GPCR研究论文-7月精选

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    Conserved class B GPCR activation by a biased intracellular agonist

关键词：GPCR Class B 偏向性激动剂

内容速递：

甲状旁腺激素1型受体1 (PTH1R) 属于 Class B G蛋白偶联受体家族成员，该受体可被两种不同的内源性多肽激动剂激活，即甲状旁腺激素（PTH）和甲状旁腺激素相关蛋白（PTHrP)，并激活 Gs、Gq 和 β-arrestin，从而调节多种信号通路并发挥不同的生物效应。

B 类 GPCR 天然配体是肽类激素，肽类激素一方面通过与受体跨膜结构域内的一个较大的开放口袋结合来激活受体，另一方面，也需要细胞外结构域的参与高亲和力的配体-受体相互作用。因此，针对 B 类 GPCR 药物开发主要以生物类似药或重组多肽为主，这与目前市场上靶向 Class A 家族 GPCR 成员主要为小分子化药的趋势有较大差别。

来自中国科学院上海药物所的 H. Eric Xu 教授实验室在《自然》杂志撰文，报道了靶向 PTH1R 的临床候选药物小分子激动剂 PCO371 与 PTH1R-Gs 复合物的高分辨率冷冻电镜结构。该结构揭示了 PCO371 的一种意想不到的结合模式，即结合在 Gs 与PTH1R 的细胞质互作界面上。这与之前报道的小分子或肽配体在 GPCR 中的所有结合位点完全不同。构成 PCO371 结合口袋的残基在 B 类 GPCR 中是保守的，PTH2R 的一个残基突变和 GLP-1R 的两个残基突变可使这些受体对 PCO371 的激活做出反应。功能测定显示，PCO371 是一种偏向 G 蛋白的激动剂，在促进 PTH1R 介导的 arrestin 信号转导方面存在缺陷。这些结果为设计 PTH1R 和 B 类 GPCR 其他可能成员的小分子激动剂揭示了一个独特的结合位点，并定义了一种只对 G 蛋白激活而不对 arrestin 信号转导具有特异性的受体构象。

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https://www.nature.com/articles/s41586-023-06467-w

    GPCRome-wide analysis of G-protein-coupling diversity using a computational biology approach

关键词：GPCR 信号选择性

内容速递：

GPCR 激活后通过与一个或多个异三聚体 G 蛋白偶联，将细胞外的物理化学刺激传递到细胞内的信号通路，包括 Gs、Gi/o、Gq/11 和 G12/13 亚型4。GPCR 的下游活性受 β-arrestin 控制，后者可使 GPCR 活性脱敏，并通过 ERK5 等提供额外的信号调节层。配体结合后，受体构象发生变化，从而导致细胞内 G 蛋白的识别和激活。人体不同的 GPCR 都显示出独特的 G 蛋白偶联偏好，从高选择性到杂乱无章，从而协调特定的细胞反应。信号转导失常与许多病理状态有关，包括癌症。从机理上理解信号转导过程，并将其与疾病状态相关的多模态数据结合起来，可以为靶向治疗和个性化治疗方案提供基础。

来自意大利的 Francesco Raimondi 课题组和日本的 Asuka Inoue 课题组联合在《自然-通讯》杂志撰文，报道了对实验和预测的三维 GPCR-G 蛋白复合物的 G 蛋白互作结构决定因素进行了计算分析。界面接触分析再现了与 G 蛋白偶联特异性相关的结构标志，包括 TM5、TM6 和 ICL。作者利用界面接触作为指纹，以无监督的方式对 Gs 与 Gi 复合物进行聚类，表明界面残基有助于选择性偶联。通过在具有广泛 G 蛋白识别特异性的 CCKAR 受体上实验证实，这些特异性决定位置的一些突变会使偶联选择性出现偏差。有趣的是，Gs-GPCR 复合物具有更多保守的界面，而 Gi/o 蛋白则采用了更多可供选择的对接方式，这一点可通过代表性三维复合物的结构比对进行评估。结合能计算表明，复合物的独特结构特性与 Gs 复合物比 Gi/o 复合物更高的稳定性有关。对实验性二元复合物的 AlphaFold2 预测证实了其中几个结构特征，并使我们能够扩大对 G12/13 等特征不明显复合物的结构覆盖范围。

