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基于泛 G 蛋白偶联受体(GPCR)药物发现平台的传统药物研究进展
【字体: 大 中 小 】 时间:2025年03月04日 来源:The Innovation 33.2
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本文聚焦传统药物与 GPCR,介绍相关研究进展及平台策略,助力新药研发。
传统药物源自草药、药用动物和真菌,在全球使用历史悠久。2023 年 5 月第 76 届世界卫生大会制定了 2025 - 2034 年世界卫生组织全球传统医学战略,旨在推动传统医学的循证实践和应用。全面了解传统药物的治疗机制对发现新药物靶点和制定前沿治疗策略至关重要。
G 蛋白偶联受体(GPCRs)作为最大的膜蛋白家族,在几乎所有基本生理过程中发挥关键作用,将细胞外刺激转化为细胞内反应。目前,约三分之一的美国食品药品监督管理局(FDA)批准药物以 GPCRs 为靶点,且 GPCRs 也是多种病理过程的重要药物靶点,包括代谢综合征、胃肠道疾病、神经精神疾病、心血管疾病和神经退行性疾病等。已有研究表明,传统药物成分能与 GPCRs 相互作用,如麻黄碱和伪麻黄碱可作用于肾上腺素能受体,东莨菪碱可作为 β2- 肾上腺素能受体激动剂,冬凌草甲素可激活蛙皮素受体亚型 3,这些发现提示传统药物可能是具有治疗潜力化合物的重要来源。然而,目前关于传统药物靶向 GPCRs 的治疗潜力的系统信息仍存在较大差距。
传统药物一直是全球新疗法的主要来源,多种草药对新药开发有重要贡献。在过去二十年,约 30% 的新药源自天然来源。目前至少有 16 种 FDA 批准的以 GPCR 为靶点的药物来自天然产物或其衍生物,但近 20 年仅 5 种上市,表明传统药物开发可能遇到瓶颈。
从传统药物中分离出的成分化学多样性丰富。截至 2018 年,已从传统药物中分离出 600 多种未修饰的天然产物可调节 GPCRs,其中 66% 源自药用植物。GPCR 配体包括多种小分子和肽,非肽类化学结构多样,如生物碱、黄酮类、呋喃色酮、糖苷、甾体糖苷和萜类等,其中生物碱占比最大,如吗啡可有效靶向并激活阿片受体(ORs)发挥镇痛作用。肽类也可作为 GPCR 配体,如环肽 Kalata B7 可通过催产素和血管加压素 1A 受体引起子宫平滑肌细胞收缩,环孢素 A 可抑制甲酰肽与甲酰肽受体结合发挥免疫抑制活性,艾塞那肽 - 4(exendin - 4)可激活胰高血糖素样肽 - 1 受体(GLP - 1R)治疗 2 型糖尿病。此外,药用动物来源的其他成分如牛磺熊去氧胆酸可通过靶向 G 蛋白偶联胆汁酸受体 1(TGR5)发挥抗炎和舒张血管作用。
基于配体结合的筛选:传统药物通过直接或间接与多种 GPCR 亚型相互作用发挥作用。配体筛选是 GPCR 药物发现的核心,竞争配体结合测定(CLBA)因其高特异性和灵敏度被广泛用于表征 GPCRs 与配体的相互作用,可通过滴定感兴趣的分子来量化 GPCRs 与放射性标记配体的相互作用。闪烁邻近测定法也可用于确定配体结合,但受限于放射性同位素的使用。为此,非放射性测定法应运而生,如无标记荧光配体、表面等离子共振(SPR)和荧光偏振技术等。
