综述｜靶向GPCR的药物发现

2024-03-14

细胞疗法孤儿药

SLAS Discovery2023年4月本综述将重点介绍现代GPCR药物发现过程中的关键方面，包括从靶点验证到临床应用的整个过程，为这一充满活力的领域的未来前景进行总结性思考。「联系助理：砌小智可以获得原文PDF文件」G蛋白偶联受体（GPCR）是细胞表面最大、最通用的受体家族之一，拥有广泛的配体和功能，是药物发现中最成功的靶点之一。据统计，约34%的已上市药物是与GPCR功能相关的。但仍有约140个GPCR的天然配体和功能有待发现，这些被称为孤儿GPCRs。大多数GPCR药物是小分子（约92%），人类GPCR分为六个主要家族，其中视紫红质（A类）家族是研究最多的，约占94%的GPCR药物。GPCR药物中拮抗剂与激动剂，分别占53%和42%。然而，越来越多的研究致力于改进GPCR选择性，包括正向和反向变构调节剂（NAM和PAMs）以及偏向性配体。药物发现1. 【靶点-临床】图1 GPCR药物发现 - 从靶点到临床的过程在发现阶段的初期，对候选GPCR药物靶点进行严格的评估至关重要，其中包括药物靶点可取性、项目可行性和投资评估。这个过程涉靶点验证、与疾病的关联、靶点成药性、检测可行性、多靶点选择性和发现靶点策略。2.【药物筛选】图2 通用的药物靶点发现流程对于GPCR来说，主要的方法是基于药理学知识设计和高通量筛选。本综述将深入探讨高通量筛选、定义药物功能的检测方法、GPCR蛋白表达、生物物理学以及对GPCR结构信息的理解。最后，我们将讨论新兴的GPCR药物在后期转化生物标志物和临床方面的应用，例如治疗抑郁症的迷幻药和偏向性激动剂。1. 药物筛选1. 【HTS】高通量筛选HTS是一种用于快速识别药物发现活动的方法，通过对数十万种化合物进行靶标筛选。GPCR是最受欢迎的HTS目标之一，常用方法包括测量受体激活后细胞内事件的变化，如Ca2+、cAMP、pERK和IP1等第二信使，以及基因表达和β-arrestin的募集。常见的测量技术包括HTRF和AlphaScreen，以及GloSensor™ cAMP测定。还有用于测量细胞内钙变化的FLIPR系统和FDSS仪器，以及用于测量β-arrestin GPCR募集情况的"MeNArC"方法。此外，还有无细胞筛选方法和用于筛选GPCR生物制剂的SELEX技术。DEL已取代传统的HTS化合物库，允许并行筛选更多小分子。DEL包含数十亿个小分子，每个都与独特的DNA条形码连接。GPCR与DEL文库结合，通过亲和筛选识别结合的化合物，然后扩增和测序DNA标签。最初，DEL仅限于溶解性蛋白质靶标，但现已扩展至膜受体，例如2015年首次用于筛选NK3速激肽受体的拮抗剂。除了筛选GPCR的小分子调节剂外，HTS还可用于筛选GPCR生物制剂，如肽和寡核苷酸。核酸GPCR适配体可通过SELEX方法进行筛选。2021年，Takahash等人使用基于SELEX的方法发现了P2RY2 GPCR的正变构调节剂。2. 【筛选级联】图3 级联筛选综合药物筛选级联旨在实现总体项目目标（如发现口服GPCR拮抗剂 GPCR拮抗剂）和项目阶段目标（如HTS后的早期Hit验证或后期先导化合物优化）。主筛选阶段旨在快速测量化合物与所需机制（如激动剂或拮抗剂）结合GPCR的能力，并通常在HTS开始时进行。GPCR检测主要分为细胞内信号转导和受体结合检测两类。使用放射性配体、荧光偏振或GTPγS交换技术的GPCR结合测定是最简单、最快速的方法之一。这些方法提供有关药物-靶标相互作用的信息，但单独的结合测定无法提供关于信号通路或功能功效的信息。