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https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(23)00543-3

    Computational Design of Potent and Selective d-Peptide Agonists of the Glucagon-like Peptide-2 Receptor

关键词：GPCR D型多肽设计

内容速递：

由 D-氨基酸制成的肽具有很强的抗蛋白酶降解能力，因为原生蛋白酶扫描只能识别和裂解由 L-氨基酸组成的蛋白质。逆反类似物的肽序列方向与天然肽相反，氨基酸的手性也从 L 倒置为 D。与母肽相比，这些肽的免疫原性要低得多，因为它们对蛋白酶具有抗性，阻碍了肽酶的加工，从而使它们以正确的长度呈现在 MHC 复合物中。

来自加拿大多伦多大学的 Philip M. Kim 课题组在《药物化学》杂志撰文，报道了三种 d-GLP-2 激动剂，它们能激活胰高血糖素样肽-2 受体（GLP-2R）的环磷酸腺苷（cAMP）增加，而不刺激胰高血糖素样肽-1 受体（GLP-1R）。所有 d-GLP-2 激动剂都能在体外以时间和浓度依赖的方式增加蛋白激酶 B 磷酸化（p-AKT）的表达水平。与原生的l-GLP-2相比，最有效的d-GLP-2类似物促进AKT磷酸化的效果是原生的l-GLP-2的2.28倍。d-GLP-2类似物诱导的p-AKT水平的提高可能是由于GLP-2R的激活时间更长，因为d-GLP-2类似物诱导的 β-arrestin 募集较低。该研究中 d-GLP-2 激动剂对蛋白酶降解具有更高的稳定性，这有助于设想它们在促进肠道吸收和治疗炎症性肠病方面的潜在应用，同时降低目前治疗所需的高剂量。

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https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(23)00543-3

    Pharmacological and Physicochemical Properties Optimization for Dual-Target Dopamine D3 (D3R) and μ-Opioid (MOR) Receptor Ligands as Potentially Safer Analgesics

关键词：GPCR 双重激动剂

内容速递：

持续流行的阿片类药物仍然是影响全球社会和经济福利的严重公共卫生危机。尽管有治疗阿片类药物使用障碍（OUD）（如丁丙诺啡和美沙酮）和用药过量（如纳洛酮）的药物，但事实证明这些药物不足以扭转过去十年中阿片类药物相关死亡人数激增的趋势。此外，预防对用于疼痛治疗的阿片类药物（如羟考酮）产生依赖性的问题尚未从药物学角度得到解决。事实上，对处方阿片类药物的依赖仍然是美国当前阿片类药物危机的主要原因。

2019 年，美国国家药物滥用研究所针对预防和治疗 阿片类药物使用障碍和阿片类药物过量的药理机制，公布了 10 个最需要的药物开发和治疗优先事项清单。其中一个主要优先事项是开发多巴胺 D3 受体（D3R）拮抗剂和部分激动剂。 D3R 由内源性神经递质多巴胺（DA）激活。这种 DA 受体亚型主要表达于大脑中叶 DA 区域，该区域控制着与毒品相关的线索、强化、动机和奖励相关的行为。许多实验室率先设计和临床前开发了高选择性 D3R 部分激动剂和拮抗剂，作为治疗精神刺激剂使用障碍和阿片类药物使用障碍的药物疗法。

来自美国 NIH 的 Amy Hauck Newman 教授在《药物化学》杂志撰文，设计并合成了具有优化理化性质的新一代双靶点μ阿片受体（MOR）激动剂/多巴胺D3受体（D3R）拮抗剂/部分激动剂。结合基于体外细胞水平的亲和力筛选、计算机辅助药物设计和 BRET 功能测试等，研究人员确定了新的结构支架，它们分别对 MOR 和 D3R 具有高亲和力和激动/拮抗效力，提高了多巴胺受体亚型的选择性（例如 D3R 优于 D2R），并显著提高了预测血脑屏障通透性的中枢神经系统多参数优化分数。研究人员确定trans-(2S,4R)-pyrrolidine 和 trans-phenylcyclopropyl amine 作为关键的多巴胺能分子，并将其与不同的阿片类药物支架相连，这些支架来自于 MOR 激动剂 TRV130 或 loperamide。先导化合物 46、84、114 和 121 有可能通过 MOR 部分激动作用产生镇痛效果，同时通过 D3R 拮抗作用减少阿片滥用责任。此外，这些外周限制性衍生物还可用于治疗炎症和神经性疼痛。