基于信号转导偶联的筛选:检测特定信号通路的激活依赖于 GPCRs 与细胞内转导蛋白的相互作用。基于荧光共振能量转移(FRET)、NanoLuc 二元技术(NanoBiT)和生物发光共振能量转移(BRET)等的检测方法已被广泛应用。FRET 通过两个荧光分子间的能量转移来指示蛋白质相互作用,BRET 则使用生物发光供体,NanoBiT 利用分裂荧光素酶互补测定原理。此外,GPCR 激活会导致异源三聚体 G 蛋白构象变化,可通过测量 Gα 和 Gβγ 亚基间的接近程度反映受体激活,如 TRUPATH 平台可通过监测 Renilla 荧光素酶融合的 Gα 与 GFP2 融合的 Gγ 亚基来量化受体活性。β-arrestin 在 GPCR 信号转导中也发挥重要作用,β-arrestin 招募测定对于揭示 GPCR 信号的功能选择性(即偏向激动作用)具有重要价值,多种基于 BRET、FRET、NanoBiT 的测定法以及非发光的 β-arrestin 招募测定法(如 Tango 和 PathHunter 测定法)可用于此类研究,其中 Tango 测定法利用蛋白酶激活的报告基因系统,具有信号特异性增强和效率提高的优势。
基于下游信号的筛选:G 蛋白依赖性功能测定在 GPCR 研究中具有重要作用,但难以精确识别涉及的 G 蛋白亚型。Gα 亚基可分为 Gs、Gi/o、Gq/11和 G12/13四个亚家族,分别协调不同的信号通路。可通过测定细胞内环磷酸腺苷(cAMP)水平反映 Gs和 Gi/o偶联受体的活性,通过测定钙离子(Ca2+)或三磷酸肌醇水平反映 Gq/11偶联受体的活性。近年来的技术进步为探索 G 蛋白与 GPCRs 在活细胞中的特异性相互作用开辟了新途径,如基于 FRET 的 cAMP 测定法可用于研究传统药物与 G 蛋白下游信号通路的相互作用。此外,第二信使反应元件(如 cAMP 反应元件和血清反应元件)在 GPCR 激活后介导基因转录,基于此开发的荧光素酶报告基因等高通量筛选测定法,有助于发现新的 GPCR 配体,如通过该方法发现了靶向 GPR108 的藤黄酸。
直接调节:许多传统药物化合物通过靶向 GPCRs 发挥治疗作用。姜黄素是姜黄的主要多酚提取物,在传统医学中应用广泛,可调节腺苷受体,增强血小板中嘌呤能 P2Y12受体(P2Y12R)抑制剂的疗效,还可激活 GPR55 和 GPR97,参与葡萄糖稳态和炎症调节,GPR40 也可能是其潜在靶点,但姜黄素与这些受体相互作用的生理效应仍需进一步验证。蛇床子素可降低肥大细胞中 Mas 相关 G 蛋白偶联受体成员 X2(MRGPRX2)的表达水平,具有抗炎、抗糖尿病、抗哮喘和抗肿瘤等多种药理活性,分子对接分析表明其通过变构调节 MRGPRX2 激活,有望成为治疗假性过敏疾病的新选择。人参皂苷是人参中的糖脂蛋白,作为溶血磷脂酸(LPA)受体的外源性配体,还可调节胰岛素分泌和细胞迁移,其与相关受体的结合模式及潜在协同作用有待进一步研究。荷叶碱是从莲子心提取的小分子,有望成为治疗失眠和食欲素诱导疾病的新药先导化合物。ISP - 1 是中药蝉花的代谢产物,经修饰后得到的 FTY720 及其衍生物可结合鞘氨醇 1 - 磷酸受体发挥免疫抑制作用。此外,传统药物还可调节 β-arrestin 信号通路,如铁皮石斛多糖可能阻断 β-arrestin 1 相关信号通路,改善溃疡性结肠炎症状;水红花子总黄酮提取物的衍生物可通过 β-arrestin 2 介导的信号通路增强胰岛素刺激的葡萄糖摄取。
间接调节:传统药物的复杂成分不仅可直接作用于 GPCRs,还可通过调节内源性配体、相关酶和第二信使发挥治疗作用。龙胆草(Gentiana scabra)根提取物可促进 GLP - 1 分泌,降低血糖水平;胡芦巴种子乙醇提取物中的活性化合物 N55 可直接结合内源性肽,增强 GLP - 1 活性。巴西矛头蝮蛇毒中的肽可作为血管紧张素转换酶(ACE)抑制剂,抑制血管紧张素 II 的产生,调节血压和体液平衡。
通过计算对接、冷冻电镜和晶体学等技术,已对多种草药衍生化合物对 GPCRs 活性的调节作用进行了深入研究,精确确定这些分子的结合位点对构效关系(SAR)分析至关重要。
