撰文 | 劉翔宇

GPCR簡介

想象一個美好的週五傍晚，你終於完成了一週辛苦的工作，看了一眼窗外華燈初上，推開窗聞到了一陣食物的芬芳，你覺得餓了。你出門想找點吃的，路上一輛摩托車貼著你開過，嚇得你心跳快了半拍。終於到了飯店，你點了烤串和啤酒，咬一口滋滋作響的羊肉，油脂香混合著幸福感直衝大腦，你感到一陣快樂……

在這個事件中，G蛋白偶聯受體（簡稱GPCR）介導幾乎每一步反應。視紫紅質的啟用讓你看到東西，嗅覺受體的啟用讓你聞到香味，飢餓素受體的啟用讓你想攝入食物，腎上腺素受體的啟用讓你心跳加快，味覺受體的啟用讓你感知食物的美味，多巴胺受體的啟用讓你感到快樂。

圖1：GPCR調控人體的行為。如食慾、睡眠、瘙癢、應激反應等一系列的生理過程均由GPCR介導調控。丨圖畫作者：張欣

GPCR是一類具有七次跨膜螺旋的膜蛋白受體，在人體裡面有超過800個家族成員，它們參與調節人類生命活動的方方面面（圖1）。如果人類是由化學反應調控的機器的話，GPCR就是機器裡面的調節按鈕。如果我們透過藥物來調控這些按鈕GPCR的活性，就可以調節人的生理病理狀態，從而起到治療疾病的目的。因為這個原因，GPCR是非常重要的藥物靶點，目前FDA批准的藥物約三分之一透過靶向GPCR來發揮藥效［1］。在我開始GPCR研究之後，我就養成了仔細閱讀藥品說明書的習慣。有一次我因為咽炎咳嗽，大夫給我開了“開瑞坦”和“孟魯斯特納”，我一讀說明書發現前者是組胺（H1）受體拮抗劑，後者是白三烯受體（CysLR1）拮抗劑，越發讓我堅信研究GPCR大有可為。此外還有很多GPCR藥物用於治療多種威脅生命的重大疾病，如β腎上腺素受體阻滯劑美替洛爾（Metipranolol）用於治療心律不齊和高血壓；而β2腎上腺素受體激動劑福莫特羅（Formoterol）和沙美特羅（Salmeterol）用於治療慢阻肺和哮喘；5-羥色胺受體1A的激動劑阿立哌唑（Aripiprazole）和維拉唑酮（Vilazodone）用於治療精神分裂症和中重度抑鬱症等。眾多GPCR靶向的藥物及其龐大的市場份額（約佔全部治療藥物市場份額的27%）也反映了GPCR作為藥物靶點的潛能與重大意義。

GPCR結構解析歷史

由於GPCR重要的生理和藥理功能，解析其結構成為了許多結構生物學家的目標。在這個過程中不少科學家採用不同的方法做出了傑出的工作，其中尤為突出的是一個半路出家進入結構領域的醫學博士——斯坦福大學的Brian Kobilka教授。我將主要介紹Brian的工作，一方面因為Brian在這個方向做的工作尤其出色，另一方面因為Brian是我的博士後導師，我對他的工作比較熟悉。

在人的GPCR結構被解析之前，兩類七次跨膜的膜蛋白結構被解析。一類是來自鹽沼鹽桿菌（Halobacterium salinarium）的細菌視紫紅質（Bacteriorhodopsin）［2-5］，一類是牛眼睛裡面提出來的視紫紅質（Rhodopsin） ［6］。其中細菌視紫紅質雖然是七次跨膜蛋白，但它是一類感光的離子通道，工作機理不同於G蛋白偶聯受體，結構上也和GPCR略有差異。牛眼睛裡提出的視紫紅質結構是第一個G蛋白偶聯受體結構［6］。視紫紅質的結構工作對於後續其他GPCR的結構解析提供了指導。

