景书谦点评 | GPCR药物研发：繁花似锦，未来可期

点评摘要

GPCR是药物研发领域至关重要的一个蛋白家族，该领域的小分子和大分子药物各有优势。未来GPCR领域会有更多突破，结构数据和AI技术的不断完善，以及新一代减肥药物的成功，会带动其它代谢和心血管领域重大疾病的突破。

—— 鸿运华宁 景书谦

G蛋白偶联受体（G Protein-Coupled Receptor，GPCR）由7段跨细胞质膜的α螺旋结构组成。GPCR是哺乳动物基因组中最大的膜蛋白家族，广泛分布于中枢神经系统、免疫系统、心血管、视网膜等器官和组织，参与机体的发育和功能行使。如果与其相关的细胞内通路调节发生异常，则会导致一系列疾病的发生。因此，GPCR的药物研发具有非常重要的价值。

近日，Nature子刊Signal Transduction and Targeted Therapy（IF=39.3）发表了一篇综述，详细介绍了GPCR的结构进展、激活机制和功能多样性，为未来靶向该受体家族的药物研发提供了重要指导。

GPCR的结构发现历程

膜蛋白GPCR表达程度低，且构象灵活性多变，给蛋白结构解析带来了巨大的挑战。近二十多年来，蛋白质工程、X射线晶体学技术助力了GPCR蛋白的结构解析。2011年，研究人员首次使用X射线衍射测定了蛋白复合物。近年来，冷冻电镜的发展进一步推动了GPCR结构生物学的新趋势。截至2023年11月，蛋白质数据库已积累554个复杂结构，其中523个是使用冷冻电镜进行解析的。

图1. 使用X射线晶体学和冷冻电镜进行GPCR结构研究的主要进展时间表 ^[1]

GPCR激活和信号传导机制

GPCR主要通过两种类型的转导器来协调不同的下游信号反应：异源三聚体G蛋白和抑制蛋白。人类G蛋白包括四个主要家族（G _s 、G _i/o 、G _q/11 和G _12/13 ），超过一半的GPCR激活两种或两种以上的G蛋白，每一种都表现出不同的功效和动力学，这导致细胞内出现类似指纹的信号图谱，增加了GPCR信号传导的复杂性。

当与GDP结合时，Gαβγ异源三聚体是无活性的。结合激动剂后导致GPCR活性构象的形成，从而启动涉及G蛋白募集和激活的信号级联反应。激活的GPCR催化Gα亚基上的GDP/GTP交换，使Gα与Gβγ二聚体分离。由于GTP的细胞浓度高，Gα在核苷酸结合位点迅速结合GTP分子，Gα-GTP和Gβγ均可调控后续效应蛋白。

Gα-GTP可以激活或抑制酶，如腺苷酸环化酶（AC）、磷脂酶C（PLC）或离子通道，这取决于特定的G蛋白类型。Gβγ还可以调节多种信号通路并与靶蛋白相互作用。效应蛋白被Gα-GTP或Gβγ激活产生第二信使，如环AMP（cAMP）。Gα亚基将GTP水解为GDP，细胞反应结束，G蛋白失活，Gα亚基通过与Gβγ重新结合完成G蛋白活化周期。

为了阻止持续的信号传导，激活的GPCR也可能经历G蛋白偶联受体激酶（GRK）促进的C端磷酸化。这种多位点GPCR磷酸化决定了β-抑制蛋白（β-arrestin）的结合亲和力，并通过位阻诱导受体脱敏，然后网格蛋白介导内吞，受体的泛素化。受体-阻滞蛋白复合物还可作为20多种不同激酶的支架，包括丝裂原活化蛋白（MAP）激酶、ERK1/2、p38激酶和c-Jun N末端激酶，激活G蛋白独立的信号通路。

图2. GPCR激活过程示意图 ^[1]

GPCR的功能多样性

GPCR根据其结构和功能特点可分为A类、B类、C类、F类和T类。

A类GPCR 即视紫红质样家族，是占比最大、研究最广泛的超家族。A类GPCR可按功能进一步分为胺类、肽类、蛋白类、脂类、褪黑素类、核苷酸类、类固醇类、二羧酸类、感觉类和孤儿类亚群，其对应的适应症范围从高血压、心血管疾病、肺部疾病，到抑郁症和精神疾病。

B类GPCR 分为分泌素亚家族（B1）和粘附亚家族（B2），前者具有大细胞外结构域（ECD）的特征，后者具有独特的长N端基序和自身蛋白水解诱导结构域。其中胰高血糖素样肽-1受体（GLP-1R）和胰高血糖素受体（GCGR）是B1亚族中“大名鼎鼎”的调节血糖稳态和脂质代谢的靶点。B2亚家族在调节感觉、内分泌和胃肠道系统中起关键作用。

