G蛋白偶聯(lián)受體（G protein coupled receptor，GPCRs）是一類高度保守、存在于細胞表面的膜蛋白超級家族，其數(shù)目和種類在細胞表面受體中為最多。GPCR由七個α螺旋跨膜結(jié)構(gòu)域組成，這七個α螺旋跨膜結(jié)構(gòu)域?qū)⑹荏w分割為胞外N 端、3個胞外環(huán)、胞內(nèi)C端和3個胞內(nèi)環(huán)。受體的胞外部分常帶有糖基化修飾，胞外環(huán)上存在的兩個高度保守的半胱氨酸殘基，可以通過形成二硫鍵對受體空間結(jié)構(gòu)起穩(wěn)定作用。在受體的C端和連接（從肽鏈 N 端數(shù)起）第5和6個跨膜螺旋的胞內(nèi)環(huán)（第3個胞內(nèi)環(huán)）上，都有與G蛋白、GRKs、arrestin等下游信號分子結(jié)合的位點。

1. GPCR受體的分類

在人體中發(fā)現(xiàn)的GPCR根據(jù)氨基酸序列的保守性及結(jié)構(gòu)特征，可以分為如下5個亞家族：（1）Class A (Rhodopsin-Like)，是目前已發(fā)現(xiàn)的最大的一類 GPCR，此類受體包括趨化因子受體、神經(jīng)肽受體、視紫紅質(zhì)受體等；（2）Class B (Secretin)，主要配體有降鈣素、胰高血糖素、副甲狀腺素、利尿素等；（3）Class C (Glutamate)主要包括谷氨酸鹽受體、γ-氨基丁酸受體、Ca2+受體等；(4) Class D (Adhesion)， 此類家族的N端結(jié)構(gòu)域非常巨大，在多種生物學(xué)功能中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，其特征是具有能夠介導(dǎo)細胞-細胞和細胞-基質(zhì)相互作用的各種粘附結(jié)構(gòu)域，目前還沒有被解析的結(jié)構(gòu)；(5) Class F (Frizzled/TAS2)， N端較長，結(jié)合Wnt糖蛋白。 

（圖為GPCR家族樹，圖片來源于《Status of GPCR Modeling and Docking as Reflected by Community-wide GPCR Dock 2010 Assessment》）

（圖為不同類別GPCR受體結(jié)構(gòu)的多樣性，圖片來源于《Impact of GPCR Structures on Drug Discovery》）

2. GPCR受體為當(dāng)前最為重要的藥物作用靶標(biāo)庫

 GPCR 是跨膜蛋白受體的一個大家族，目前已發(fā)現(xiàn)涉及感覺、化學(xué)、刺激等成員800多個。GPCR與許多生理和病理疾病密切相關(guān)，包括糖尿病、心臟病、腫瘤、免疫與感染性疾病、神經(jīng)與精神性疾病等。根據(jù)最新的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，FDA批準(zhǔn)上市的藥物中共有475種藥物靶向GPCRs，約占FDA批準(zhǔn)藥物的34%；2011~2015年間，GPCRs 藥物銷售額達9170億美元，銷售份額占全球總額的約27%；統(tǒng)計獲批藥物和臨床候選藥物作用靶點時，發(fā)現(xiàn)胺類受體如組胺受體、多巴胺受體、腎上腺受體、乙酰膽堿受體等為最大的藥物靶點，475種獲批藥物中的314種作用在該類受體上。

  據(jù)2019年小分子藥物（口服）統(tǒng)計數(shù)據(jù)，32種中有7種是針對GPCRs的。2019年進入市場的GPCRs靶向藥物有Reyvow (lasmiditan，一種選擇性5-HT1FR拮抗劑)，Wakix（pitolisant，選擇性H3R拮抗劑），Ubrelvy (ubrogepant，CGRP受體拮抗劑)，Nourianz（istradefylline，選擇性A2AR拮抗劑）等。

 此外，基于GPCR靶點藥物的廣闊前景，北京科信美德和杭州鴻運華寧布局了該領(lǐng)域。北京科信美德在研的 REMD-477 是針對胰高血糖素受體GCGR的抑制性抗體。通過抑制 GCGR 降低胰島 A 細胞的胰高血糖素分泌，進而抑制內(nèi)源血糖的合成。目前，該產(chǎn)品正處于治療1型和2型糖尿病的臨床研究階段。

杭州的鴻運華寧（Gmax Biopharm）有2種針對GPCR蛋白的在研抗體新藥：GMA102 和GMA301。其中，GMA102是針對GLP1R的激活型抗體，通過激活 GLP1R，調(diào)控其下游信號通路，提高胰島B細胞的胰島素分泌水平，從而控制血糖；GMA301針對內(nèi)皮素受體（一種與Na+/Ca2+交換系統(tǒng)和Na+/H+交換系統(tǒng)相關(guān)的GPCR），通過與內(nèi)皮素受體的結(jié)合，降低內(nèi)皮素導(dǎo)致的血管壓力增加，從而緩解肺動脈壓力過高的癥狀。

