引起肥大细胞脱颗粒反应的重要受体之一。内源及外源的促泌素,如 Compound 48/80、PAMP-12、substance P、cortistatin 14 等作用在肥大细胞上的MRGPRX2后激活该受体,受体结合下游的G蛋白,引起钙离子及cAMP等胞内第二信使的变化,进而导致肥大细胞脱颗粒,引起免疫炎症并通过传入神经系统激活大脑中的痒觉神经元,产生痒觉。MRGPRX2既可以介导非组胺过敏反应,同时也是红人综合症、特异性皮炎等多种疾病发生的重要因素。此外,临床上许多FDA批准的药物都可以通过激活MRGPRX2引起过敏、瘙痒等药物副作用,导致这些药物即使疗效很好,病人也无法长期或者大剂量服用,严重制约了药效的发挥。因此,深入研究MRGPRX2的配体识别及信号传递的机制,对于解决上述问题起到至关重要的作用。在该研究中,我们首先对多种小分子化合物及多肽配体通过MRGPRX2引起的下游信号通路进行详细表征,然后借助生化、细胞及单颗粒冷冻电镜技术发现MRGPRX2与传统GPCR不同,其配体结合口袋非常浅,且受体N端及胞外环的摆动性比较大,这个现象解释了痒觉受体能够识别临床多种药物作为其配体的原因。我们根据结构模型,以及对多种临床常用的能引起瘙痒副作用的药物介导的信号途径检测,揭示了 MRGPRX2识别多聚阳离子化合物的通用机制,发现MRGPRX2可以通过两个特定的酸性氨基酸口袋（一个由D184及E164组成,另一个由D254组成）,识别多聚阳离子化合物配体;并且这类小分子配体有一个共同特征:两个带正电荷的原子间隔8-10个碳原子,空间距离约为13 A。具有这两种特性的临床化合物药物往往能够通过MRGPRX2引起瘙痒。我们通过将内源性多肽类配体同临床上常见的几种导致瘙痒的多肽药物进行对比,再经生化数据验证,发现了 MRGPRX2识别短肽类配体的通用基序:φp9（X0-1）R/Kp10（X2）φp13（X2-3）φp16（X3）R/Kp20,存在这个基序的短肽通常能激活MRGPRX2并介导下游信号转导。这些重要的发现为临床开发避免过敏、瘙痒及炎症等副作用的药物提供了理论依据。此外,我们还发现了MRGPRX2通过形成kink结构进行信号识别到传递的特有的激活方式,以及人群中不同SNP对痒觉感知差别的原因主要是受体发生SNP之后减弱了对配体的感知或结合下游G蛋白的能力。这些研究系统的揭示了假过敏反应感知的分子机制,为靶向这类受体的药物开发提供了理论依据及结构基础。综上所述,在该研究中我们深入解析了在代谢与免疫炎症过程中发挥重要作用的两种重要GPCR的配体识别及激活机制,为靶向胆汁酸受体GPBAR和假过敏受体MRGPRX2的药物开发提供了理论依据及结构支持,同时这些新的发现也扩展了以往大家对GPCR配体识别及激活机制的认识。