藥物大爆炸——基于GPCR結構能力的藥物變革

導語

  G蛋白偶聯受體(GPCRs)是一個超級膜蛋白家族。該家族的結構特點為七個穿越細胞膜的α-雙螺旋結構，其中N-端在細胞外，C-端在細胞內。他們識別并結合細胞外部環境中多種多樣的信號分子，激活細胞內的異源三聚體的鳥苷酸結合蛋白(G-protein)。活化后的G蛋白結合GTP 置換 GDP，三聚體進行解離等變化，從而將信號傳遞到細胞內的效應分子，引起細胞內的一系列變化。 

 
圖1 不同類型GPCR結構的多樣性及其受體的數量[7] 

  市場上銷售額前茅的藥物中，有許多是作用于 GPCRs 的。對 GPCRs的研究將會給醫療和醫藥帶來新進展。其中理解 GPCRs 與信號分子的作用機制至關重要。慶幸的是牛視紫紅質蛋白(rhodopsin)的結構已經清楚，其構效關系為其他 GPCRs 的研究提供了模板。另一個重要的 G-蛋白偶聯受體是血小板激活因子受體(PAFR)，他與血小板激活因子的解聚與許多生理和病理變化相關。 本文將對 GPCR 的結構，以及GPCRs藥物發現現狀進行簡述，以期對相關靶向藥物后續發展進行展望。

GPCR 的結構

在過去20年里，X射線晶體學一直是確定 GPCR 結構的首選方法。通過各種方法以促進脂立方相結晶晶體觸點的形成，且 GPCRs 與反向激動劑結合的非活性狀態往往是受體最穩定，最易結合的狀態。然因完全激活的狀態需要胞內結合伙伴的穩定，故激動劑-受體結構通常處于中間狀態。X射線晶體學也可以用于確定完全活性狀態下的 GPCRs結構，通常通過異源三聚體G 蛋白或 mini-G蛋白的協助穩定。 

X 射線晶體學對GPCR藥理學分子基礎的理解具有重要的影響。GPCR的單獨結構將給出配體與受體如何相互作用的詳細分子影象以及正構結合袋的形狀。通過對比活性狀態和非活性狀態的結構，我們可以了解 GPCRs 是如何被激動劑激活的，受體結構的多樣性有助于解釋受體活化的機理，反過來也有助于解釋受體是如何激活G蛋白的。在SBDD方面，晶體學使受體與多種不同配體的結構測定成為了可能。在少數情況下，也可以用配體浸泡現有品體以更快地獲得結構。必須指出的是，當首個結構完成后，GPCR，結構的高通量測定通常是每月幾個，這比最成功的可溶蛋白慢2-3倍。

隨著科學技術的不斷發展將驅動基于結構的藥物設計，且在可預期的未來，冷凍將持續改進并解決較小蛋白獲得更高分辨率。

GPCRs 藥物發現的現狀

當前的療法靶向作用人類機體中表達的僅有25%的潛在可用作藥物的GPCRs。在可能的403個靶點中有103介GPCR靶點，且其中至少有種上市的藥物能在臨床實踐使用其中，41種是激動劑，27種是拮抗劑，35種是兩種類型都有。然而，由于403個 GPCR 靶點可能都具有治療效果，因此在激動劑或者拮抗劑模式下潛在的可靶向作用的靶點就有800個。但是目前被“藥物化”的潛在治療方式比較少，這就為進一步發現治療性藥物留下了巨大的潛力，且現在研究人員已經進入了一個能確定掌握 GPCRs 結構的時代了。

目前 GPCRs 作為藥物開發靶點的概念被廣泛接受，且新型藥物逐漸從這一類靶向藥物中不斷涌向市場。獲得批準的靶向 GPCR占所有被批準藥物的19%，在口服小分子藥物中，靶向 GPCRs 占了22%。這些都顯現了GPCR家族作為藥物靶點的重要性以及其在疾病中發揮的關鍵作用。

在103種被批準的靶向 GPCRs 的藥物中，有46種結構是已知的，在幾乎所有的 GPCRs 中，至少有一種結構能夠提供與治療藥物相同的激動劑或拮抗劑的結合模式。且值得注意的是，有幾種 GPCRs的候選藥物正在籌備中，且它們的靶點和(或)模式可能會讓它們成為首選藥物。近年來，越來越多針對氨基選擇性的 GPCRs 藥物已經被開發出來，這些藥物此前被認為是與多種氨基 GPCRs相互作用的非選擇性藥物靶向作用。且藥物開發中一些無法靶向作用的 GPCRs 被治療性多肽或單克隆抗體所靶向。

圖 2 GPCR 結構、批準的藥物和進入臨床的藥物[7]

盡管 GPCRs 的藥物開發取得了成功和明顯的可實現性，但仍然沒有足夠證據表明GPCR 結構對藥物化學領域研究中藥物的發現產生了影響。因為我們需要考慮藥物通過臨床開發所需要的周期以及結構生物學是否有足夠的時間在藥物設計過程中產生影響，這通常會出現在藥物發現計劃的2-3年里。

結論

伴隨著指導藥物設計的結構生物學的突破性進展，結構生物學將給GPCR領域帶來如何的影響，可以預期，除了協助這些有價值的靶標的命中和先導藥物生成之外，也為化合物的新型結合新模式的理解帶來了新的機會。

如今正向變構和負向變構及偏置信號通路的結合位點和機制越來越明顯，其數量可能比在大多數其他蛋白質系統中所見的更多。現GPCRs結構研究的變革揭示了不同范圍的變構和偏置調節劑的機制細節，而配體-蛋白質相互作用的高分辨率圖像或許也能驅動SBDD中新型藥物的出現。目前仍然存在著一定的挑戰，即提高GPCRs結構測定的通量，使其能夠更加密切接近藥物化學家藥物開發的周期。且隨著科學技術的不斷發展，GPCR結構的能力已經使得相關靶向性藥物的開發發生了變革。

高活性、高穩定性、高免疫活性的GPCR抗原的足量提供是加速GPCR抗體藥物研發的關鍵。晶蛋生物膜蛋白可供應高質量GPCR蛋白助力抗體藥物開發，此外，晶蛋生物還提供離子通道蛋白，COVID-19蛋白、定制化服務蛋白等。

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