GPCR：從基礎(chǔ)科學(xué)到臨床轉(zhuǎn)化的全景透視

-01-導(dǎo)讀

GPCR(G Protein-Coupled Receptor)，即G蛋白偶聯(lián)受體，是哺乳動(dòng)物基因組中大的膜蛋白家族，廣泛分布于中樞神經(jīng)系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)、心血管、視網(wǎng)膜等器官和組織，參與機(jī)體的發(fā)育和正常的功能行使。而如果與其相關(guān)的細(xì)胞內(nèi)通路調(diào)節(jié)發(fā)生異常，或者外源病原物以之為受體攻擊機(jī)體細(xì)胞，則會(huì)導(dǎo)致一系列疾病的發(fā)生。因此，GPCR被視為重要的藥物開發(fā)靶點(diǎn)，GPCR的藥物研發(fā)具有非常重要的價(jià)值。

-02-GPCR簡(jiǎn)介

G蛋白偶聯(lián)受體（GPCR）是真核生物中大的膜蛋白家族，具有七次跨膜α螺旋結(jié)構(gòu)。其N端和三個(gè)胞外環(huán)參與配體結(jié)合，而C端和胞內(nèi)環(huán)（尤其是第三個(gè)環(huán)）介導(dǎo)下游信號(hào)傳導(dǎo)。GPCR通過兩種主要途徑傳遞信號(hào)：一是依賴G蛋白（如Gs、Gi/o、Gq/11等），激活后產(chǎn)生第二信使（如cAMP、Ca2）；二是非依賴途徑（如β-arrestin介導(dǎo)的Src/激酶活化）。

針對(duì)GPCR超家族的成員，有多種不同的分類方法，比較流行的有兩種：一是A-F分類系統(tǒng)，面向所有生物體內(nèi)的GPCR蛋白；另一種是根據(jù)序列相似性和功能相似性，將GPCR分為Glutamate, Rhodopsin, Adhesion, Frizzled/Taste2, Secretin等5類（縮寫為GRAFS），絕大部分人源GPCR可被歸類其中。

Rhodopsin家族（Class A）：大類別，N端較短，配體直接結(jié)合跨膜區(qū)或通過胞外環(huán)間接作用，包括胺類（如多巴胺、組胺受體）、多肽類（如內(nèi)皮素受體）等。該家族可被進(jìn)一步分為α、β、γ和δ亞類。α亞類的成員包含多種重要的胺類和小分子化合物的受體，包括組胺受體、多巴胺受體、大麻素受體等。β亞類包含多種多肽受體，如內(nèi)皮素受體、催產(chǎn)素受體等。γ亞類中較受關(guān)注的一類受體是趨化因子受體家族，其他的成員包括一些趨化素受體、神經(jīng)肽受體等。δ亞類包括一些糖蛋白受體和嗅覺相關(guān)的受體等?？傮w來講，Rhodopsin受體家族成員比較復(fù)雜，很難基于結(jié)構(gòu)、功能、表達(dá)分布等單一特點(diǎn)進(jìn)行分類。

Secretin家族（Class B1）：胞外區(qū)域較大，成員為多肽激素受體（如分泌素受體）。

Adhesion家族（Class B2）：結(jié)構(gòu)與Class B1類似，但多數(shù)成員的天然配體尚未明確。

Glutamate家族（Class C）：具有較大的N端二聚體結(jié)構(gòu)，成員包括代謝型谷氨酸受體、GABA受體、鈣敏感受體及味覺受體（如甜/鮮味受體TAS1R）。

Frizzled/Taste2家族（Class F）：分為兩個(gè)亞類，F(xiàn)rizzled/Smoothened：結(jié)合Wnt蛋白或通過Hedgehog通路傳遞信號(hào)；Taste2：苦味受體及一些孤兒受體。

GPCR激活后通過構(gòu)象變化（如磷酸化）招募β-arrestin，調(diào)控受體內(nèi)吞或信號(hào)終止。此外，GPCR的亞細(xì)胞定位（如核膜）可影響其信號(hào)特異性。藥物開發(fā)中，約370個(gè)GPCR為潛在靶點(diǎn)，現(xiàn)有藥物以調(diào)節(jié)G蛋白或β-arrestin通路為主。