圖2：Brian Kobilka實驗室在2007年到2011年間解析的部分非啟用態（綠色）和啟用態（橙色）的β2AR結構。每個結構的下標為該結構的PDB號以及該結構發表的時間。

GPCR結構如何指導藥物開發

隨著受體表達純化條件的成熟以及電鏡技術的革命性突破，目前已經有許多不同GPCR結合不同配體的啟用態或非啟用態結構被報道出來。這些結構大大增進了我們對藥物與GPCR相互作用和GPCR與下游G蛋白或者arrestin訊號傳遞分子機理的理解。GPCR一直備受關注的主要原因是因為它們是重要的藥物靶點。在獲得了這麼多的結構資訊之後，這些資訊如何能夠指導我們設計更好的藥物呢？我將利用下面三個例子加以介紹。

第一個例子是利用結構指導藥物的改造。這是由我博士後時的實驗室（清華大學Kobilka實驗室）和合作者們一起完成的一個課題。在這個工作裡我們試圖開發一種對M3乙醯膽鹼受體具有選擇性的抑制劑，這樣的化合物可能對如慢阻肺等呼吸道疾病具有治療效果。而我們想減少對M2乙醯膽鹼受體的抑制活性，以儘量減少對心臟的潛在副作用。這個工作的難點在於M2受體和M3受體的正構配體結合口袋非常相似，幾乎一模一樣。只有一個氨基酸不同。這個氨基酸在M2受體中是比較大的苯丙氨酸（Phe），在M3受體中是比較小的亮氨酸（Leu）。針對這單個氨基酸的區別，我們透過結構分析、分子對接、動態模擬、化學合成等手段，改造了一個本來對M3受體沒有選擇性的藥物。改造過程中，在化合物的一個特定位置引入一個氟原子。按照基於結構的設計，這個氟原子可以和M3受體中比較小的亮氨酸共存，但是卻會和M2受體中比較大的苯丙氨酸在位置上有衝突。透過這種方式，我們得到了具有M3受體選擇性（體外實驗105倍、體內實驗>1000倍）的小分子化合物並利用結構生物學驗證了其選擇性的分子基礎［16］。這個工作證明了基於結構精準改造藥物的可行性。

圖3：改造後的M3R選擇性配體BS46結合M3受體（橙色）時氟原子（天藍色）可以和亮氨酸（L225）共存。如果把BS46放進M2受體（綠色）的結合口袋裡面，氟原子會和苯丙氨酸（F181）發生位置衝突（紅色箭頭指示處）。利用這個設計，BS46實現了對M3受體的選擇性［16］。

第二個例子是利用結構進行分子對接，虛擬篩選目的GPCR的藥物分子。這是來自UCSF大學的Brian Schoichet教授和John Irwin教授與北卡羅來納州大學教堂山分校Bryan Roth教授的合作成果。在這個工作裡，研究者們針對D4多巴胺受體（精神分裂症和帕金森症的藥物靶標）進行了一個大規模的虛擬篩選。他們一共對D4多巴胺受體的正構配體結合口袋虛擬對接了1。38億種不同的化合物。由於每種化合物有不同的對接模式，他們一共需要計算70萬億（70，000，000，000，000）種不同的結合方式。這個數字聽起來特別龐大，但是利用強大的計算資源，在這個課題中他們只花了不到一天半就算完了。注意這是2019年發表的工作，隨著計算能力的進一步提升，將來需要的時間會更短。在他們虛擬篩選出的化合物中，有一個化合物（ZINC621433143）表現出2。3 nM的高親和力。這個化合物是多個手性異構體的混合物。它的其中一個手性異構體（ZINC621433144）表現出對D4多巴胺受體0。18 nM的親和力，以及相比於其他亞型的多巴胺受體超過2500倍的選擇性。這樣，他們透過虛擬篩選直接找到了目前對D4多巴胺受體親和力最高，選擇性最強的激動劑。這樣的化合物可能具有治療精神類疾病的潛力。