C类GPCR 是谷氨酸受体，独特之处在于其大的ECDs、保守的捕蝇器（VFTs）、配体结合位点上的富含半胱氨酸结构域（CRDs）和受体激活的组成二聚体随着mGluRs（代谢性谷氨酸受体）在临床转化中起主导作用。C类GPCR的生理功能与癌症、偏头痛、精神分裂症和运动障碍有关。

F类GPCR 包括10个卷曲受体（FZDs）和1个平滑受体（SMO），其独特之处在于保守的CRD区域和参与Hedgehog和Wnt信号通路。F类GPCR主要与癌症、纤维化和胚胎发育有关。目前的药物发现仅集中在SMO上，FZDs的治疗潜力有待探索。

T类GPCR ，如调节人类味觉感知的味觉2受体（TAS2Rs），虽然显示出与A类GPCR的结构相似性，但它们序列同源性较低（<20%），所以被定义为T类。

GPCR突变对人类疾病的影响及治疗意义

除了参与许多生理过程外，GPCR的突变还可能与多种人类疾病有关。迄今为止，GPCR基因的2350多个突变已被确定为人类60多种遗传性单基因疾病的主要原因。其中错义突变占比最大（>60%），小插入/缺失占第二（>15%）。

图3. GPCR功能障碍引起的疾病及突变对GPCR功能障碍的影响 ^[1]

GPCR突变的影响可分为功能获得（gain-of-function，GoF）和功能丧失（loss-of-function，LoF），分别对应生理功能亢进和功能减退。与野生型（WT）GPCR激活相比，突变激活和灭活的常见药理学机制有三个方面：

• 突变改变受体内的微开关级联，诱导活性/非活性构象，改变GPCR的组成活性，影响下游效应物的募集；

• 突变直接或间接影响受体表达，增加或减少受体在细胞内的转运、降解和再循环；

• 一些突变会影响配体的效力、特异性，通过改变构象、重新分配下游偶联或改变受体二聚化来发挥调节功能。

由GPCR突变引起的基因组改变是各种单基因疾病的主要驱动因素，例如SMO受体错义突变导致基底细胞癌、MC4R错义和无义突变导致肥胖、FSHR错义突变诱导卵巢过度刺激综合征。不过大多数突变是高度保守的，因此可以有效地预测GPCR突变与人类疾病的病理相关性。

GPCR病理学的治疗方法主要包括对症治疗和病因治疗。由于许多GPCR功能障碍最终导致具有终末器官抵抗的内分泌疾病或癌症，因此可以考虑使用激素或化疗药物来减少病理表型。更先进的治疗意义是针对病因治疗，GPCR中的错义突变可误导蛋白质折叠和翻译后修饰，从而导致转运改变，所以可以用分子伴侣来治疗。对于由无义突变或移码突变导致的受体截断，RNA干扰、基因替换和CRISPR/Cas9基因组编辑可以保证受体完整性。此外，设计肽或小分子调节剂也是恢复受体药理学的最直接手段。

总结

以上内容也给药物化学家几点在研发药物方面的启发：

1）正构小分子调节剂仍然是GPCR的主流治疗药物，需要合理设计具有高亲和力、疗效和选择性的正构配体；

2）发现合适的变构口袋，并进一步进行变构药物设计。为此作者总结了“类变构”规则：分子量≤600；2≤可旋转键数≤6；环数≤5个；最大环体系中的环数=1或2，3≤SlogP≤7；

3）在掌握GPCR-配体复杂结构信息的基础上，考虑对配体的动力学和动力学特性进行修饰；

4）对于正构和变构调节剂，实现偏倚信号转导对于任何GPCR靶标都具有科学和临床意义；

5）正构位点和变构位点通过蛋白质内的相互信号扰动进行耦合，所以双位配体通过连接子连接正构和变构配体的药效团，可能有助于更深入地研究GPCR内的偶联。

目前正处于对GPCR的正构和变构调制进行深入研究的阶段。尽管我们对药物-靶点相互作用、小分子调节剂机制的理解越来越清晰，但仍需要进一步研究。未来，针对GPCR的更具有效性、选择性和安全性的小分子疗法应该是该领域的研究重点。