大麻素受体:大麻在《神农本草经》中就有记载,具有治疗潜力。从大麻中提取的植物大麻素因 Δ9 - 四氢大麻酚(THC)和大麻二酚的研究受到广泛关注。大麻素受体 CB1 和 CB2 可特异性响应大麻素。研究发现,CB1 与大麻素类似物结合时,激动剂均采用类似的 L 形构象,定义了正构结合口袋(OBP),如 AMG315 的酰基链深入 OBP,极性头部基团与细胞外环 2(ECL2)相互作用。CB1 激活后可触发多种信号级联反应,与 β-arrestin 1 结合的结构研究揭示了 CB1 介导的选择性信号转导的关键结构决定因素。CB2 与 CB1 结构类似,但其 N 端在 OBP 上形成短螺旋,AM841 和 AM12033 在 CB2 中的结合位置与 CB1 有所不同,CB2 选择性激动剂可能具有更好的治疗特性且无精神副作用。
阿片受体:天然阿片类药物源自罂粟,是高效镇痛药,通过作用于 μ、κ 和 δ 阿片受体(MOR、KOR 和 DOR)发挥作用。吗啡主要作用于 MOR,用于疼痛管理;帽柱木碱及其氧化代谢产物 7 - 羟基帽柱木碱和帽柱木碱假吲哚酚(MP)对 MOR 具有较高活性。吗啡和 MP 与 MOR - Gi复合物的结构显示,它们的结合姿势与内源性肽不同,MP 与内源性肽结合姿势相似且与受体核心形成更广泛的接触,可能确保更好的活性和选择性。Salvinorin A 是从鼠尾草中提取的萜类化合物,可激活 KOR 产生致幻作用,其衍生物 methoxymethyl - salvinorin B(momSalB)与 KOR 的结合模式研究揭示了生物碱和萜类激动剂对 KOR 的差异结合和激活机制。
血清素受体:麦角酸二乙酰胺(LSD)对几乎所有 14 种血清素受体具有高亲和力,其合成衍生物利舒脲(lisuride)与 LSD 结合模式相似,但由于部分和偏向激动 5 - HT2AR 且作为 5 - HT2BR 拮抗剂,无致幻作用和心脏瓣膜病风险。裸盖菇素是裸盖菇属产生的天然致幻剂,在体内转化为裸盖菇辛发挥作用。比较 LSD、lisuride、血清素和裸盖菇辛与 5 - HT2AR 的结合结构发现,它们的结合位置和模式存在差异,突变研究表明配体偏向性受扩展结合口袋(EBP)识别的影响。LSD 和 lisuride 与 5 - HT2AR 和 5 - HT2BR 的结合模式比较揭示了它们在不同受体上的激动剂或拮抗剂作用机制。
腺苷受体:咖啡因、茶碱和可可碱等甲基黄嘌呤类化合物主要存在于咖啡豆和茶叶中,是腺苷受体的拮抗剂,可产生刺激和提神作用。咖啡因和茶碱不仅作用于 A2AR,还对其他三种受体亚型有弱亲和力,可视为泛拮抗剂。与腺苷结合结构比较发现,这些拮抗剂的核心与腺苷的腺嘌呤部分几乎完全重叠,但结合口袋和相互作用方式存在差异,A2AR 在激动剂结合时口袋收缩,而拮抗剂结合时口袋扩张,维持其非活性构象。
苦味受体:人类苦味由 TAS2R 亚家族的 25 种 GPCRs 介导,草药中的苦味化合物包括酚类、裂环烯醚萜类、印防己毒素、穿心莲内酯和苦杏苷等。士的宁是马钱子种子中的有毒生物碱,可激活 TAS2R7、TAS2R10 和 TAS2R46 等苦味受体,目前对其在 TAS2R46 上的构效关系研究较多,TAS2R46 在激动剂识别前 OBP 呈开放漏斗状,士的宁结合后呈棒球帽状。TAS2R14 的结构研究揭示了其 OBP 可被胆固醇占据,且存在细胞内变构位点,可识别多种苦味分子,在呼吸、心血管和消化系统组织中有表达,具有潜在治疗应用价值。马兜铃酸(AA)与 TAS2R14 结合的结构显示存在两个细胞内口袋,AA 是有毒致癌物,其在传统药物中的存在可能与毒性快速表达有关。目前,与草药衍生分子结合的受体结构解密数量有限,多数传统药物衍生分子的精确结合模式仍不明确,可能存在与完全变构位点结合的情况,有待进一步研究确定。