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https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(23)00543-3

    Dual Piperidine-Based Histamine H3 and Sigma-1 Receptor Ligands in the Treatment of Nociceptive and Neuropathic Pain

关键词：GPCR 双重激动剂

内容速递：

用单一靶点疗法治疗复杂的多因素疾病很少能取得良好疗效。因此，同时调节多个靶点活性的方法引起了制药业和学术界的兴趣。越来越多的证据表明，与单靶点药物相比，多靶点配体（MTDLs）的治疗安全性和疗效都有所提高。组胺 H3 受体（H3R）是一种在中枢神经系统中高度表达的 G 蛋白偶联受体（GPCR），在中枢神经系统中作为自身受体和异受体调节神经传递。因此，它被认为是治疗阿尔茨海默病、精神分裂症和注意缺陷多动障碍等各种疾病的相关靶点。此外，H3R 定位于中枢神经系统中负责痛觉感受的多个区域，通过参与疼痛的中枢敏化作用，H3R 还与疼痛有关。目前已经发现了一系列竞争性拮抗剂/反向激动剂，并已进入临床试验阶段，其中 H3R 拮抗剂替洛利生 (pitolisant) 已于 2016 年获批用于治疗嗜睡症。因此，人们对新型 H3R 拮抗剂，尤其是具有多功能特征的拮抗剂的临床应用兴趣明显增加。

来自波兰的 Katarzyna Kieć-Kononowicz 课题组和 意大利的 Emanuele Amata 联合在《药物化学》杂志撰文，介绍了他们为了寻找新的组胺 H3/σ-1受体双重配体，设计了一系列化合物。基于对历史研究数据的背景调研，研究人员调查了之前报道的 20 种 H3R 配体对 σR 的亲和力，以检验它们在临床前的体内高疗效是否与 H3R 和 σ1R 双重调节的协同效应有关。根据所得结果，化合物 E377 和 KSK68被证明是高亲和力组胺 H3 和 σ1 受体拮抗剂，对其他组胺受体亚型的亲和力可忽略不计，具有良好的体内抗痛觉活性。通过比较 KSK67 和 KSK68 化合物的数据可以看出，这些化合物基本部分的哌啶分子已被确定为具有 H3/σ1 受体双重活性的关键结构特征。质子化形式的哌啶衍生物参与了与σ1R结合口袋中的Glu172的重要盐桥相互作用，是所研究配体具有高生物活性的原因。在设计下一系列配体的最初步骤中，研究人员重点利用晶体学、电位滴定法和核磁共振波谱测量法，在 pH 值可控的环境中深入分析了哌嗪与哌啶衍生物的质子态。随后，设计了一系列 16 个新化合物，主要以哌啶为核心，并采用体外方法对其进行了药理表征。最后，我们在痛觉和神经病理性疼痛动物模型中对先导化合物进行了测试。 基于新的分子机制，化合物 12 在痛觉和神经病理性疼痛模型中都显示出了广谱的镇痛活性。

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https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(23)00543-3

    Structure-Activity Relationship Study of the High-Affinity Neuropeptide Y4 Receptor Positive Allosteric Modulator VU0506013

关键词：GPCR 正向别构调控剂

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胰腺多肽（PP）、YY 肽（PYY）和神经肽 Y（NPY）是结构相关的 36 个氨基酸肽，具有酰胺化的 C 端。这些肽属于 NPY 激素家族，可激活 NPY 受体。NPY 受体属于视黄醛样 G 蛋白偶联受体（GPCR）超家族，在人类中包括 Y1R、Y2R、Y4R 和 Y5R 四种亚型。它们在中枢神经系统和外周广泛表达，参与调节不同的生理功能，如食欲控制和能量平衡。Y4R 对多肽配体 PP 具有独特的偏好，而其他 NPY 受体主要由 NPY 和 PYY 激活。研究突出表明，PP 主要通过 Y4R 作用于人和小鼠，在降低食欲和减轻体重方面起着重要作用。因此，Y4R 及其配体 PP 是一个具有临床意义的潜在抗肥胖靶点。

