靶向GPCR受体复合物:药物发现的新方向

药物发现存在一个新的维度,因为许多受体蛋白存在于与受体相关蛋白的复合物中。

前言

G蛋白偶联受体(GPCRs)是最重要的药物靶点,是近40%已批准药物的作用位点。GPCR是完整的膜蛋白,一旦与细胞外配体结合,就会触发细胞内信号级联反应。传统上,药物发现的重点是通过直接靶向受体蛋白来促进或阻止受体活化。然而,药物发现存在一个新的维度,因为许多受体蛋白存在于与受体相关蛋白的复合物中。这些受体复合物的功能特性、信号通路和定位通常与分离的受体蛋白不同。受体复合物为靶向和调节特定的信号通路提供了一个机会,这是单靠传统的受体蛋白靶向无法实现的。此外,由于受体相关蛋白的差异表达,多蛋白受体复合物通常局限于特定的组织或细胞类型,这也为调节特定的受体功能提供了机会。这使得我们可以对疾病机制进行更精确的调节,有可能开发更有效和更少副作用的药物。

受体复合物的组成

GPCRs是7次跨膜的膜蛋白,胞内的G蛋白是发挥功能的关键,而翻译后修饰,包括磷酸化和棕榈酰化,对受体的可用性和信号传递也有着深远的影响。我们要认识到这些受体是作为复合物而不是孤立的实体存在。此外,由于编码蛋白质的基因突变而产生的表型差异,也影响着GPCR的多态性。

受体复合物是由一个核心受体蛋白和一个或多个受体相关蛋白结合的受体亚单位蛋白的集合组成。受体相关蛋白直接与受体蛋白结合,通常对受体复合物的结构、功能和/或定位产生显著影响。此外,受体复合物并不均匀,它们的特性取决于细胞类型、组织定位、发育阶段和疾病状态。传统的药物发现是直接靶向受体蛋白,由细胞外、细胞内和细胞膜内的多个蛋白相互作用介导的受体复合物为新型药物的开发提供了充足的机会。

GPCR的受体复合物

GPCR受体复合物生物学的第一个例子是MCR辅助蛋白(MRAPs)对黑素皮质素受体(MCR)家族的调节:MRAP对MCR的细胞表面表达很重要,但也会影响信号传导和内化。MCR参与多种生理功能,如皮肤色素沉着和能量平衡。功能性MCRs只能在肾上腺细胞中表达,这表明存在肾上腺的MRAP。另外,编码MCRs的基因突变不能完全解释某些家族性糖皮质激素缺乏症,这表明存在另一种相关的蛋白,后来被认为是MRAP。MRAP2,大脑特异性同源物,被发现在能量平衡中起着重要作用,它与MCR的联系降低了肥胖的表型。

在GPCRs中,另一个说明复杂性的例子是GABAB受体,因为它包含两个7个跨膜域蛋白:一个是GABA结合的GABA

B1亚单位,一个是G蛋白结合GABAB2亚单位。此外,它与K+通道四聚结构域(KCTD)蛋白家族成员和调节受体信号传导和定位的其他几种蛋白质形成稳定的复合物。这为GABAB受体复合物的微调提供了许多机会,而不仅仅是通过直接靶向核心GABAB受体亚单位。

靶向受体复合物的策略

历史上,许多靶向受体复合物的药物是在表型筛选中被发现的,而最近,高通量筛选(HTS)已被用于靶标药物开发,以确定此类复合物的小分子调节剂。此外,受体复合物结构信息的缺乏阻碍了药物的合理设计和基于结构的药物设计,而最近的进展,特别是冷冻电镜,促进我们了对蛋白质复合物结构的理解,这使得能够识别GPCR单体以及同二聚体和异二聚体的变构结合位点,以及开发调节亚型特异性受体复合物的小分子。

抗体:抗体的主要优点包括高亲和力和选择性,以及较长的半衰期。最近对单克隆抗体erenumab的批准就是一个例证,该抗体针对降钙素受体样受体(CALCRL)与受体活性修饰蛋白1(RAMP1)的复合物,用于预防性治疗偏头痛。抗体也能靶向受体复合物的特定构象,允许稳定受体复合物的活性或非活性状态。抗体噬菌体展示是一种广泛应用于全人源化单克隆抗体的体外选择技术,其基于肽与噬菌体包膜蛋白的融合。虽然它排除了免疫的需要,但抗体噬菌体展示确实需要合适的抗原,这可能是膜蛋白复合物最大的挑战。