传统药物中潜在 GPCR 配体的鉴定稀缺,主要受资源和筛选工具限制。传统技术难以全面探索传统药物与 GPCRs 的相互作用,如基于配体结合的筛选方法受限于放射性标记配体的可用性。
基于配体结合测定的高通量筛选:新兴检测技术如 SPR、细胞膜色谱(CMC)和亲和质谱(A - MS)等,因其多对一的高通量特点(多个配体对一个靶点),可实现高效的基于结合的筛选。SPR 可实时测量受体 - 配体相互作用;CMC 具有生物识别和边界电传感功能,可从复杂系统中选择性检测成分;A - MS 可在不破坏受体和配体结构的情况下检测配体结合,灵敏度高,特别适用于鉴定草药提取物中的活性成分,如通过 A - MS 成功鉴定了 5 - HT2CR 的活性配体。
基于下游信号测定的高通量筛选:常规筛选多个 GPCRs 的物理、信息学和基础设施要求超出多数实验室能力,因此需要高度 multiplexed 的生物活性筛选技术。目前有四种开源生物传感器筛选平台可用于研究整个可成药 GPCRome,包括 Dcy - FIR、ONE - GO 生物传感器、PRESTO - Tango 和 PRESTO - Salsa。PRESTO - Tango 通过 β - arrestin 招募检测可成药的人类 GPCRome,已扩展到涵盖 300 多种 GPCRs,PRESTO - Salsa 结合条形码技术和基因测序,可同时评估几乎所有常规 GPCRs,已成功用于研究人类微生物群代谢组与 GPCRome 的相互作用。ONE - GO 生物传感器可测量不同 G 蛋白类型的 Gα - GTP,通用性强,可在多种细胞类型中准确测量 G 蛋白激活。DCy - FIR 平台使用含有 300 种工程化潜在 GPCR - Gα 偶联组合的酵母菌株库,可高精度识别 GPCR 配体,对于研究传统药物成分的多靶点特性具有重要潜力。
传统药物开发流程成本高、耗时长,且当前 GPCR 药物发现多针对特定靶点,难以适应传统药物多靶点作用特点。为此提出基因组范围的泛 GPCR 药物发现平台,包括支持体外和计算机模拟高通量筛选的 GPCRome 资源、从多对多到一对一测定的高通量筛选系统以及从基因型到表型的药理学评估三个关键部分,旨在同时针对多个靶点筛选传统药物的 GPCR 配体,有助于阐明其临床作用、利用协同效应并开发新药。
建立支持泛 GPCR 高通量筛选的 GPCRome 细胞库:测量传统药物诱导的 GPCR 反应面临多种挑战,如成分多样、受体协同作用和信号通路激活复杂等。泛 GPCR 高通量筛选平台旨在克服这些限制,同时涉及多个靶点。建立的基因组范围的 GPCRome 细胞库可同时平行筛选几乎所有可成药的 GPCRs,这些细胞系过表达特定 GPCR 或一组感兴趣的 GPCRs,具有一致性和可重复性,可自动化培养并用于大规模筛选,稳定细胞系也便于通过 CMC 和 A - MS 检测传统药物粗提物中的潜在配体 - 受体相互作用,加速药物开发早期阶段。
建立支持计算机模拟筛选的 GPCRome 结构数据库:蛋白质工程和冷冻电镜技术的进展使 GPCR 结构在蛋白质数据库(PDB)中的数量显著增加,人工智能(AI)技术为数据驱动的实验设计和药物发现提供了机遇。计算机模拟筛选(如计算对接)可利用基于天然产物的化学库,扩展配体筛选的多样性。机器学习(ML)驱动的蛋白质结构预测取得重大进展,如 AlphaFold3 有望更准确地预测 GPCR 结构,包括复杂结构、动态状态和翻译后修饰等。可利用现有数据库和 AlphaFold3 预测的结构建立 GPCRome 结构数据库,用于全面筛选传统药物与特定 GPCRs 的相互作用。
