【First-in-class药设系列】GPCR偏置信号变构调节剂的发展

GPCR（Gprotein-coupled receptors）是目前最成功的FDA批准的药物靶标家族，但经典的GPCR激动剂和拮抗剂配体却不能解决选择性等关键问题。而近年来偏置信号变构配体（Biased allosteric modulators, BAM）的出现为GPCR药物发现带来了新的突破。相比于正构配体（Orthosteric ligand），BAM通过靶向受体正构口袋之外的变构位点（Allosteric site）对受体信号传导发挥通路特异性调节作用的信号，进而为实现生理活动的精细调节和开发更具安全、选择性的治疗方法提供了巨大帮助。

表一、已被证明发挥作用的BAM汇总

Receptor	Receptor  class	Biasing  modulator class	Biasing  modulator	Agonist	Reported  bias	Potential  therapeutic utility
Bias toward G  protein coupling or G protein subtype preference
C-X-C Chemokine receptor type  4 (CXCR4)	Class  A	Pepducin	ATI  2341	SDF-1	Gi  > β-arrestin, GRK2,	HIV,  leukemias
GRK3  >> G13
Prostaglandin  F2α (PGF2α) receptor	Class  A	Small  molecule	PDC113.824	PGF2α	Gq  > G12	Preterm  labor
Melanocortin  receptors 3, 4, and 5 (MC3-5R)	Class  A	Small  molecule	Fenoprofen	αMSH	ERK1/2  > cAMP	Inflammatory arthritis,  obesity
Free  fatty acid receptor 2 (FFAR2)	Class  A	Small  molecule	AZ  1729	C3	Gi  > Gq/11	Metabolic  disorders
Follicle stimulating hormone  receptor (FSHR)	Class  A	Small  molecule	Thiazolidinone  analogs	FSH	Gi  > Gs	Infertility
δ-opioid  receptor	Class  A	Small  molecule	BMS  986187	Leu-enkephalin,  SNC80, and TAN67	G  protein (general, GTPγS) >	Chronic  pain, depression
β-arrestin2
Calcium  sensing receptor	Class  C	Small  molecule	AC  265347	Ca2+o	IP1,  ERK1/2 > Ca2+	Hyper-parathyroidism
R,R-calcimimetic  B	Ca2+o	IP1,  ERK1/2 > Ca2+
Bias toward  β-arrestin coupling
Neurotensin  receptor 1 (NTSR1)	Class  A	Small  molecule	ML314	NTS,  NTS8–13	β-Arrestin2  > Gq/Ca2+	Addiction,  psychiatric disorders
SBI-553	NTS,  NTS8–13	β-Arrestin2  > Gq/Ca2+
β2-Adrenergic  receptor (β2AR)	Class  A	Pepducin	ICL1–9	ICYP	β-Arrestin  > Gs	Myocardial  infarction, heart failure
Cannabinoid  receptor type 1 (CB1R)	Class  A	Small  molecule	ORG27569	CP55940	β-Arrestin1  > G protein (general, GTPγS)	Obesity,  pain, neurodegenerative disorders
Pyrimidinyl  biphenylureas	CP55940	β-Arrestin1/2  > G protein
C-X3-C chemokine receptor 1 (CX3CR1)	Class  A	Small  molecule	AZD8797	Fractalkine	β-Arrestin  > G protein (general, GTPγS)	Atherosclerosis,  metabolic disorders

目前研究表明，GPCR受体在结合偏置配体活化后，其构象变化可偶联不同的效应蛋白并参与相关信号通路。GPCR偶联的效应蛋白分两类：G protein（Gs, Gi/o, Gq, G12等）和Arrestin（β-arrestin1，β-arrestin2）。偏置配体实际上相对增强了受体对下游某个特定效应蛋白的偶联能力来发挥对偏置信号的调节作用。基于受体下游偶联的效应蛋白，目前已发现的偏置配体可分为G protein偏置配体（G proteins 相对于Arrestin），Arrestin偏置配体 （Arrestin相对于G proteins）和特定G protein亚型偏置体（如Gi相对于 Gs)。从动力学的角度来看，一个受体实际存在多个活性构象，BAM则稳定了其中一种特定的活性构象。

从热力学角度看（如上图），GPCR可被划分为两类，一类是two-state system受体（m =2，如cannabinoid等）。这类受体对应的两种状态可能是full-on或full-off，因此利用正构位点实现偏置信号的调控十分困难；另外一类是具有多个受体状态的受体（m=４等，如Cytokine等），通过正构位点实现偏置信号的机率更低。这一分析表明对于许多GPCRs来说，基于正构位点实现偏置信号调控的限制很大，设计靶向变构位点的BAM可能更有效。

    从变构的角度看，GPCR具有很多内源调节因子（如G　proteins, β-arrestins, ions等），因此一个受体可能具有多个变构位点，偏置信号也可以被这些内源性分子变构调节（如：GPCR附属蛋白MRAP2调节胃饥饿素受体GHSR1a的偏置信号）。除了内源性调节剂外，也发现多种外源性调节剂（包括小分子、肽和多肽等）。理论上，变构调节剂缺乏内在活性，在没有激动剂的情况下没有激活受体的能力，但也有例外，如个别BAM可单独作为偏置变构激动剂(ago-BAMs)，也可作为偏置调节剂对信号通路发挥特异性作用（表一）。

    BAM同时具有变构和偏置配体的良好特征，因此在治疗上具有很多优势：

１. 增加受体亚型选择性和通路特异性：BAM靶向低保守性的变构位点，可以实现针对同一家族亚型的特定受体的靶向调节；另外偏置配体还可以选择性地参与治疗相关的信号通路；

２. 对“难以靶向“的GPCR进行靶向调节：很多GPCR由于其正构位点几何形态独特和内源性配体占据率异常高等原因限制了相关调节剂的开发，BAM的出现为这类GPCR活性的调节带来了希望；

３. 保留本体的生理学活性：缺乏内在活性的BAM可以保留内源性配体对受体的本体激活，减少由于完全封锁信号通路带来的副作用；

４. 作用效果饱和联合治疗：理论上的变构调节剂对内源性配体的依赖导致了变构配体的“天花板效应”，可以保证剂量过度时的靶标安全性；另外，还可以实现BAM和正构药物的联合治疗，利用BAM增加正构药物的作用效果；

    虽然，BAM对GPCR靶向治疗带来了巨大潜力，但其也有一些缺点值得我们注意，如偏置激动剂以一种非自然的方式激活受体，可能产生意想不到的生物效应，不仅如此，有的变构调节剂靶向较低受体亲和力和水溶性的膜受体界面位点，会降低变构调节剂的效价和水溶性。总的来说，偏置变构调节剂是一类新兴的GPCR配体，其可以对受体信号通路施加通路特异性作用，进而改变GPCR的生理行为。BAMs增加了配体的受体亚型和通路选择性，提供了开发更安全、更有效的治疗方法和针对以前“难靶向GPCRs”的机会，为GPCR药物发现开创了新局面。

参考文献

1. Slosky LM, Caron MG, Barak LS. Biased Allosteric Modulators: New Frontiers in GPCR Drug Discovery. Trends Pharmacol Sci. 2021, 42(4), 283-299. 

2. Lu, S. et al. Allosteric modulator discovery: from serendipity to structure-based design. J. Med. Chem. 2019, 62, 6405–6421.

3. Ni, D. et al. Combining allosteric and orthosteric drugs to overcome drug resistance. Trends Pharmacol. Sci. 2020, 41, 336–348.

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