-03-GPCR的信號(hào)通路

G蛋白偶聯(lián)受體（GPCR）是人體大的跨膜受體家族，通過感知光、激素、神經(jīng)遞質(zhì)等信號(hào)，調(diào)控約80%的生理過程。其信號(hào)傳遞具有高度動(dòng)態(tài)性和復(fù)雜性，核心路徑可分為G蛋白依賴性通路和β-arrestin依賴性通路，同時(shí)受多種調(diào)控機(jī)制影響。

G蛋白依賴性通路

GPCR通過與G蛋白相互作用來傳遞信號(hào)。G蛋白是由三個(gè)亞基組成的異源三聚體：Gα、Gβ和Gγ。當(dāng)GPCR被配體激活時(shí)，會(huì)發(fā)生構(gòu)象變化，促使G蛋白α亞基的GDP被GTP取代，進(jìn)而激活與其偶聯(lián)的G蛋白。

Gs型：激活腺苷酸環(huán)化酶（AC），升高cAMP水平，激活PKA（如腎上腺素受體調(diào)控代謝）。

Gi/o型：抑制AC，降低cAMP水平（如阿片受體介導(dǎo)鎮(zhèn)痛）。

Gq/11型：激活磷脂酶Cβ（PLCβ），水解PIP生成IP和DAG，分別觸發(fā)鈣離子釋放和PKC活化（如血管緊張素受體調(diào)控血壓）。

G12/13型：激活RhoGEF，調(diào)控細(xì)胞骨架重塑（如趨化因子受體驅(qū)動(dòng)細(xì)胞遷移）。

β-arrestin依賴性通路

β-arrestin是GPCR信號(hào)通路中的重要調(diào)節(jié)因子，GPCR被G蛋白偶聯(lián)受體激酶（GRK）磷酸化后，招募β-arrestin結(jié)合，介導(dǎo)受體內(nèi)吞和脫敏，終止G蛋白信號(hào)。此外，還激活非經(jīng)典通路如ERK、JNK激酶級(jí)聯(lián)反應(yīng)（如CXCR4受體促進(jìn)腫瘤轉(zhuǎn)移）以及與AP2等銜接蛋白結(jié)合，調(diào)控膜運(yùn)輸和信號(hào)復(fù)合物組裝。

-04-GPCR與疾病的關(guān)系

GPCR家族在人體內(nèi)分布廣泛，功能復(fù)雜，因此與多種疾病的發(fā)生和進(jìn)展過程有所關(guān)聯(lián)，或在其中扮演重要的角色。根據(jù)截止到目前的較為清楚的研究，GPCR涉及到的疾病主要分為3大類：癌癥、炎癥和心血管/代謝疾病。

GPCR與癌癥

研究表明，GPCR家族的多種成員參與了各類癌癥的發(fā)生和進(jìn)展。激素受體類的GPCR參與了某些激素依賴的癌癥。有些蛋白酶激活受體如PAR1，在MMP-1的催化下活化并激活下游信號(hào)通路，促進(jìn)癌細(xì)胞的侵襲和惡化。有些趨化因子受體，如CXCR2、CXCR4，在骨髓瘤、淋巴瘤細(xì)胞中高表達(dá)，也可能高表達(dá)在如胰腺癌等實(shí)體瘤細(xì)胞上，參與細(xì)胞的遷移、血管生成等。

GPCR與炎癥

趨化因子受體家族主要表達(dá)在免疫系統(tǒng)各類細(xì)胞上，炎癥反應(yīng)就是由免疫細(xì)胞上的趨化因子受體受趨化因子激活后介導(dǎo)免疫細(xì)胞發(fā)揮宿主免疫功能而產(chǎn)生的一類病理現(xiàn)象。如CXCR1、CXCR2主要表達(dá)于中性粒細(xì)胞上，當(dāng)機(jī)體某處發(fā)生感染或出現(xiàn)損傷時(shí)，中性粒細(xì)胞會(huì)在相應(yīng)趨化因子（CXCL1、CXCL2、CXCL8）的趨化下向病灶遷移，到達(dá)病灶后釋放炎癥因子，從而產(chǎn)生局部的炎癥反應(yīng)。

