利用AI设计的胰岛素受体结合配体

胰岛素是人血糖维持正常的重要激素，分泌到血液中的胰岛素可以与细胞膜表面的胰岛素受体结合导致该受体分子激酶激活示细胞内一些信号通路激活。

        胰岛素受体中与胰岛素结合的位置是触发后续信号通路的关键点。天然的胰岛素可以与其受体中两个位点结合引发胰岛素受体的构象改变进而产生细胞内信号。

图 1人工合成胰岛素受体配体的结合位置与亲和力。

     图 A  胰岛素受体为四聚体： 由α1β1（绿色部分）和α2β2（蓝色部分）形成两个对称的二聚体，一个天然胰岛素分子可以结合胰岛素受体的两个位点（此处称为位点1和位点2），位点1包含L’1‘,F1和α-CT，而位点2在F1内。与天然胰岛素分子不同，人工合成的胰岛素受体结合配体分为两个，分别结合位点1（S1B）和位点2（S2B），人工合成的结合配体与天然胰岛素结合的位置并不一样，如与胰岛素同时结合三个结构域不同，S1B只结合L1’一个结构域，而S2B 结合的结构域为F1,然后用氨基酸链将两个配体S1B和S2B连接起来并检测这些由氨基酸连接的S1B和S2B激活胰岛素受体的不同能力（图B）。由图A的最右侧可知，人工合成的S2B，虽然看起来与天然胰岛素一样只结合F1一个结构域,但结合的具体位置不一样结果，导致亲和力相差很大。胰岛素结合F1的Kd值为21uM，而S2B则为1.9nM（图C)。（图片来自XinruWang 2025）

     胰岛素受体与天然胰岛素或人工配体结合后由于构象发生改变，拉近自身磷酸化结构域致使位于细胞内的部分磷酸化，使胰岛素受体激活，因此检测磷酸化水平就可以知晓胰岛素受体是否被激活。下右图显示来自胰岛素受体变异导致胰岛素抵抗的患者样本胰岛素与人工配体激活这类样本的能力（磷酸化水平）

图 2产生胰岛素抵抗的胰岛素受体变异细胞以胰岛素和人工胰岛素受体配体激活胰岛素受体能力比较。

图 A检测胰岛素受体激活状态的原理，胰岛素受体胞内部分的磷酸化可以由胞外部分与胰岛素结合而诱发，胞内部分不同位置的酪氨酸磷酸化可以启动不同的细胞通路（PI3K，AKT,RAS，ERK）。因此检测酪氨酸的磷酸化水平如Y1150,Y1151就可以知晓细胞通路的激活状态。

图 F 来自胰岛素抵抗的患者存在变异的胰岛素受体样本R14W,D707A，N5K,D496K与野生型WT（无变异）的胰岛素受体与胰岛素（灰色）和人工胰岛素受体结合配体（绿色，橙色）作用后胰岛素受体Y1150和Y1151的磷酸化水平比较，其中S-F1-S1指S2B肽链的C端与S1B肽链的N端由一个氨基酸残基连接。RF-405 指S1B与S2B之间由一段螺旋结构肽段相连，作者称其为刚性连接。（参见图1B)（图片来自 XinruWang 2025）

        鼠的体内试验表明，结果使用AI设计制作的结合配体维持血糖的效果优于胰岛素

图 3 AI设计的胰岛素受体结合蛋白与商品化胰岛素在鼠体内维持血糖持续时间比较。 图 A鼠在体实验过程：鼠高脂饮食7周后禁食5消失，注射 胰岛素或人工胰岛素受体结合配体，之后定时（图B横坐标）检测鼠血糖水平。图 B，Humulin: 精蛋白锌重组人胰岛素混合注射液 ( 优泌林)，人工胰岛素受体结合配体S2-F1-S1（AI设计的第二结合位点配体蛋白（S2)的N端与第一结合位点配体蛋白（S1)C端以一个氨基酸G相连接，即F1连接方式；RF-409指人工配体的两个配体蛋白以“刚性方式”连接。参见图1B）。（图片来自 Xinru Wang 2025） 。

       众所周知，如果能切断癌细胞的能量供应，有利于治疗癌症。作者还观察到人工合成的配体与天然胰岛素相比对于癌细胞系激活胰岛素受体的能力前者远远弱于后者。

参考文献 ：Xinru Wang et al Tuning insulin receptor signaling using de novo-designed agonists.. Mol. Cell 2025 ,85:1-18