因此，组合受体结合和信号转导测定对于早期显示GPCR参与和功能至关重要。同时，进行反筛选以排除初级检测中的假阳性命中，例如泛分析干扰化合物（PAINs）。识别和排除PAINs具有挑战性，但这些化合物通常具有特殊的药理学特征。正交检测可确保活性不受特定检测技术的限制，并验证化合物是否与靶受体结合。在选择性测定中，评估与不良GPCR相关的化合物选择性至关重要。此外，使用人类等效的重组GPCR物种测定可以评估下游优化化合物的药代动力学和药效学特性。最后，研究不同GPCR检测方法，如生物物理学、生化结合检测、细胞内信号转导、表型和MOA研究，有助于更深入地了解药物发现筛选级联过程。2. 表达纯化针对GPCR的膜蛋白表达充满挑战，比如低表达水平和不稳定性。为了解决这些问题，可采用多种策略。选择表达系统时常用的包括大肠杆菌、无细胞和昆虫细胞系统，其中昆虫细胞系统因其能够进行复杂的翻译后修饰而备受青睐。在构建和纯化过程中，选择适当的纯化标签如8xHis标签，并引入稳定突变和融合伴侣以增强蛋白稳定性。提取嵌入在细胞膜中的GPCRs通常使用洗涤剂胶束，但存在脂质剥离的风险，因此建议采用稳定剂或新兴技术如SMA共聚物提取。根据下游检测需求，可使用不同的溶解剂或技术，如冷冻电镜。荧光尺寸排阻色谱（FSEC）可用于快速评估蛋白质质量和折叠状态。这些策略和技术的综合应用有助于有效克服膜蛋白表达和纯化过程中的挑战。3. 实验筛选1.【生物测定】生物物理测定是评估药物分子对GPCR等靶点作用的重要工具。过去的挑战包括膜蛋白的稳定性和活性问题，但随着技术进步和蛋白制备的改进，情况正在改善。SPR、NMR、LC-MS和ITC等技术对评估结合亲和力、动力学和结构特征都很有效。设计生物物理测定时，构建体的设计和制备也很关键，调整构建体的长度、突变和溶解条件可以解决许多问题，并确保目标在测定中的可处理性。受体结合测定自20世纪70年代以来一直被用于研究GPCR，已发展成包括基于过滤器的测定和基于邻近的格式（如闪烁接近珠和BRET系统），提高了通量并减少了手动处理。经过验证的结合测定可以确定标记示踪剂或竞争配体的亲和力、结合动力学和结合模式。选择适当的细胞系统对成功的筛选级联至关重要，精心选择测定方法可以增强Hit识别。GPCR细胞水平的筛选通常测量第二信使活性，如Ca2+释放、pERK、报告基因表达、1,4,5-肌醇磷酸（IP3）或IP1积累以及cAMP。其他方法包括检测β-阻滞蛋白对GPCR的招募或β-阻滞蛋白诱导的GPCR内化。Gq-偶联GPCR常用的第二信使测定包括IP1或Ca2+i瞬变。这些测定技术能够对不同G蛋白亚型的构象变化进行药理学评估。利用分裂报告标签进行GPCR参与的探索，可克服对可靠检测抗体的需求，并已用于HTS活动。逆转染到测定板或用于创建冻存细胞已实现了中通量筛选测定的进行。2.【表型筛选】药物疗效的测量方法取决于所需解决的问题。从简单的体外结合或信号测定到生理相关的体内疾病模型，选择的测定类型差异巨大。原代细胞和表型筛选可弥合这一差距，提供高通量的测定，同时保持疾病相关细胞系统中的内源性靶点表达。表型筛选测定衡量细胞对药物治疗的行为变化，如细胞运动、增殖、介质释放和分化。GPCR激动剂的功效与受体表达、储备和信号放大密切相关。在不同表达水平下，激动剂产生的响应也会不同。因此，选择与所研究疾病最相关的细胞系统，了解激动剂的药理学特性对于选择适当的测定和时间点进行特征化至关重要，以预测其在临床上的效果。3. 【细胞成像】药物发现中的细胞成像根据所需测量的细胞反应有多种方法。免疫荧光显微镜使我们能够监测细胞的物理特征变化，并通过成像指示化合物介导的细胞变化。