GPCR與心血管/代謝疾病

與心血管疾病相關(guān)的GPCR成員主要分布于ClassA家族的α亞類，如血管緊張素系統(tǒng)（RAAS）中的AT1R、AT2R以及Mas-R。AT1R受體激活引起血管收縮，細(xì)胞增殖遷移、炎癥纖維化、心肌再塑和肥厚、鈉水潴留和ROS生成等等；而Mas受體激活主導(dǎo)血管舒張、抑制細(xì)胞增殖遷移、抗炎癥纖維化、抗凝、促EDRF、NO生成、抑制心肌肥厚和生長(zhǎng)等等，兩者具有相互拮抗的作用，共同維持人體的自穩(wěn)態(tài)。

與代謝疾病相關(guān)的GPCR成員主要是分布于ClassA家族中的脂肪酸受體，比如GPR120、GPR41和GPR43等，以及ClassB家族中的Secretin受體家族，包括GLP-1R和GCGR等。胰高血糖素樣肽1（GLP-1）通過激活GLP-1R，提高胰島β細(xì)胞的胰島素分泌水平，從而控制血糖；胰高血糖素（GCG）通過與其受體GCGR結(jié)合而被激活，增強(qiáng)肝糖原降解，并調(diào)節(jié)葡萄糖的從頭合成途徑，抵抗胰島素的降血糖作用，從而升高血糖。

除了這3類疾病主要的疾病之外，還有其他疾病被證明與GPCR相關(guān)，如：CCR5參與HIV向T細(xì)胞的入侵，是治療艾滋病的一個(gè)重要靶點(diǎn)；如降鈣素相關(guān)基因肽受體CGRPR和其配體CGRP表達(dá)于三叉神經(jīng)元區(qū)域，兩者的相互作用所激活的下游信號(hào)通路被證明與偏頭痛相關(guān)。

-05-GPCR藥物開發(fā)現(xiàn)狀

目前在北美（美國(guó)和加拿大）、歐洲、亞洲（日本、韓國(guó)和印度）和澳大利亞的市場(chǎng)上共有516種針對(duì)GPCR的不同藥物在銷售。這些GPCR靶向藥物占所有批準(zhǔn)藥物的約36%。在過去的5年里（自2019年以來），有37種針對(duì)GPCR的藥物獲得了新的批準(zhǔn)，其中包括7種首批準(zhǔn)的受體：GIPR、GPRC5D、C5A1、神經(jīng)激肽-3（NK3）和黑皮質(zhì)素受體3、4和5（MC3/4/5）。批準(zhǔn)的是KarXT（Cobenfy），這是一種由M1/M4毒蕈堿乙酰膽堿受體選擇性激動(dòng)劑xanomeline和外周毒蕈堿拮抗劑曲司皮銨聯(lián)合使用的藥物，是精神分裂癥的治療藥物。目前共有337種靶向GPCR的藥物正在臨床試驗(yàn)中，其中172種是新藥，165種是正在重新利用的藥物。在新的藥物中，有51、76和45種分別進(jìn)入了I、II和III期臨床。因此，預(yù)計(jì)未來幾年將有相當(dāng)多的GPCR藥物獲得批準(zhǔn)。

2023年前50大暢銷藥物中有5種GPCR靶向產(chǎn)品。其中，產(chǎn)品Entresto（sacubitril/纈沙坦）應(yīng)用于心力衰竭和高血壓。其他四種產(chǎn)品分布在代謝疾病領(lǐng)域的適應(yīng)癥：包括2型糖尿?。╯emaglutide、dulaglutide和tirzepatide）和肥胖癥（semagluide）。tirzepatide也于2023年11月被批準(zhǔn)用于治療肥胖癥。

目前只有兩種批準(zhǔn)的GPCR靶向單克隆抗體，分別是靶向CCR4和CGRP1型受體的mogamulizumab和erenumab。另一種單克隆抗體正處于臨床開發(fā)的后期階段，即針對(duì)CCR5的leronlimab（或PRO140），現(xiàn)已達(dá)到預(yù)注冊(cè)。目前還有多個(gè)GPCR的單克隆抗體處于臨床1期或2期的開發(fā)階段。值得注意的是，所有這些靶點(diǎn)都有大的肽配體。

-06-GPCR藥物的未來發(fā)展趨勢(shì)