小分子:小分子通常要求高质量、结构多样的化合物库的可用性。此外,开发设计良好且经过验证的筛选分析是任何HTS活动的先决条件。GPCR筛选分析通常包括基于细胞的功能分析,而不是简单的结合分析。HTS的挑战可能包括命中率低、误报率高以及筛选质量差。尽管如此,HTS和后续的药物化学研究已经提供了一系列小分子靶向受体复合物,例如靶向AMPAR–TARPγ8复合物的化合物,目前正在开发中。

多肽:在受体复合物调节需要完全置换两个相关蛋白的情况下,小分子可能不适合,相反,肽可以作为良好的出发点。然而,肽的不良药代动力学特性带来了很大的挑战,必须在后续优化工作中加以解决。几种肽展示技术,如噬菌体展示、核糖体展示或mRNA展示,可用于识别和优化肽抑制剂。

多肽的另一个主要挑战是缺乏细胞渗透性。各种研究策略已经解决了这个问题,包括大环化和连接细胞渗透性肽,目前,开发性能优良的细胞穿透肽是研究的一个活跃领域。

靶向GPCR复合物的药物

CALCRL–RAMP1:调节降钙素相关肽(CGRP)受体复合物治疗偏头痛是GPCR复合物的药理靶向性的一个显著例子。CGRP受体复合物的中心成分是CALCRL,一种参与激素稳态的B类GPCR。为了形成功能性受体,CALCRL必须与RAMP1相关联,后者将CALCRL转运到细胞表面,其中RAMP1仍然与CALCRL相关联,以形成功能性CGRP受体复合体。

Erenumab由Amgen开发用于偏头痛预防,是一种针对CGRP受体复合物的人单抗。Erenumab得益于抗体跨越CALCRL和RAMP1所赋予的大结合位点的能力,并有效地阻断CGRP的结合,从而激活受体。由于其对CGRP受体复合物的高亲和力和特异性超过CALCRL–RAMP2/RAMP3复合物(5000倍),加上抗体的血清半衰期延长,erenumab在间歇性和慢性偏头痛预防中非常有效。除了第一个CGRP靶向治疗外,erenumab也是第一个FDA批准的针对GPCR的抗体。

几种CGRP受体复合物的小分子拮抗剂在临床前和临床研究中都显示了有希望的结果。尽管它们的化学结构不相关,但这些分子统称为“gepants”。Gepants共享相同的操作模式:他们使用CALCRL–RAMP1接口来阻止CGRP绑定。包括olcegepant和telcagepant在内的一些gepant缓解了偏头痛症状,而没有出现心血管副作用,但由于肝脏毒性,一些gepant临床项目被中止。然而,其他方案仍在继续,包括Allergan公司的ubrogepant和atogepant,这两种药物没有肝毒性,对急性偏头痛的治疗仍有很强的疗效。Ubrogepant于2019年12月获得FDA批准,而由Biohaven Pharmaceuticals开发的rimegepant于2020年2月获得FDA批准用于急性偏头痛治疗。

GBRs和KCTD蛋白:GBR是由一个GB1a亚单位或一个GB1b亚单位和一个GB2亚单位组成的异二聚C类GPCR。KCTD蛋白(KCTD8、KCTD12、KCTD12B和KCTD16)是与GB2亚基的C端尾和G蛋白的Gβ亚基结合的胞浆蛋白。KCTD12和KCTD12B通过隔离Gβγ诱导通道门控快速脱敏,从而解偶联效应物Ca2+和K+通道。

大脑中主要的抑制性神经递质GABA通过激活突触前和突触后G蛋白偶联GABAB受体(GBRs)来调节突触传递。GBRs在中枢神经系统中表达,其功能障碍与神经和神经精神疾病有关,包括癫痫、疼痛、痉挛、自闭症谱系障碍、抑郁、精神分裂症、焦虑和成瘾。目前市场上只有两种针对GBRs的药物——巴氯芬和γ-羟基丁酸。

展望

受体复合物给药物发现带来了挑战和令人兴奋的新机遇。我们正处于合理靶向受体复合物以识别更有效、更具选择性和更安全的药物的初级阶段。靶向性受体复合物需要重新考虑筛选策略,特别是当异源表达的受体通常缺乏关键的受体相关蛋白时。沿着这些思路,重要的是要揭示出天然受体内的相关蛋白质的全部组成。只有有了这种理解,我们才能开发出忠实地重现生物靶点的分析方法,进而开发出更有效和更少副作用的药物。

参考文献:

1.Targeting receptor complexes: a new dimension in drug discovery.Nat Rev Drug Discov. 2020 Nov 11.

2. GPCR-G Protein-β-Arrestin Super-Complex Mediates Sustained GProtein Signaling. Cell. 2016 Aug 11;166(4):907-919.

3. Modulation of cell surface GABAB receptors bydesensitization, trafficking and regulated degradation. World J BiolChem 2012; 3(4): 61-72

本文转载自公众号小药说药

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