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屡次摘获诺贝尔奖,膜蛋白的能量超乎想象

2021-10-13 09:49    浏览量:531

前情提要


2021年10月4日,备受瞩目的诺贝尔生理学或医学奖终于揭晓,颁发给了David Julius和Ardem Patapoutian,以表彰他们发现了温度感知和触觉受体 (Transient receptor potential ion channel),揭示我们感知世界的奥秘。

回首2012年,Robert J. Lefkowitz和Brian K. Kobilka因“G蛋白偶联受体研究”获得了诺贝尔化学奖。2003年,Peter Agre与Roderick Mackinnon因离子通道的研究获得了诺贝尔化学奖。这三次诺贝尔奖,巧合的是它们都间隔了9年,都垂青于膜蛋白研究。

膜蛋白作为主要的生理传感器,涵盖了视觉、嗅觉、温度和压力感知等众多受体,涉及生理过程范围之广,以及在科学界所受关注度之高,使其成为了药物开发领域的重要靶点。





目前上市的所有药物中有50%以上是由人类膜蛋白组成的。GPCRs(G-protein coupled receptors,G蛋白偶联受体)是人体中最大的膜蛋白家族。

接下来,小编将重点为您介绍GPCRs的结构、信号通路、靶向药物各阶段的开发格局。ACROBiosystems突破GPCRs抗原制备难点,可提供全长GPCRs抗原,助力抗体开发,值得推荐。






GPCRs结构


GPCRs的共同分子结构由7个跨膜α螺旋组成,这些结构域将受体分割为胞外N端,胞内C端,3个胞外环和3个胞内环。胞外环上包含有两个高度保守的半胱氨酸残基,它们可以通过形成二硫键稳定受体的空间结构。胞内环上有G蛋白结合位点。以CCR5为例,经典的GPCRs拓扑结构如下图所示1

图1. 经典的GPCRs拓扑结构示意图1






GPCRs的信号机制


G蛋白是在信号转导过程中,与GPCRs偶联并能与鸟苷酸结合的一类蛋白,位于细胞膜胞质内,由α、β和γ三种亚单位组成的三聚体。G蛋白主要功能是通过自身构象的变化激活效应蛋白,进而实现信号由胞外向胞内的传递。在静息状态下,GPCRs不结合配体,胞质中的αβγ三聚体与GDP (Guanosine diphosphate) 结合,并与受体分离,无活性。当配体与GPCRs结合,GPCRs与G蛋白α亚基结合的位点暴露,并与之相互作用,导致α亚基构象改变,与GDP亲和力减弱,与GTP (Guanosine triphosphate) 亲和力增强。此时GDP-αβγ复合物在Mg2+参与下,结合的GDP与胞质中GTP交换,形成GTP-αβγ复合物。随后G蛋白被激活,并与受体分离,同时解体为GTP-α与βγ两部分,这两个分子沿着细胞膜自由扩散,直接与细胞膜下游的效应蛋白作用,导致效应体激活和启动第二信使级联,完成信号从胞外传递到胞内。当配体与受体结合解除后,α亚单位本身具有GTP酶活性,能促使GTP水解为GDP,再与βγ亚单位形成G蛋白三聚体恢复原来的静息状态。G蛋白下游信号蛋白通常是离子通道或与膜结合的酶,通常为腺苷酸环化酶和磷脂酶C等2

图2:GPCRs信号通路2

GPCRs存在于体内所有的细胞中,能偶联多种配体,包括离子、神经递质、糖类、脂质、内源性多肽、蛋白酶等生物大分子,通过激活G蛋白和其他信号分子参与众多生理过程,包括肌肉收缩和松弛、神经信号传递、免疫系统调节及机体整体代谢等。GPCRs也是人体内最大的成药家族,涉及的疾病主要包括肿瘤、自身免疫、神经系统疾病、心血管疾病等,因此,GPCRs是治疗多种疾病的优秀的药物靶点。






靶向GPCRs药物开发进展


GPCRs作为药理学靶点一直备受关注。2011-2015年,针对GPCRs的药物总销售额约为8900亿美元,占全球治疗药物市场份额的27%。GPCRs中除了大约一半的嗅觉受体外,尚有227种(57%)非嗅觉受体处于未开发状态,仍具有广泛治疗潜力,特别是在遗传和免疫系统疾病方面

2017年,有调查数据显示,以GPCRs为靶点的治疗药物有481种,约占FDA批准的所有药物的34%,共涉及107个独特的GPCRs。其中大约有320种药物正在进行临床试验,约35%的药物靶向64个潜在的新GPCRs靶点3

在以GPCRs为靶点的药物开发领域中,GPCRs抗体相对于小分子药物具有独特的优势:

  • · 体内的清除率更低,作用时间更长,相应的给药频率更低;

  • · 抗体的选择性明显优于小分子;

  • · 由于血脑屏障的阻隔,抗体药物无法进入中枢神经,因此对于在外周和中枢神经系统均有表达的GPCRs,若只需针对外周的部分设计药物,则可以开发治疗性抗体,使药物主要分布在外周区域,降低对中枢神经系统的毒副作用

图3:GPCRs临床药物靶点分布3


目前全球范围内处于活跃状态的GPCRs靶向抗体大约有14个,靶点分别是CCR4、CGRPR、CCR5、GCGR、GPRC5D、GLP1R、C5AR、CB1、S1PR1、CCR8、CCR7、GPR49、AGTR1。比较有代表性的药物是Leronlimab,一种靶向CCR5的人源化IgG4单克隆抗体,是一种HIV病毒进入抑制剂。通过掩盖CCR5,阻断HIV(R5)亚型进入健康T细胞,从而保护这些细胞免受病毒感染。