专家点评

鸿运华宁创始人、董事长、首席执行官

景书谦博士

景书谦， 美国加州大学生物学博士，国家杰出青年基金获得者，曾任军事医学科学院教授、北京师范大学资深外籍教授、博士生导师。30余年的生物制药行业经历，曾先后在美国Salk研究所、BMS、安进公司工作，其中包括15余年的美国安进公司新药研究和开发经验；曾主持或参与8项国家级课题，申报50余项发明专利，公开发表5篇Cell、2篇Neuron、1篇EMBO等40余篇学术论文。

医药魔方Pro：GPCR是当前最重要的药物研发靶点之一，全球近40%上市药物皆针对GPCR开发。您认为GPCR药物开发过程中有哪些难点？

景书谦博士： GPCR是药物研发领域至关重要的一个蛋白家族，该家族里有超过1000个以7次跨膜区为特征的成员。目前FDA批准的药物中，GPCR药物占比约34%。GPCR的生理功能包括感知、内分泌、神经传递等。靶向GPCR可以影响这些生理功能，从而治疗、治愈与这些生理功能密切相关的各类疾病。

GPCR药物主要分为小分子和大分子，其中 小分子GPCR药物筛选和开发的主要难点 包括但不局限于以下几点：

1）药物选择性问题，很多GPCR小分子药物会因对靶标或靶标亚型的特异性不足而脱靶，并进一步引发各种毒副作用；

2）尽管蛋白结构生物学的技术水平在过去十年有巨大飞跃，但得到GPCR和小分子聚体的三维结构仍是高门槛、高成本的工作，这无疑会对依赖GPCR结构研究成果来指导小分子结构调整的优化工作造成障碍；

3）小分子药物还要面对其在体内代谢过程对肝肾造成毒性的挑战。

大分子GPCR药物的开发难点 主要包括：

1）GPCR是天然低表达、难表达的蛋白家族，而且都是含有7次跨膜区的高疏水性蛋白，表达十分不易，这导致抗体药物筛选时需要的高纯度的、用于免疫的可溶性GPCR蛋白也很难得到；

2）GPCR是膜蛋白，可作为抗体药物靶点的部分只能是其胞外区和跨膜区的胞外部分，基本都是立体结构的Epitope，比如A类GPCR就只有非常小的胞外区可以使用，这使得筛选到优秀的候选抗体成为一个极小概率事件，特别是还要同时考虑药物的靶点亚型选择性和种属交叉性等问题；

3）GPCR家族存在信号杂交（promiscuity）和交互性（cross-talk）的特征，这也给抗体筛选带来了困难，主要在两个维度上体现：①GPCR受体之间的交互和联系使得实验人员在开发过程中必须要建立一个全面、可靠的药物活性和结合力验证体系去评估筛选到的、针对某一靶点的抗体，以保证抗体的活性和选择性平衡，这是一个十分耗费人力、物力的过程，也未必一定能够成功；②GPCR受体下游信号路线的多样性，如GPCR下游由G蛋白和arrestin分别介导的信号通路，其发挥的作用未必都是药物所需要的功能，如何做到区分这两者来得到高活性、低副作用的药物，也为开发者提出了不小的要求；

但我们也应看到，这两个维度也为抗体类药物建立优势提供了机会。比如在第一个维度，当GPCR受体之间的交互和联系都有利于治疗疾病时，抗体类药物就有能力增强甚至创造出这种联系。比如鸿运华宁的GMA106，一款能够同时全效地作用于GLP-1R和GIPR两个独立GPCR的双功能分子，其减重疗效全面超越了GLP-1R单靶点药物，这是小分子药物很难做到的。

4）抗体药物的高特异性同时也是一把双刃剑，在我们以往的筛选中，经常会得到种属间交叉很差或者不交叉的候选分子，这也会对后续的开发造成一些困扰。

医药魔方Pro：目前靶向GPCR的新药中 ，小分子远远多于大分子，您认为这种现象背后的原因是什么？小分子、大分子各有怎样的优势？

景书谦博士： 小分子远远多于大分子，这并不奇怪。从历史经纬上看，小分子药物在19世纪初就已经出现了，有更长时间的技术和知识积累。而相对来说大分子药物是一个新事物，发展历史只有30年时间。

尽管过去的30年中，大分子药物尤其是抗体药物的发展势头很猛，但这段时间里，大家更多的还是先盯着那些成药性好且易于开发的靶点（如EGFR、VGFR等），也就是我们常说的低垂的、易于采摘的果子。而针对GPCR的抗体新药的研发，也不过区区十几年的历史。

对比两类药物， 小分子主要具备下列优势 ：

1）小分子因其结构较小，可以对GPCR的多个不同部位发挥作用，包括胞外区、跨膜区内、跨膜区外和胞内区，这样的自由度是大分子难以企及的；