药物大爆炸——基于GPCR结构能力的药物变革

药物大爆炸——基于GPCR结构能力的药物变革

药物大爆炸—GPCR

导语
G蛋白偶联受体(GPCRs)是一个超级膜蛋白家族。该家族的结构特点为七个穿越细胞膜的α-双螺旋结构，其中N-端在细胞外，C-端在细胞内。他们识别并结合细胞外部环境中多种多样的信号分子，激活细胞内的异源三聚体的鸟苷酸结合蛋白(G-protein)。活化后的G蛋白结合GTP 置换 GDP，三聚体进行解离等变化，从而将信号传递到细胞内的效应分子，引起细胞内的一系列变化。

• 图1 不同类型GPCR结构的多样性及其受体的数量[7]
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• 市场上销售额前茅的药物中，有许多是作用于 GPCRs 的。对 GPCRs的研究将会给医疗和医药带来新进展。其中理解 GPCRs 与信号分子的作用机制至关重要。庆幸的是牛视紫红质蛋白(rhodopsin)的结构已经清楚，其构效关系为其他 GPCRs 的研究提供了模板。另一个重要的 G-蛋白偶联受体是血小板激活因子受体(PAFR)，他与血小板激活因子的解聚与许多生理和病理变化相关。本文将对 GPCR 的结构，以及GPCRs药物发现现状进行简述，以期对相关靶向药物后续发展进行展望。
  

GPCR 的结构

在过去20年里，X射线晶体学一直是确定 GPCR 结构的首选方法。通过各种方法以促进脂立方相结晶晶体触点的形成，且 GPCRs 与反向激动剂结合的非活性状态往往是受体最稳定，最易结合的状态。然因完全激活的状态需要胞内结合伙伴的稳定，故激动剂-受体结构通常处于中间状态。X射线晶体学也可以用于确定完全活性状态下的 GPCRs结构，通常通过异源三聚体G 蛋白或 mini-G蛋白的协助稳定。

X 射线晶体学对GPCR药理学分子基础的理解具有重要的影响。GPCR的单独结构将给出配体与受体如何相互作用的详细分子影象以及正构结合袋的形状。通过对比活性状态和非活性状态的结构，我们可以了解 GPCRs 是如何被激动剂激活的，受体结构的多样性有助于解释受体活化的机理，反过来也有助于解释受体是如何激活G蛋白的。在SBDD方面，晶体学使受体与多种不同配体的结构测定成为了可能。在少数情况下，也可以用配体浸泡现有品体以更快地获得结构。必须指出的是，当首个结构完成后，GPCR，结构的高通量测定通常是每月几个，这比最成功的可溶蛋白慢2-3倍。

随着科学技术的不断发展将驱动基于结构的药物设计，且在可预期的未来，冷冻将持续改进并解决较小蛋白获得更高分辨率。

GPCRs 药物发现的现状

当前的疗法靶向作用人类机体中表达的仅有25%的潜在可用作药物的GPCRs。在可能的403个靶点中有103介GPCR靶点，且其中至少有种上市的药物能在临床实践使用其中，41种是激动剂，27种是拮抗剂，35种是两种类型都有。然而，由于403个 GPCR 靶点可能都具有治疗效果，因此在激动剂或者拮抗剂模式下潜在的可靶向作用的靶点就有800个。但是目前被“药物化”的潜在治疗方式比较少，这就为进一步发现治疗性药物留下了巨大的潜力，且现在研究人员已经进入了一个能确定掌握 GPCRs 结构的时代了。

目前 GPCRs 作为药物开发靶点的概念被广泛接受，且新型药物逐渐从这一类靶向药物中不断涌向市场。获得批准的靶向 GPCR占所有被批准药物的19%，在口服小分子药物中，靶向 GPCRs 占了22%。这些都显现了GPCR家族作为药物靶点的重要性以及其在疾病中发挥的关键作用。