GPCR藥物開發(fā)近年來呈現(xiàn)多維度創(chuàng)新趨勢(shì)，但仍面臨結(jié)構(gòu)生物學(xué)限制和選擇性挑戰(zhàn)。以下是核心進(jìn)展與方向：

結(jié)構(gòu)生物學(xué)驅(qū)動(dòng)藥物發(fā)現(xiàn)

過去5年上市的GPCR藥物均基于已解析的受體結(jié)構(gòu)開發(fā)，凸顯結(jié)構(gòu)信息的關(guān)鍵作用。隨著X射線晶體學(xué)和冷凍電鏡技術(shù)進(jìn)步，變構(gòu)位點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)為藥物設(shè)計(jì)開辟新路徑，例如靶向受體-脂膜界面變構(gòu)位點(diǎn)的小分子可克服傳統(tǒng)正構(gòu)藥物選擇性不足的問題。目前已有18種GPCR與變構(gòu)分子的共晶結(jié)構(gòu)被解析，為精設(shè)計(jì)提供模板。

從正構(gòu)位點(diǎn)到變構(gòu)調(diào)控的范式轉(zhuǎn)變

約95%已上市GPCR藥物靶向正構(gòu)位點(diǎn)，但該區(qū)域在同類受體中高度保守，導(dǎo)致藥物交叉激活引發(fā)副作用。變構(gòu)調(diào)節(jié)劑通過結(jié)合受體跨膜區(qū)或脂膜界面等非保守區(qū)域，實(shí)現(xiàn)亞型特異性調(diào)控。例如，鈣感知受體（CaSR）變構(gòu)調(diào)節(jié)劑cinacalcet通過“天花板效應(yīng)”限制藥效峰值，提高安全性。此外，變構(gòu)位點(diǎn)不與內(nèi)源配體競(jìng)爭(zhēng)，可保留天然信號(hào)時(shí)空特性，適用于需精細(xì)調(diào)節(jié)的疾病（如神經(jīng)系統(tǒng)疾?。?。

GPCR抗體的崛起

抗體藥物憑借長(zhǎng)半衰期、高選擇性和外周分布特性，成為小分子的重要補(bǔ)充。例如，針對(duì)外周表達(dá)的GPCR開發(fā)抗體可規(guī)避血腦屏障，減少中樞副作用。目前已有2款GPCR抗體藥物上市，臨床階段項(xiàng)目數(shù)量增加。

靶向受體復(fù)合物的新維度

GPCR常與受體相關(guān)蛋白形成功能復(fù)合物，其信號(hào)特性與單體受體不同。例如，多巴胺D2受體與腺苷A2A受體異源二聚化可改變配體響應(yīng)，為帕金森病治療提供新靶點(diǎn)。此類復(fù)合物的組織特異性表達(dá)（如特定細(xì)胞類型中GPCR與輔助蛋白的共定位）使藥物可精調(diào)節(jié)病理信號(hào)通路，減少脫靶效應(yīng)。

此外，開發(fā)偏向性配體以調(diào)控特定信號(hào)通路、利用AI預(yù)測(cè)變構(gòu)位點(diǎn)結(jié)合模式、探索孤兒GPCR的變構(gòu)成藥潛力。這些突破將推動(dòng)GPCR藥物向更高選擇性和更低毒性的方向發(fā)展。

-06-結(jié)語GPCR藥物開發(fā)的歷史，是一部人類解碼生命信號(hào)、攻克疾病的壯麗史詩。從阿司匹林抗炎止痛的偶然發(fā)現(xiàn)，到GLP-1受體激動(dòng)劑改寫糖尿病治療格局，再到靶向CGRP受體單抗開創(chuàng)偏頭痛預(yù)防新時(shí)代，GPCR藥物始終站在醫(yī)學(xué)革命的前沿。

目前，針對(duì)GPCR的治療性藥物的研發(fā)管線和臨床試驗(yàn)正在不斷擴(kuò)大。近年來，隨著我們對(duì)GPCR生物學(xué)方面的不斷深入研究，可以預(yù)見，GPCR作為生命科學(xué)的“百年常青樹”，將持續(xù)解鎖細(xì)胞信號(hào)調(diào)控的密碼。當(dāng)科學(xué)與技術(shù)跨越學(xué)科的藩籬，人類終將實(shí)現(xiàn)從“調(diào)控疾病”到“重塑健康”的夢(mèng)想。