从传统药物中发现 GPCR 配体:泛 GPCR 平台旨在基于多种读数识别多个靶向命中,而非单一靶向亲和力分析。确定活性化合物后,对潜在成分进行 GPCR 分析,不仅用于靶点识别,还可支持靶点验证。通过构效关系研究区分先导分子,并通过体外或体内功效研究进一步筛选。传统药物来源的类药化合物库的出现拓宽了高通量筛选的可能性,结合 DCy - FIR 或 PRESTO - Salsa 平台与其他 GPCR 筛选方法,可快速探索传统药物成分与受体
从传统药物中发现 GPCR 配体:泛 GPCR 平台旨在基于多种读数识别多个靶向命中,而非单一靶向亲和力分析。确定活性化合物后,对潜在成分进行 GPCR 分析,不仅用于靶点识别,还可支持靶点验证。通过构效关系研究区分先导分子,并通过体外或体内功效研究进一步筛选。传统药物来源的类药化合物库的出现拓宽了高通量筛选的可能性,结合 DCy - FIR 或 PRESTO - Salsa 平台与其他 GPCR 筛选方法,可快速探索传统药物成分与受体 - 配体的相互作用。利用 A - MS、CMC 或 CLBA 等方法验证候选成分的结合能力,随后对命中化合物的药理特性进行进一步验证,包括分析结合亲和力和 GPCR 介导的功能反应。
了解不同配体亚型的结构差异和配体结合位点的特征,有助于设计出特异性更强、副作用更少的分子。冷冻电镜技术的进步使人们能够发现以前难以界定的新型变构结合位点。确定与传统药物衍生分子结合的 GPCR 结构,可能为其结合模式提供确凿证据,从而为进一步的药物开发提供理论指导。深入了解配体如何与关键残基相互作用并稳定特定受体构象,将有助于设计具有功能选择性的药物。此外,天然配体的化学结构具有显著多样性,如咖啡因和茶碱与 A2AR 的结合、吗啡与 MOR 的结合,这表明大自然提供的结构可能是实验室药物发现工作难以轻易获得的。人们期望传统药物能继续为 GPCR 的作用机制和潜在治疗方案提供有价值的见解。
基因型表型表达的机制研究:在 GPCR 研究中,从基因型到表型涉及一系列复杂的分子相互作用、信号传导机制和生物学结果。GPCR 信号通路的最终结果是产生可观察到的生理反应,包括代谢变化、细胞增殖、免疫反应、神经传递等,这些反应是编码 GPCR 的原始遗传信息的表型体现。基于已建立的体内和体外疾病模型,使用各种药效学指标在细胞和个体水平评估筛选出的传统药物化合物的效果。
GPCR 的遗传变异会影响药物反应。通过设计表达具有自然发生突变的 GPCR 的 GPCRome 细胞系,研究人员可以探究遗传变异对药物疗效和安全性的影响。此外,一些 GPCR 并非单独发挥作用,它们常与其他受体或辅助蛋白形成同源二聚体、异源二聚体或更大的复合物。利用共表达不同受体组合的 GPCRome 细胞系,研究人员能够探索 GPCR 之间的相互作用如何影响信号通路和表型结果。
结合多组学分析是后续分析候选化合物药效学作用和靶点的关键步骤。转录组学有助于分析药物治疗前后基因表达谱的差异,蛋白质组学可增强对药物给药后蛋白质表达模式和翻译后修饰的理解,代谢组学则能有效阐明药物对代谢途径的影响。这些方法有助于验证候选化合物是否通过预期的 GPCR 发挥作用,同时可能揭示未知的间接靶点和途径。上述步骤旨在阐明传统药物的药效学物质基础和靶点,从而促进对其临床疗效机制的探索。
从传统药物中发现新型分子骨架:传统药物具有现代医学无法复制的独特治疗优势。确定传统药物中的活性成分可显著降低成本并加速药物开发进程,因为传统药物的安全性和有效性已通过长期使用得到一定验证。尽管人工智能驱动的结构预测和药物设计开启了新时代,但基于实验的分子发现仍在药物开发的初始阶段发挥关键作用,是从天然产物中发现新分子的唯一途径。基因组范围的泛 GPCR 细胞库有助于探索 GPCRome 与传统药物分子之间的相互作用,并识别潜在的 GPCR 配体,如激动剂、拮抗剂或变构调节剂。有前景的分子将进一步优化,以提高其效力、特异性和药代动力学特性。