传统显微镜手工操作、通量低、耗时长，不适合药物发现筛选。高内容筛选（HCI）结合了高功率显微镜与基于板的检测，允许我们进行自动化和定量的荧光显微镜。HCI旨在获取关于细胞、球体或器官样体中功能和形态变化的尽可能多的数据。它允许在高通量测定中进行单个或多个细胞成像，并且适合小型化和自动化。HCI通过多波长成像和自动化图像采集来最大程度地捕获数据，由于捕获的数据量巨大，它还利用自动化图像处理，其中多参数算法可以使用机器学习来识别一系列形态特征。自动化图像采集与分析的整合使得可以产生高度复杂的定量数据。许多HCI平台可用，例如Molecular Devices ImageXpress、Perkin Elmer Opera Pheonix、Yokogawa CV8000或ZEISS CellDiscoverer。每个系统都将提供不同的光源、放大倍数以及执行宽场或共聚焦成像的能力。图4 可用于HCI的多通道荧光探针4. 作用机制药物的作用机制（MOA）研究在药物发现中扮演着至关重要的角色。针对GPCR配体的研究可以将其分类为激动剂、中性拮抗剂、反向激动剂或变构调节剂。激动剂通过与受体结合并激活其产生生理反应，而拮抗剂则通过阻断受体与激动剂的结合来抑制这些反应。而反向激动剂在具有组成型活性的系统中产生反向效应。变构调节剂则通过影响受体的构象来调节其活性。激动剂的研究涉及了对其在不同细胞系统中的浓度-反应曲线进行参数化。完全激动剂可产生最大反应，而部分激动剂仅产生次最大反应。超激动剂则表现出比内源性配体更高的最大反应。通过计算等效效力比或浓度-反应曲线的EC50值，可以对激动剂的活性进行定量评估。而拮抗剂可以分为竞争性和非竞争性两种，分别通过阻断激动剂的结合或占据另一位点来抑制细胞反应。对抗性的性质可以通过行为来描述，例如可克服或不可克服、竞争性或非竞争性。变构调节剂通过与受体的不同位点结合来影响受体的活性。它们可以增加受体的选择性，并微调对内源性配体的反应。变构调节剂的效应饱和性意味着一旦所有变构位点都被占据，将不会观察到进一步的效应。正变构调节剂可以增强正构激动剂的反应，而负变构调节剂则可以减弱其反应。了解药物的MOA对于设计和优化化合物以开发更有效的疗法至关重要。通过研究偏向信号传导和变构调节等机制，可以微调治疗效果，提高药物的选择性和效能。非假设驱动的方法，如细胞绘制，提供了关于化合物MOA的宝贵信息，有助于最大程度地提高新发现的机会。因此，在药物发现过程中，详细研究药物的MOA是成功的关键之一。5.结构生物学获得GPCR的实验结构对于结构引导的药物发现至关重要,因为它能精确建模小分子与受体的结合模式。然而,测定GPCR结构是一个漫长且昂贵的过程,且失败率较高。因此,在项目启动之初就需要权衡成本与收益,评估可行的时间表。我们认为,及时解析GPCR结构是一笔值得的投资。一旦成功,它将有助于优化药物分子,并深入洞见受体的结构生物学特征。理想的时机是在活性化合物筛选之前或与之同步进行。近年来,GPCR结构在蛋白质数据库中的积累速率不断加快,解析的分辨率也在提高,这使得解析GPCR结构的任务变得更加可行。一些技术进步,如构建体设计、表达系统和去污剂的改良,极大促进了GPCR结构生物学的发展。图5 PDB数据库中的GPCR 结构时间表目前有两种主要技术用于测定GPCR结构：X射线晶体学和冷冻电镜。X射线晶体学主要解析GPCR的拮抗剂结合/非活性态结构，而冷冻电镜则解析GPCR与G蛋白复合物中的激动剂结合/活性态结构。所选择的技术对结构设计、表达、纯化等实验流程产生重大影响。