第三個例子整合了第一個和第二個故事裡面用的兩種方法。這是來自格拉斯哥大學的Andrew Tobin教授和Sosei-Heptares公司Malcolm Weir博士團隊以及多個團隊的合作。在這個工作中他們基於結構開發了一個M1乙醯膽鹼受體的特異性激動劑，這個化合物具有治療老年痴呆症（AD）的潛力。因為人的記憶和大腦內的膽鹼能系統有關，提升腦內的乙醯膽鹼水平可能改善老年痴呆症患者的認知能力。臨床用於治療AD患者的藥物中有一類是乙醯膽鹼酶抑制劑，如多奈哌齊（donepezil）。這類藥物透過抑制乙醯膽鹼的水解，提升體內整體乙醯膽鹼的水平，在早期AD患者中有一定療效。但是乙醯膽鹼酶抑制劑藥物在使用中存在明顯的劑量依賴的副作用，尤其是胃腸系統副作用。這些副作用限制了它們的臨床應用。這是因為這類藥物透過提升體內整體乙醯膽鹼水平，同時啟用人體所有的乙醯膽鹼受體，而有些受體的啟用會引起副作用。人體內一共有5類乙醯膽鹼受體：M1，M2，M3，M4和M5。其中M1受體是治療老年痴呆的主要靶點，而M2和M3受體是主要的副作用靶點。因此研究人員希望開發特異性啟用M1受體的激動劑。在這個工作中，研究人員基於M1受體的結構模型，透過分子對接虛擬篩選了具有新骨架的M1受體激動劑，並基於結構對其進行了最佳化，最終得到一個具有良好藥理性質的M1激動劑HLT9936。這個化合物可以順利穿過血腦屏障，在老鼠和比格犬等動物模型上表現出改善認知的療效，並且在健康老年志願者身上展示出啟用學習和記憶中心的效果［17］。進一步的臨床實驗正在進行中。

來自學術論文的基於結構指導藥物設計的例子還有很多，很多公司也在嘗試利用結構指導GPCR藥物的最佳化。Christ Tate教授2020年在Cell雜誌發表綜述總結GPCR結構對藥物設計的影響［18］。如他在文章中所說：通常一個藥物從研發立項到獲批上市需要10-15年的時間。Rhodopsin之外第一個高解析度的GPCR結構的出現只是14年前的事情（2007年）。因此現在評估GPCR結構對於指導藥物研發直至藥物成功上市的影響還為時尚早。但從階段性進展來看，GPCR的結構資訊對於設計更好的藥物具有重要的指導價值。值得一提的是雖然目前小分子藥物約有三分之一靶向GPCR，這些所有靶向GPCR的臨床藥物只涵蓋了約100多個GPCR靶點。人體內有800多個GPCR，除去其中一半是負責嗅覺，剩下的400個裡面，還有300個左右GPCR屬於潛在的藥物開發靶點。針對這些GPCR的結構研究和藥物篩選很有可能在將來某一天為人類帶來更好的靶向藥物。這也是為什麼我們持續對研究GPCR的結構和功能感興趣的原因。

作者貢獻：

本文由劉翔宇執筆，任引航和張翔協助參與文章中部分內容的背景檢索。圖1由張欣手畫。

參考文獻

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劉翔宇

劉翔宇，分別於2004年和2011年獲得北京大學學士學位和博士學位，後加入諾獎得主Brian K。 Kobilka 教授實驗室（清華）從事博士後研究，現為清華大學藥學院助理教授、清華大學結構生物學高精尖創新中心研究員。2012-2013年榮獲清華北大生命科學聯合中心博士後基金，2013-2017年獲得安進中國博士後獎學金，2021年獲得國家自然科學基金委員會優秀青年基金支援。他的主要研究領域為與疾病相關的G 蛋白偶聯受體（簡稱：GPCR）的結構生物學研究，以及基於結構的藥物設計。GPCR作為人類基因組編碼的最大類別膜蛋白超家族，有800多個家族成員，與人體生理代謝幾乎各個方面密切相關。

本文經授權轉載自微信公眾號“結構生物學高精尖創新中心”。