GPCR的效能驱动选择性分子设计

2023-05-02

临床3期

药物发现中的一大挑战是找寻选择性良好的药物，以期尽可能少的激活与毒性或不良副作用相关的非靶受体。目前研究广泛的配体选择性的结构机制是“亲和力驱动的选择性”（affinity-driven selectivity），即大多数配体通过与靶受体较高的亲和力而与非靶受体的亲和力较低来实现选择性。在过去的几十年里，也曾偶然发现了另一种实现配体选择性的方式，称之为“效能驱动的选择性”（efficacy-driven selectivity）。这种配体有着与靶受体和非靶受体相似的亲和，但对靶受体的刺激程度更高。换句话说，该配体在靶受体处的效能高于非靶受体，在饱和浓度下对靶受体的激活大于非靶受体。此类配体即使在非常高的浓度下也不会强烈激活非靶受体。因此，在某些条件下，效能驱动的选择策略可以提供比亲和力驱动的选择性策略更广的治疗窗口。此外，在靶受体和非靶受体结合位点相似时，尤其是当受体之间关系密切且结合相同的内源性配体时，实现亲和力驱动的选择性通常是困难的。在这种情况下，效能驱动的选择性提供了另一种解决方案。效能驱动选择性的配体已在多种受体家族发现，包括毒蕈碱胆碱（mAChRs）、大麻素、阿片类、多巴胺、代谢型谷氨酸和核激素受体。然而，效能驱动选择性的分子机制尚不清楚，严重阻碍了这类配体的合理设计。为了从机制上解决此类问题，来自美国斯坦福大学的研究人员以效能驱动选择性mAChR激动剂占诺美林（xanomeline）为例进行了深入研究。占诺美林最初在25年前开发为潜在的阿尔茨海默病治疗药物，最近也是完成了治疗精神分裂症的III期临床试验。过去三十年的多项研究及本文的回溯性实验都表明，尽管占诺美林对所有五种mAChR亚型（M1-M5）的结合亲和力几乎相同，但激活程度差别很大。占诺美林对M4的高选择性和M2的低选择性尤其引人深思，因为两者不仅具有最高的序列相似性，并且整体结构和药理学性质也极为相似。为了阐明效能驱动选择性的分子机制，他们首先利用全原子分子动力学模拟探索了占诺美林在M2和M4的非活性和活性状态下的结合模式。模拟表明，占诺美林在非活性状态M2和M4中的结合模式非常相似：它的六碳烷基尾部插入跨膜螺旋（TM）5和6之间，使得TM5和TM6胞外端稍微分离，形成一个在已有的mAChR晶体结构中尚未报道的螺旋间通道。然而，当受体处于活化状态时，占诺美林在M2和M4中的结合姿态差别显著。在活化态的M2中，占诺美林呈现出与非活化状态类似的主导姿态。相比之下，在活化态的M4中，占诺美林的尾部却竖直伸向细胞外结构域。作为对照地，在模拟iperoxo（非选择性mAChR激动剂）与M2和M4结合过程中，在失活和激活状态下都没有观察到M2和M4间的显著构象差异，说明在占诺美林中观察到的构象差异并非是受体地固有属性。深入对比分析揭示占诺美林在活化态M2和M4中结合模式的差异主要是因为细胞外环2（ECL2）的序列差异，特别是M4中的亮氨酸（L190）被替换为M2相应位置的苯丙氨酸（F181）。M4中较小的亮氨酸产生额外的空腔，使占诺美林能够容易地呈现尾部向上伸展的姿态，而M2中较大的苯丙氨酸则几乎没有留给占诺美林尾部的空间。进一步地，他们的模拟结果表明占诺美林在M2和M4活化态中的结合模式差异使其能够更显著地促进M4而非M2的活化。累积的mAChRs和其他GPCRs晶体数据表明，受体激活需要TM6的胞内末端向外移动，为G蛋白结合腾出空间。同时，TM6的细胞外端向胞内移动。模拟的结果表明占诺美林更支持M4（相对M2）TM6胞外端的向内运动。在M2中，占诺美林的尾部更频繁的呈现水平的姿态，促进TM5和TM6间通道的打开，从而阻碍TM6胞外端的向内运动。作为对照的，在模拟非选择性激动剂iperoxo与M2和M4的结合时，没有观察到这种差异。因此，占诺美林的效能驱动选择性可以通过GPCR信号传导的经典三元复合模型来解释。占诺美林对活化态的结合亲和力高于非活化态，激动剂效能愈高，亲和力差距就会愈大（先前的细胞实验表明，占诺美林结合时，mAChRs群体的大部分仍处于非活化状态。尽管受体群体的一小部分必须采用活化的构象来与G蛋白结合并刺激信号传导，但这一小部分对配体总体观察到的亲和力贡献很小）。接下来，他们结合实验验证了他们基于计算模拟结果提出的模型。基于激动剂效能愈高结合亲和力的差异越大，他们推论在M4上占诺美林与G蛋白结合的活化受体和孤立受体的结合亲和力的差异显著大于M2，结合实验也验证了此推论。另一方面，主要参与分子机制的M4 L190和M2 F181的突变实验结果也很好地证明了残基地重要性。在阐明占诺美林效能驱动选择性的分子机制后，根据此机制他们预测适度缩短占诺美林的尾部碳链应该使其在M2中与F181形成有利的疏水相互作用，同时在M4中与L190之间留下能量不利的间隙，从而导致占诺美林优于M4的M2效能驱动选择性。事实上，信号传导测定表明缩短占诺美林尾部显著增加了其在M2上的效能，而没有相应增加在M4上的效能。特别地，当占诺美林尾部从六个碳原子缩短到三个时，它在M2上的效能显著超过了M4上的效能。本文提出的分子机制能否解释占诺美林在其他mAChR亚型上的效能模式？他们观察到占诺美林在信号测定中的效能与模拟中占诺美林尾部水平结合姿态相关的TM5-TM6通道打开频率呈显著负相关。在信号传导测定中，占诺美林在M4上的效能明显高于M3或M5，以及M2。同样，在模拟中，M3和M5的通道打开频率与M2上更为相似，都与M4上观察到的存在显著差异。M1的行为介于M4和M2、M3、M5之间。这些结果提示本文提出的模型在mAChRs中的普适性。综上，本文作者使用原子级分子动力学模拟揭示了临床药物候选物占诺美林在mAChRs亚型之间效能驱动选择性的结构基础。占诺美林与非活性状态下mAChRs的结合模式相似，但在活性状态下有所不同，并对活性状态的稳定性产生不同的影响。他们进一步通过实验证实了这种机制，并利用它设计了具有改变的效能驱动选择性的配体。此研究结果为合理设计GPCR的效能驱动选择性的配体提供了策略。参考文献Powers, Alexander S et al. “Structural basis of efficacy-driven ligand selectivity at GPCRs.” Nat Chem Biol, 10.1038/s41589-022-01247-5. 13 Feb. 2023