靶向GPCRs药物信息(Clarivate数据库)


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ACROBiosystems助力靶向GPCRs抗体开发


制备抗体的第一步就是抗原免疫,而免疫的第一步就是抗原的制备。由于GPCRs类靶点胞外露出部分有限、细胞表面表达低、蛋白聚集等因素,导致想要获得具有生物学活性的可溶性GPCRs抗原极其困难,这也成为了GPCRs药物研发的瓶颈。要获得全长天然的GPCRs抗原用于药物研发,则需要突破两个瓶颈:

  • · 表达量的提升。大部分膜蛋白在细胞膜上的表达量非常小,有的甚至是仅在细胞周期的某个短时间内表达。同时,不同于分泌型蛋白,膜蛋白的表达和展示受限于膜面积,另外,由于很多膜蛋白涉及到物质转运和信号传递相关的功能,其在细胞膜上过量表达会对细胞造成不可逆的伤害,膜蛋白的这些特性极大地限制了其表达量。因此,要获得足量的用于免疫和药物研发的全长膜蛋白,需要在表达区间、表达体系、培养条件等多方面进行设计和优化,即便如此,获得毫克级的膜蛋白的成本仍然远远高于可溶蛋白。

  • · 在表达和纯化的过程中保持膜蛋白的均一性和活性。膜蛋白的跨膜结构域是高度疏水的,因此无保护的暴露在水环境下将导致非特异性蛋白聚集甚至变性,因此,在针对膜蛋白的富集和纯化的过程中,需要始终维持膜蛋白周围环境的亲疏水特性。目前常用的方法是通过去垢剂4将膜蛋白从磷脂双分子层细胞膜上抽提出来,并形成胶束,以尽可能保持其天然构象和功能活性,同时也有诸如构建纳米盘(Nanodiscs)5、病毒样颗粒(Virus-like particles, VLP)6、聚合物脂质颗粒(polymer lipid particle, PoLiPa)7等方法用于膜蛋白的重构和功能研究。


为助力靶向GPCRs药物研究,ACROBiosystems专门搭建了VLP、膜蛋白-去垢剂、Nanodisc平台化解决方案,提供全长GPCRs蛋白,如GPRC5DCCR5CCR8等,可用于免疫、ELISA、SPR、BLI等场景。

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除GPCRs之外,ACROBiosystems可以提供种类齐全的全长多次跨膜蛋白,包括四次跨膜蛋白CD20Claudin18.2,五次跨膜蛋白CD133,更多全长蛋白正在开发中,敬请关注和咨询。

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参考文献

1. Dong HF, Wigmore K, Carrington MN, Dean M, Turpin JA, Howard OM. Variants of CCR5, which are permissive for HIV-1 infection, show distinct functional responses to CCL3, CCL4 and CCL5. Genes Immun. 2005 Oct;6(7):609-19. doi: 10.1038/sj.gene.6364247. PMID: 16015368; PMCID: PMC1369982.

2. Hanlon CD, Andrew DJ. Outside-in signaling--a brief review of GPCR signaling with a focus on the Drosophila GPCR family. J Cell Sci. 2015 Oct 1;128(19):3533-42. doi: 10.1242/jcs.175158. Epub 2015 Sep 7. PMID: 26345366; PMCID: PMC4610211.

3. Hauser AS, Attwood MM, Rask-Andersen M, Schiöth HB, Gloriam DE. Trends in GPCR drug discovery: new agents, targets and indications. Nat Rev Drug Discov. 2017 Dec;16(12):829-842. doi: 10.1038/nrd.2017.178. Epub 2017 Oct 27. PMID: 29075003; PMCID: PMC6882681.

4. Wiseman DN, Otchere A, Patel JH, Uddin R, Pollock NL, Routledge SJ, Rothnie AJ, Slack C, Poyner DR, Bill RM, Goddard AD. Expression and purification of recombinant G protein-coupled receptors: A review. Protein Expr Purif. 2020 Mar;167:105524. doi: 10.1016/j.pep.2019.105524. Epub 2019 Oct 31. PMID: 31678667; PMCID: PMC6983937.

5. McLean MA, Gregory MC, Sligar SG. Nanodiscs: A Controlled Bilayer Surface for the Study of Membrane Proteins. Annu Rev Biophys. 2018 May 20;47:107-124. doi: 10.1146/annurev-biophys-070816-033620. Epub 2018 Mar 1. PMID: 29494254; PMCID: PMC6370528.

6. Ho TT, Nguyen JT, Liu J, Stanczak P, Thompson AA, Yan YG, Chen J, Allerston CK, Dillard CL, Xu H, Shoger NJ, Cameron JS, Massari ME, Aertgeerts K. Method for rapid optimization of recombinant GPCR protein expression and stability using virus-like particles. Protein Expr Purif. 2017 May;133:41-49. doi: 10.1016/j.pep.2017.03.002. Epub 2017 Mar 3. PMID: 28263854.

7. Hothersall JD, Jones AY, Dafforn TR, Perrior T, Chapman KL. Releasing the technical 'shackles' on GPCR drug discovery: opportunities enabled by detergent-free polymer lipid particle (PoLiPa) purification. Drug Discov Today. 2020 Aug 21:S1359-6446(20)30337-8. doi: 10.1016/j.drudis.2020.08.006. Epub ahead of print. PMID: 32835806.

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