G 蛋白偶联受体(G-protein coupled receptor,GPCR)是人体内最大的膜受体蛋白家族,编码约 800 个成员。GPCR 是膜蛋白药物开发领域的重要靶点,中枢神经系统疾病、心脏病、糖尿病、癌症等这些危害人类健康的重大疾病与 GPCR 密不可分。当前约 35% 的上市药物作用于 GPCR,但是仅有约 103 个被开发。因此,针对其余 GPCR 靶点的药物开发具有广阔的空间和重大价值。 冷冻电镜是近年来快速发展的结构解析技术。由于无需结晶,就能够为复杂的生物样品生成高分辨率的 3D 结构,制药公司利用 GPCR 冷冻电镜结构来指导药物设计正变得越来越普遍。可是,数百个 GPCR 的分子量在 ~37 - 50kD(例如占据 80% 的 GPCR 数量的 rhodopsin-like 家族),不适合冷冻电镜技术进行研究。因此,GPCR 的冷冻电镜结构需要在激动状态下以与下游的 G 蛋白形成复合物的方式获得。但是,有约 40% 的拮抗剂药物需要通过抑制 GPCR 的活性发挥作用。此时的 GPCR 处于非激活状态,无法与 G 蛋白形成复合物。这时,利用冷冻电镜技术分析拮抗剂药物与 GPCR 的相互作用变得困难。 2023 年 6 月,沃臻生物研发了突破性的 MegaR 技术。沃臻生物由美国生物物理学会会员,上海科技大学教授及博导廖军等中美科学家领衔,廖军从事 20 多年的多次跨膜蛋白的结构生物学研究和基于生物大分子三维原子结构的精准药物设计,以及膜蛋白(GPCRs、离子通道和转运蛋白)的 X-ray 晶体学和高分辨冷冻电镜单颗粒重构研究,解析了多个全新膜蛋白的结构。在国际上率先解析了困扰学术界近 50 年的、调控细胞内钠钙离子浓度波动的钠钙转运体的三维原子结构,加深了人们对于心肌节律性舒张的调控机制的理解。 据了解,MegaR 技术的突破性体现在,有效增大了 GPCR 的分子量,并且无需使 GPCR 处于激动状态,大大促进了拮抗剂-GPCR 分子复合物的高分辨率冷冻电镜结构解析。进一步的验证实验表明,MegaR 技术可以促进冷冻电镜技术分析多种亚家族 GPCR 与不同配体/药物之间的结合状态。配体/药物-GPCR 复合物结构中的配体/药物密度媲美此前发表晶体结构中的配体/药物密度,表明 MegaR 技术的可靠性。沃臻生物进一步通过 MegaR 技术解析了业界期待的 CCR8 和 GPRC5D 结构。 GPRC5D 药物研发进展(来源:华创研究) MegaR 技术通过基因工程技术在 GPCR 上融合长度仅约 30 个氨基酸的标签,然后通过这个标签与其它蛋白形成大分子量的复合物。这种方式最大限度的减少了工程化改造对 GPCR 表达和正确折叠的影响。改造后的 GPCR 不但分子量可提高至 90 kD 以上,而且整个蛋白颗粒具有空间结构的刚性,满足冷冻电镜结构解析的要求。 MegaR 技术最大的特点是融合标签不与 GPCR 的跨膜螺旋形成连续螺旋结构,不会改变 GPCR 跨膜螺旋的天然构象,保持了改造后 GPCR 蛋白的稳定性,而且有利于解析构象有差异的各种类型 GPCR 的结构,目前已成功解析 A、B、C 等不同类型的 GPCR 结构。这种非螺旋结构连接方式也允许 GPCR 在结合配体时发生一定的构象变化,因此除了抑制性化合物,激动性化合物也可以与 MegaR 技术改造的 GPCR 结合。 CCR8 冷冻电镜结构(来源:沃臻生物) MegaR 技术在 GPCR 药物研发中比现有方法具有多重优势:1,改造后形成的 GPCR 融合蛋白复合物非常稳定,在哺乳动物细胞可以高效表达;2,一些表达和纯化困难的 GPCR(如 CCR8)在改造后也可以被稳定地表达、纯化、和结构解析;3,通过 MegaR 技术形成的 GPCR 复合物在纯化过程中不容易解离,不需要对形成复合物的纯化条件和电镜样品优化进行大量的摸索。这些都提高了 GPCR-配体/药物的结构解析效能。此外,与激动状态的 GPCR-G 蛋白复合物不同,MegaR 技术形成复合物不需要在整个纯化过程中保持配体的加入;纯化的特定 GPCR 蛋白可以与多种小分子化合物形成不同的复合物。这些优点不仅降低了 GPCR 纯化的用量,也降低了配体/药物的用量,大大降低了研发成本。 综上,MegaR 技术是沃臻生物公司对于 GPCR 冷冻电镜结构解析领域的一项重大突破。药企通过 MegaR 技术获得高分辨率 GPCR-配体/药物电镜结构,并与分子动力学/AI 结合,将大大提升了靶向 GPCR 的小分子化合物的速度;MegaR 技术带来的电镜高分辨率结构,加快了小分子药物优化和从头设计的步伐。此外,MegaR 也被发现提升了靶向 GPCR 的抗体药物的研发成功率,可以加速抗体亲和力成熟和促进识别多个物种的 GPCR 同源体的抗体开发。因此,MegaR 技术将对 GPCR 的转化研究具有重大的推动作用。 |
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