在103种被批准的靶向 GPCRs 的药物中，有46种结构是已知的，在几乎所有的 GPCRs 中，至少有一种结构能够提供与治疗药物相同的激动剂或拮抗剂的结合模式。且值得注意的是，有几种 GPCRs的候选药物正在筹备中，且它们的靶点和(或)模式可能会让它们成为首选药物。近年来，越来越多针对氨基选择性的 GPCRs 药物已经被开发出来，这些药物此前被认为是与多种氨基 GPCRs相互作用的非选择性药物靶向作用。且药物开发中一些无法靶向作用的 GPCRs 被治疗性多肽或单克隆抗体所靶向。

图 2 GPCR 结构、批准的药物和进入临床的药物[7]

尽管 GPCRs 的药物开发取得了成功和明显的可实现性，但仍然没有足够证据表明GPCR 结构对药物化学领域研究中药物的发现产生了影响。因为我们需要考虑药物通过临床开发所需要的周期以及结构生物学是否有足够的时间在药物设计过程中产生影响，这通常会出现在药物发现计划的2-3年里。

结论

伴随着指导药物设计的结构生物学的突破性进展，结构生物学将给GPCR领域带来如何的影响，可以预期，除了协助这些有价值的靶标的命中和先导药物生成之外，也为化合物的新型结合新模式的理解带来了新的机会。

如今正向变构和负向变构及偏置信号通路的结合位点和机制越来越明显，其数量可能比在大多数其他蛋白质系统中所见的更多。现GPCRs结构研究的变革揭示了不同范围的变构和偏置调节剂的机制细节，而配体-蛋白质相互作用的高分辨率图像或许也能驱动SBDD中新型药物的出现。目前仍然存在着一定的挑战，即提高GPCRs结构测定的通量，使其能够更加密切接近药物化学家药物开发的周期。且随着科学技术的不断发展，GPCR结构的能力已经使得相关靶向性药物的开发发生了变革。

高活性、高稳定性、高免疫活性的GPCR抗原的足量提供是加速GPCR抗体药物研发的关键。晶蛋生物膜蛋白可供应高质量GPCR蛋白助力抗体药物开发，此外，晶蛋生物还提供离子通道蛋白，COVID-19蛋白、定制化服务蛋白等。

参考文献

1. Andersen, A., Lund, A., Knop, F.K., and Vilsbøll, T. (2018). Glucagon-like peptide 1 in health and disease. Nat. Rev. Endocrinol. 14, 390–403.

2. Ballante, F., Rudling, A., Zeifman, A., Luttens, A., Vo, D.D., Irwin, J.J., Kihlberg,J., Brea, J., Loza, M.I., and Carlsson, J. (2020). Docking Finds GPCR Ligands in Dark Chemical Matter. J. Med. Chem. 63, 613–620.

3. Chevillard, F., Stotani, S., Karawajczyk, A., Hristeva, S., Pardon, E., Steyaert,J., Tzalis, D., and Kolb, P. (2019). Interrogating dense ligand chemical space with a forward-synthetic library. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 116, 11496–11501.

4. Gao, Y., Hu, H., Ramachandran, S., Erickson, J.W., Cerione, R.A., and Skiniotis, G. (2019). Structures of the Rhodopsin-Transducin Complex: Insights into G-Protein Activation. Mol. Cell 75, 781–790.

5. Masiulis, S., Desai, R., Uchanski, T., Serna Martin, I., Laverty, D., Karia, D., Ma-linauskas, T., Zivanov, J., Pardon, E., Kotecha, A., et al. (2019). GABAA receptor signalling mechanisms revealed by structural pharmacology. Nature 565,454–459.

6. Rucktooa, P., Cheng, R.K.Y., Segala, E., Geng, T., Errey, J.C., Brown, G.A.,Cooke, R.M., Marshall, F.H., and Dore´ , A.S. (2018). Towards high throughput GPCR crystallography: In Meso soaking of Adenosine A2A Receptor crystals.Sci. Rep. 8, 41.

7. Congreve M , Graaf C D , Swain N A , et al. Impact of GPCR Structures on Drug Discovery[J]. Cell, 2020, 181(1):81-91.