在X射线晶体学方法中，GPCR常常使用脂质立方相法制备晶体，并在高通量微焦点光束线上收集衍射数据。飞秒晶体学则利用X射线自由电子激光器,能够从微小的晶体中获取数据。而冷冻电镜技术不需要结晶,通过重建不同方向的二维粒子图像获得三维结构,所需蛋白质量更少。近年来的技术进步使冷冻电镜成为解析GPCR结构的首选方法，尤其适用于研究GPCR:G蛋白复合物的活性态结构。总之，结构生物学技术的发展为GPCR结构解析提供了多种可行途径，这对于结构引导的药物发现具有重要意义。除了上述主流技术外，近期研究还提出了利用抗体衍生的结合伙伴增大靶蛋白粒子尺寸的策略。多项研究强调,使用能识别GPCR-BRIL融合蛋白中BRIL部分的Fab抗体片段，有助于这些蛋白质的结构表征。因此，在GPCR药物发现领域，X射线晶体学与冷冻电镜作为优先结构解决方案的明显区别已经变得模糊，冷冻电镜在表征GPCR靶点(包括小分子结合复合物)方面的应用将会越来越广泛。图6 G蛋白复合物的冷冻电镜结构示例6.药物化学结构导向GPCR是灵活的结构,配体结合口袋能适应不同配体,因此确定和模拟相关的受体-配体结构具有挑战性。但随着解析更多GPCR-配体结构,以及计算机对接技术的进步,利用配体诱导的受体构象变化指导药物发现成为可能。研究人员通过基于片段的结合测定发现了潜在化合物,并利用受体-配体复合物结构优化了SAR,发现了结合于mGlu5变构口袋的化合物。不同配体可通过诱导拟合过程采取不同结合构象。分析结合位点的水网络也有助于提高结合亲和力。解析更多GPCR活化和失活状态结构将为同源建模提供模板,帮助人工智能技术如AlphaFold改进结构预测。AlphaFold生成的GPCR模型整体精确,但结合口袋可能因疏水塌陷而偏小。利用正确的模型、激活状态和灵活对接方案对深度学习预测的结构进行适当处理是使用这些结构的关键。结合GPCR结构信息进行合理设计有助于发现新的GPCR调节剂。图9. HTL14242是通过基于片段的筛选和利用基于结构的药物设计(SBDD)优化而发现的。开发了化合物16和19配体修饰微小的配体结构改变可导致GPCR功能活性发生显著变化。研究表明，在71%的微小改造中,γ位置到氮或更近的结构改变会导致配体功能从激动剂转变为拮抗剂或反之亦然。例子包括:(a) CCR3拮抗剂的哌啶环3'位甲基化,增加了结合能力但转变为激动剂。(b) 一系列α2肾上腺素受体激动剂中,N-甲基苯胺转变为二甲胺,结合亲和力(Ki)保持不变,但机制从激动剂变为拮抗剂。(c) 将培高利特和O-培高利特的N-丙基基团修饰为N-甲基基团,使其由5-HT2B受体激动剂转变为拮抗剂。有趣的是,培高利特和6-甲基培高利特仍然是多巴胺D2受体的激动剂。图10 一些简单的配体结构修饰导致GPCR药理学发生变化的例子偏向信号基于不同配体可通过偏向不同的转导途径(如G蛋白偶联反应和β-arrestin调节),影响相同GPCR所介导的一系列细胞功能。已观察到超过30种GPCR存在明显的偏差信号转导。基于GPCR结构和机制数据,提出了一个假设:将阿利拉唑的二氯苯基环改为吲哚环系统,可能会引起与跨膜螺旋的不同相互作用,进而影响信号通路。单键吲哚化合物1在Gi/o测定和β-arrestin2募集测定中具有相似的效力,计算出的β-arrestin偏差因子为2.5。简单的将吲哚氮甲基化得到化合物2,在Gi/o测定中无活性,但在β-arrestin2募集测定中仍有活性(虽然效力有所降低)。进一步将α位相对于吲哚氮甲基化得到化合物7,在Gi/o测定和β-arrestin2募集测定中均有活性,且显著偏向由β-arrestin调节的G蛋白信号转导。