Cell！西湖大学胡奇等发现特异性靶向GTPase的环肽抑制剂

G蛋白偶联受体是真核生物中最大，种类最多的膜受体。与GPCR相关的G蛋白是异源三聚体，它具有三个不同的亚基：α亚基，β亚基和γ亚基。这些亚基中的两个α和γ通过脂质锚定物附着在质膜上。配体与GPCR的结合会引起受体构象的改变，进而改变并结合和激活G蛋白。然后，G蛋白的活性形式从受体表面释放出来，解离成其α-和β/γ亚基。进而，两个亚基都将激活其特定的效应子，从而释放第二个信使。这些信号被蛋白激酶识别，从而导致其活化并触发朝向细胞事件的信号级联。

人类GTP酶家族代表了一个巨大但在很大程度上尚未开发的药理靶标来源。它们充当关键的分子开关，通过在严格调节的开/关状态之间循环来控制细胞生长和增殖。通过癌症基因组测序和神经退行性疾病的家族研究，已经广泛确立了特定GTP酶家庭成员在各种人类疾病中的作用。然而因为难以取代高亲和力鸟嘌呤核苷酸，GTP酶在很大程度上仍然无法成药，并且缺乏其他药物结合位点。

2022年9月27日，美国加州大学旧金山分校Kevan M. Shokat团队与东京大学Hiroaki Suga团队合作在Cell 杂志在线发表题为“State-selective modulation of heterotrimeric Gαs signaling with macrocyclic peptides”的研究论文，该论文共同一作胡奇博士现任西湖大学生命科学学院特聘研究员。

该研究探索了 1012 个环肽的化学文库，以扩大对此类酶抑制剂的搜索。最终鉴定了两种大环肽 GN13 和 GD20，它们分别拮抗Gαs 的活性和非活性状态。两种大环肽都可微调 Gαs 活性，具有高核苷酸结合状态选择性和 G 蛋白类特异性。总之，靶向 Gαs 的环肽抑制剂的发现为进一步开发状态依赖性 GTPase 抑制剂提供了途径。

目前已经报道了几种非共价靶向GTP酶的基于肽的探针，但它们要么缺乏适当的药物性质，要么靶标范围有限。短线性肽已被证明可以状态选择性地靶向异三聚体G蛋白α亚基（Gα）中的开关II / α3口袋。然而，线性肽并不是药物发现的理想分子，因为它们的细胞通透性差且使细胞不稳定。

环肽是GTP酶药物开发的最有希望的候选者。像线性肽一样，环肽也能够靶向蛋白质-蛋白质界面，并能更好的穿透细胞，同时保持良好的药理特性。目前已经报道了Gα蛋白的环肽抑制剂，例如，环状脱肽天然产物YM-254890靶向具有高特异性和效力的GDP绑定Gαq。尽管G蛋白的结构高度保守，但可能由于可用的YM-254890类似物的化学多样性有限，因此这个大环用作发现其他G蛋白（Gαs，Gαi）抑制剂尚未成功。因此，研究人员推断，针对Gαs的给定核苷酸结合状态筛选超大环肽库可能使我们能够发现区分Gαs活性和非活性状态的Gαs抑制剂，并可能为药理学研究打开GTP酶家族的其余部分。

随机非标准肽整合发现（Random nonstandard Peptide Integrated Discovery, RaPID）系统将体外翻译系统的灵活性与 mRNA 显示相结合，能够针对具有挑战性的靶标筛选超大大环肽文库（>1012 分子）。

在这项研究中，研究人员利用RaPID系统发现的两种大环肽GN13和GD20及其类似物cpGN13和cpGD20，它们是Gα的细胞渗透性核苷酸状态选择性抑制剂，共结晶结构显示 GN13 和 GD20 区分开关 II/α3 口袋内的构象差异，因此与其他G蛋白亚家族相比具有高选择性。

此外，肽环化和非典型氨基酸（D-酪氨酸）的引入使这些 Gαs 抑制剂具有与小分子药物相当的细胞渗透性和化学稳定性。与复杂的环肽天然产物 YM-254890 相比，这种 Gαs 结合环肽可以通过侧链取代衍生化。不仅如此，GN13 和 GD20 的细胞可渗透类似物通过与晶体学定义的口袋结合来调节细胞中的 Gαs/Gβγ 信号传导。

研究概述（图源自Cell ）

总的来说，该研究通过正向和负向选择展示了 RaPID 环肽平台的使用，这为发现 GTPase 家族其余部分的细胞渗透性、类别特异性和状态选择性抑制剂的途径提供了原理证明。

参考消息：

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(22)01191-6