发现具有多样结合位点和功能特征的 GPCR 配体:历史上,GPCR 药物发现主要集中在通过激动剂、拮抗剂或反向激动剂进行经典的正构调节。然而,随着对 GPCR 生理学的深入理解,具有优于传统正构配体优势的新型配体不断涌现,包括调节正构配体活性的变构调节剂、选择性激活特定信号通路的偏向性配体以及与正构和变构位点都相互作用的双位 / 多位点配体。然而,现有的 GPCR 筛选方法在评估这些新型配体类型时面临重大挑战,尤其是在传统药物研究中。据了解,在所有草药衍生的 GPCR 配体中,只有被确定为有毒成分的 AA 在结构上被证明是变构调节剂。因此,仅依赖单一读数进行筛选可能会遗漏具有偏向性信号传导或变构结合特性的潜在治疗药物。GPCRome 细胞系可用于整合多种药理学研究,如信号分析和组学分析,从而在命中识别的早期阶段纳入理想的特性。
促进可成药 GPCR 的深入功能研究:尽管已有 300 多种人类 GPCR 被广泛认为是药物靶点,但其中很大一部分的功能仍未被充分理解。GPCRome 分析发现,某些疾病背景下特定 GPCR 的 mRNA 水平升高,这表明这些 GPCR 可能是潜在的治疗靶点。将组学数据与功能验证研究相结合,有望发现疾病特异性的 GPCR 靶点。设计用于复制疾病特异性特征的 GPCRome 细胞系可作为研究特定受体病理生理学的模型,从而验证药物分子的治疗效果。此外,探索可能作用于孤儿 GPCR 的传统药物外源性配体,有可能揭示创新的治疗靶点。
增强药物开发的疗效:先前的分析表明,GPCR 药物开发后期失败率呈上升趋势,主要原因是在临床 2 期和 3 期观察到的药物不良反应。例如,Lotiglipron(化学名为 PF - 07081532)作为 GLP - 1R 激动剂在治疗 2 型糖尿病方面具有显著疗效,但 2 期临床试验显示其会导致肝酶升高,引发对潜在肝毒性的担忧,最终导致药物开发终止。鉴于传统药物在人类中的长期使用历史,其衍生的配体可能在安全性和活性方面更具优势。
当前,GPCR 研究和药物发现领域发展迅速,主要得益于结构和生化技术的进步。深入了解配体与关键残基的相互作用机制,将有助于设计更有效的亚型选择性或信号偏向性调节剂。研究与传统药物衍生分子结合的 GPCR 结构,尤其是那些可能与变构结合位点相互作用的分子,有望深入揭示其特殊的治疗机制。尽管基因组范围的泛 GPCR 药物发现平台在筛选传统药物的 GPCR 配体方面具有广阔的应用前景,但也面临一些挑战,如缺乏组织完善的化合物库、对许多 GPCR(尤其是孤儿受体和嗅觉受体)的生理功能了解有限,以及传统药物中活性成分含量较低,这增加了确定选择性和特异性的难度。
传统药物在药物开发领域具有独特优势,其广泛的临床应用和多样的生物活性为新药研发提供了丰富资源。对传统药物活性成分的筛选,相较于全新药物分子的从头发现,有望显著降低成本、缩短研发周期,因为传统药物的安全性和有效性在长期使用中已得到一定验证。高通量筛选(HTS)技术在发现新化学先导物方面至关重要,但现有的常规技术在全面研究 GPCRome 方面存在局限性,导致 GPCR 领域仍有大量未知有待探索。此外,传统药物复杂的成分和多靶点、多途径的药效学特性,也给新药开发带来了挑战。
本综述对源自传统药物的治疗剂的现有功能和结构分析进行了详细阐述。基因组范围的泛 GPCR 药物发现平台为相关研究提供了多个新颖的视角。该策略不仅有助于揭示传统药物已知疗效的靶点和机制,还能探索其潜在的适应症和不良反应。从疾病靶点的角度来看,该策略能够识别潜在的可成药 GPCR,为新药开发提供指导。总之,泛 GPCR 药物发现平台将传统医学体系与现代药物发现方法相结合,有望开发出疗效更优、安全性更高的新型治疗药物,为生命科学和健康医学领域带来新的突破。
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