来自德国莱比锡大学的 Annette G. Beck-Sickinger 课题组在《药物化学》杂志撰文，介绍了利用定量结构-活性关系（QSAR）模型筛选出了603 种化合物，并对它们进行了高通量筛选（HTS）测试。研究人员发现了新型正向别构调节剂VU0506013，它在工程细胞系和原生表达 Y4R 的小鼠肠粘膜中对 Y4R 具有纳摩尔级的亲和力和明显的选择性。基于这一先导结构，对支架的两个区域进行了系统的 SAR 研究，并提出了一系列 27 种对分子 N 端和 C 端杂环进行修饰的类似物，以深入了解功能相关位置。通过诱变和计算对接，提出了 VU0506013 在 Y4R 跨膜核心的潜在结合模式。VU0506013 为开发体内工具提供了一个前景广阔的支架，有助于开展以 Y4R 为重点的抗肥胖药物研究。

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https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(23)00543-3

    Allosteric modulator potentiates β2AR agonist-promoted bronchoprotection in asthma models

关键词：GPCR 正向别构调控剂

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哮喘是一种与发作性气道狭窄有关的慢性炎症性疾病。吸入β2-肾上腺素能受体（β2AR）激动剂（β2-受体激动剂）可促进哮喘患者的支气管扩张，但疗效有限。所有 β2 激动剂都是典型的正构配体，与内源性肾上腺素结合的位点相同。

来自杜克大学的诺奖得主 Robert J Lefkowitz 教授实验室在《临床研究杂志》撰文，研究了实验室发现的一款 β2AR 选择性正向别构调节剂 Cmpd-6 对 β2AR 介导的支气管保护作用的影响。研究表明，Cmpd-6 它能在正位配体位点外结合并调节正位配体的功能，Cmpd-6 增强了 β2-激动剂与豚鼠 β2AR 的结合以及其下游信号传导。相比之下，Cmpd-6 对小鼠 β2ARs 没有这种影响，因为小鼠 β2ARs 的 Cmpd-6 别构结合位点缺少一个关键氨基酸。重要的是，Cmpd-6 在豚鼠肺切片中增强了β2-激动剂介导的支气管保护作用，防止甲氧胆碱引起的支气管收缩，但在小鼠中却没有这种作用，这与结合研究结果一致。此外，在过敏性哮喘模型豚鼠肺切片中，Cmpd-6 还能强效增强 β2-受体激动剂介导的支气管保护作用，防止过敏原引起的气道收缩。Cmpd-6同样增强了β2-受体激动剂介导的支气管保护作用，以对抗甲氧胆碱诱导的人肺切片支气管收缩。该研究结果凸显了 β2AR 选择性正向别构调节剂在治疗哮喘和其他呼吸道阻塞性疾病的气道狭窄方面的潜力。 

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https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(23)00543-3

    Ovarian cancer G protein-coupled receptor 1 deficiency exacerbates crystal deposition and kidney injury in oxalate nephropathy in female mice

关键词：GPCR 疾病模型

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卵巢癌 G 蛋白偶联受体 1 (OGR1，Gpr68) 和 G 蛋白偶联受体 4（GPR4）（Gpr4）是质子激活的 G 蛋白偶联受体，在细胞外酸度增加时受到刺激。这些受体在肾脏酸碱生理、组织炎症和纤维化等方面具有各种生理和病理生理作用。然而，它们在受损肾组织中的功能大多仍不清楚。