3. 目前GPCR靶點藥物開發(fā)的技術(shù)難點

3.1抗原制備

 GPCR如此大的市場規(guī)模，但是2019年才針對CCR4和CGRP開發(fā)出大分子抗體藥物，一方面是因為GPCR膜蛋白結(jié)構(gòu)具有復(fù)雜性和不穩(wěn)定性，另一方面是缺少高質(zhì)量的免疫原和抗原制備技術(shù)。晶蛋生物獨特的哺乳動物表達系統(tǒng)解決了GPCR抗原表達量少的問題，納米圓盤組裝技術(shù)可以極大的提高抗原穩(wěn)定性，可以生產(chǎn)足夠的免疫材料來進行抗體篩選，解決GPCR抗體藥物研發(fā)行業(yè)的痛點。

3.2抗體篩選方法的選擇     

抗體展示的方法目前主要有：噬菌體展示、酵母展示、核糖體展示等。噬菌體展示的優(yōu)點是庫容量大、操作簡便等，缺點主要是原核系統(tǒng)表達的蛋白缺乏真核系統(tǒng)的修飾；酵母展示的優(yōu)點是將篩選和檢測相結(jié)合，缺點是庫容量相對較小；核糖體展示的優(yōu)點是庫容量大，缺點包括無法展示Fab形式的抗體、體系不穩(wěn)定等。這些方法各有優(yōu)劣，可以根據(jù)項目需要選擇合適的方法。

3.3 GPCR結(jié)構(gòu)解析

蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)可以為以蛋白質(zhì)為作用靶點的藥物開發(fā)提供重要信息。自1984 年以來，人們通過 X 射線晶體衍射學(xué)研究 GPCR 蛋白的三維空間結(jié)構(gòu)，并取得重要進展。但是，迄今僅有少數(shù)GPCR 結(jié)構(gòu)得到解析，GPCR與其效應(yīng)蛋白復(fù)合物結(jié)晶依然非常困難。

4. 晶蛋生物在GPCR靶點創(chuàng)新新藥研發(fā)中的技術(shù)優(yōu)勢

4.1納米圓盤技術(shù)篩選GPCR納米抗體

 GPCRs屬于膜蛋白，表達在脂質(zhì)雙層膜上，GPCRs從體內(nèi)膜中提取出來需要去污劑來維持蛋白的正常折疊，結(jié)構(gòu)極難穩(wěn)定、容易變性，容易失去生物活力而無法獲得高質(zhì)量的抗原。

  納米圓盤（Nanodiscs）是由膜骨架蛋白(membrane scaffold proteins， MSPs)和磷脂分子構(gòu)成的磷脂雙分子層類膜結(jié)構(gòu)。通過晶蛋生物獨特的納米圓盤組裝技術(shù)，可以將GPCRs整合到Nanodiscs中，完全除掉去污劑，讓GPCRs像可溶性蛋白一樣穩(wěn)定，保持其生物學(xué)活性，為GPCRs的研究提供了有力的技術(shù)支持。在納米圓盤中重構(gòu)的膜蛋白可在室溫條件下，3-7天內(nèi)仍然保留活性。我們利用該技術(shù)進行膜蛋白納米抗體的篩選。目前主流的單抗制備流程主要是抗原制備、培育、篩選、優(yōu)化、臨床前發(fā)展，歷時2-3年。利用晶蛋生物成熟的抗原抗體制備技術(shù)，能夠大大縮短抗體研發(fā)的臨床前研究時間。

4.2多種蛋白表達系統(tǒng)

實驗室擁有多種蛋白表達系統(tǒng)，包括原核蛋白表達系統(tǒng)、酵母蛋白表達系統(tǒng)、昆蟲細胞蛋白表達系統(tǒng)（桿狀病毒）和哺乳動物細胞蛋白表達系統(tǒng)；具備多種融合技術(shù)，可以在蛋白表達與純化方面提供多種技術(shù)選擇。建立了從方案設(shè)計、基因優(yōu)化、表達條件優(yōu)化到純化的完整技術(shù)體系，以提高目的蛋白表達水平和樣品質(zhì)量。公司平臺可以為國內(nèi)抗體藥物研發(fā)提供高質(zhì)量的抗原。

4.3成熟的結(jié)構(gòu)生物學(xué)平臺助力GPCR靶點結(jié)構(gòu)解析

晶蛋生物擁有國際頂尖的結(jié)構(gòu)生物學(xué)團隊，掌握了脂立方相結(jié)晶技術(shù)和冷凍電鏡技術(shù)（冷凍電鏡技術(shù)的優(yōu)勢在于所需樣品量非常少（每個電鏡篩網(wǎng)僅需微克級別的樣品）、無須結(jié)晶，受體蛋白無須進行突變以提高熱力學(xué)穩(wěn)定性，研究對象更接近生理狀態(tài)），可解析重要藥物靶點結(jié)構(gòu)，助力新藥研發(fā)。此外，我們開創(chuàng)性將基于結(jié)構(gòu)的藥物開發(fā)（SBDD)技術(shù)應(yīng)用于膜蛋白藥物開發(fā)中，把膜蛋白穩(wěn)定在臨床上疾病模型相關(guān)構(gòu)象中，為膜蛋白的靶向藥物開發(fā)提供契機。

基于平臺，我們已解析數(shù)百種藥物靶點結(jié)構(gòu)（數(shù)十個離子通道蛋白、GPCR、多個新冠病毒相關(guān)蛋白和PARPs家族的結(jié)構(gòu)），2020年至今已經(jīng)解析超過50個結(jié)構(gòu)。 

 歡迎有研發(fā)合作需求的企業(yè)、科研機構(gòu)與我們聯(lián)系。