这是首个基于GPCR结构信息,利用理性设计生成偏向性GPCR配体的实例。图11 偏向激动剂阿立哌唑优势骨架优势骨架通常半刚性,可通过疏水作用力与疏水区域结合,而不会破坏配体的三维结构。修饰优势骨架时应当考虑对配体整体理化性质的影响,例如确保在优化过程中保持配体适当的亲脂性。GPCR的一些优势骨架包括联苯、螺环哌啶和苯并二氮杂环。变构调节GPCR的变构调节剂与天然配体的正位结合口袋不同,结合在其他位点。变构调节剂能够在天然配体存在下正向或负向调节受体功能。变构结合位点包括胞外侧区域、跨膜螺旋与脂质双分子层之间的区域,以及细胞内端TM6和TM7底部区域。在变构药物化学项目中,活性常常随着配体结构的微小变化而急剧改变,难以建立结构活性关系。GPCR新型变构调节剂的发现是一个不断发展的领域,最近报道的一些变构调节剂包括:A3腺苷受体的1H-咪唑并[4,5-c]喃啉-4-胺类似物PAM、胰高血糖素样多肽-1受体的1,2,4-噁二唑-哌啶PAM V-0219、Mas相关G蛋白偶联受体X1的噻吩并[2,3-d]嘧啶类PAM、mGluR7的变构激动剂环已烷CVN636、大麻素1型受体的苯乙基脲类NAM、mGlu7的三唑苯甲酰胺类似物NAM和D2受体的噻吩并[2,3-d]嘧啶类NAM。7.生物标记生物标记物对于疾病机制研究、药物开发和临床转化至关重重要。它们可用于选择适当的动物模型、评估靶点占有率、监测疾病进展和药物安全性等。生物流体分析和成像技术(如PET)是常用的生物标记物检测手段。虽然动物模型有一定缺陷,但仍有助于从实验室到临床的转化。在临床试验中,生物标记物可确认新药的生物学效应和药理活性。随着技术进步,GPCRomics、多组学和人工智能等新兴方法正在加速新生物标记物的发现,有望促进疾病新治疗方案的开发,并实现个性化医疗的精准给药。但综合分析多组学大数据仍是一大挑战,需要强大的分析工具。总之,生物标记物在疾病机理阐释、药物开发和临床转化中发挥着关键作用。未来展望据预测,大多数GPCR尚未被开发利用,因此将继续是重要的药物靶点类别。GPCRomics技术和高保真度靶点验证技术将帮助我们将未被开发利用的GPCR与预期疗效联系起来。随着技术进步,结构引导的GPCR项目将更加常见。获得GPCR结构将加速预测配体结合模式和药物化学优化。利用天然GPCR复合物也成为新趋势,人工智能分子相互作用预测有望成为发现和优化GPCR分子命中物的主流方法。新兴的GPCR调节机理如变构调节和偏向性信号调节将被深入开发利用。其他新领域包括靶向细胞内GPCR、孤儿GPCR去孤儿化、GPCR降解诱导和受体二聚化抑制等。一些难以被小分子调节的GPCR则可尝试生物药物方式,如抗体、纳米抗体和内源蛋白配体等。参考文献Addis P, Bali U, Baron F, Campbell A, Harborne S, Jagger L, Milne G, Pearce M, Rosethorne EM, Satchell R, Swift D, Young B, Unitt JF. Key aspects of modern GPCR drug discovery. SLAS Discov. 2024 Jan;29(1):1-22. doi: 10.1016/j.slasd.2023.08.007. Epub 2023 Aug 23. PMID: 37625784.声明：发表/转载本文仅仅是出于传播信息的需要，并不意味着代表本公众号观点或证实其内容的真实性。据此内容作出的任何判断，后果自负。若有侵权，告知必删！长按关注本公众号粉丝群/投稿/授权/广告等请联系公众号助手觉得本文好看，请点这里↓