来自瑞士苏黎世大学的 Pedro Henrique Imenez Silva 教授实验室在《临床科学》撰文，报道了通过增加 GPR4 KO 和 OGR1 KO 小鼠的草酸盐摄入量来研究它们在结晶性肾病中的作用。经过 10 天的高草酸盐摄入和 4 天的恢复后，对肾晶体含量、组织病理学、滤过功能和炎症进行了评估。虽然 GPR4 缺乏不会对疾病进展造成重大改变，但 OGR1 KO 小鼠的尿钙水平较高，晶体积累加剧，同时肌酐清除率和尿素排泄量降低，肾组织中调节性 T（Treg）细胞减少。当降低肾损伤的严重程度时，OGR1 KO 小鼠更容易发生结晶性肾病。在这种情况下，OGR1 KO 小鼠的免疫系统活化程度增加，T 细胞和巨噬细胞产生的促炎细胞因子增多。综上所述，在草酸盐诱发肾病的急性期，缺乏 OGR1 会增加晶体沉积，导致肾功能受损。因此，OGR1 对限制肾脏晶体沉积可能很重要，这可能与草酸盐肾结石或其他晶体病的病理生理学有关。 

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https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(23)00543-3

    The G protein-coupled receptor GPRC5C is a saccharide sensor with a novel 'off' response

关键词：GPCR Class C 孤儿受体

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GPRC5（G蛋白偶联受体C类5组）是C类代谢型GPCR大家族的成员，该家族包括代谢型谷氨酸受体、GABAB（γ-氨基丁酸B）受体、Ca2+感应受体、甜味和氨基酸味受体、信息素受体和鱼腥味受体。一般来说，GPCR C 类受体有一个结合配体的长 N 端结构域和七个跨膜结构域；但 GPRC5 受体的 N 端结构域要短得多。在哺乳动物中，已经发现了四种不同的 GPRC5 亚型（GPRC5A、GPRC5B、GPRC5C 和 GPRC5D）。其中，GPRC5C 在肝、肾、胰腺和大脑中均有表达。多项研究表明，GPRC5C 参与了肾脏的全身 pH 值调节、胰岛细胞的细胞活力和葡萄糖诱导的胰岛素分泌以及骨髓造血干细胞休眠状态的控制等。相反，经遗传操作的 GPRC5C 缺失小鼠没有表现出明显的组织异常或行为障碍。这些数据表明 GPRC5C 可能具有多种生理作用，但它仍然是一个孤儿受体，没有明确的配体。 

来自日本九州大学的 Noriatsu Shigemura 教授实验室在《FEBS Lett.》撰文，报道了异源表达 GPRC5C 和嵌合 G 蛋白 α 亚基 Gα16-gust44 的 HEK293 细胞对单糖、双糖和糖醇（但不包括人工甜味剂或甜味氨基酸）的反应显示出强烈的细胞内 Ca2+ 升高。该研究结果表明，GPRC5C 具有受体特性，可对糖分离产生新的 "关闭 "反应，并可作为专门针对天然糖的内部或外部化学传感器发挥作用。

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https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(23)00543-3

    Profiling of basal and ligand-dependent GPCR activities by means of a polyvalent cell-based high-throughput platform

关键词：GPCR 高通量筛选

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GPCR 是蛋白质组中最具吸引力和最成功的可药用受体，调节着无数生理和病理生理学功能。虽然目前有一半以上的药物以 GPCR 为靶点，但由于缺乏足够的筛选工具，药物发现的进展受到了阻碍，其中大多数仅限于探测激动剂诱导的 G 蛋白和 β-arrestin介导的事件，以此作为受体活化的衡量标准。

来自加拿大的渥太华大学的 Patrick M Giguère 课题组在《自然-通讯》撰文，报道了实验室开发了 Tango-Trio 方法，这是一种用于细胞水平活性分析的综合高通量平台，由积聚诱导表达的转导因子组成，能够并行剖析基础和激动剂依赖性 GPCR 活性。研究人员捕捉到了 GPCR 的功能多样性，报告了整个 GPCR 群的β-arrestin-1/2 偶联、选择性和受体内化特征。此外，还构建了约 200 种受体（包括 50 多种孤儿受体）的 cumate 诱导基础激活曲线。Tango-Trio 的稳健性非常适合 GPCRs 的功能表征和筛选，尤其适合并行检测，是药理学工具箱的宝贵补充。

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https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(23)00543-3

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