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基于GPCR家族的抗体研发现状和展望

GPCR蛋白简介


GPCR(G Protein-Coupled Receptor),即G蛋白偶联受体,是表达在细胞质膜上的一类7次跨膜蛋白,由超过800个成员组成,是哺乳动物基因组中最大的膜蛋白家族。在人体内,GPCR蛋白广泛分布于中枢神经系统、免疫系统、心血管、视网膜等器官和组织,参与机体的发育和正常的功能行使。而与其相关的细胞内通路调节的异常,则会导致一系列疾病的发生。


GPCR蛋白主体由7段跨细胞质膜的α螺旋结构构成。N端和三个loop位于胞外,参与蛋白与其受体的相互作用;C端和3个loop位于胞内,其中C端和第3个loop(C3)在GPCR蛋白与下游G蛋白的相互作用从而介导胞内的信号传导过程中发挥重要的作用。



GPCR名称的由来,是因为最早发现由G蛋白作为第二信使,介导胞外作用于GPCR蛋白的信号向胞内传递。在依赖G蛋白的信号通路中,特定的配体与GPCR蛋白结合,引起G蛋白三聚体(Gα、Gβ和Gγ)中的Gα活化和游离,作为第二信使,将GPCR所接受的胞外信号向下游传递。



Gα蛋白依据序列相似度可分为Gαs、Gαi/o、Gαq/11和Gα12/13四个亚类,它们所介导的胞内信号传导过程各异,并且代表了GPCR下游信号通路的主要部分:


Gαs和Gαi针对“GPCR→Gα→腺苷酸环化酶(AC)→cAMP→丝氨酸苏氨酸特异的蛋白激酶A(PKA)→关键酶或功能蛋白→细胞生物学效应”的信号传导过程,其中Gαs起介促进作用,而Gαi则相反,抑制AC催化的cAMP的形成。


Gαq/11与磷酸酯酶C-β(PLCβ)结合,驱动其将磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸(PIP2)水解为1,4,5-三磷酸肌醇(IP3)和二酰基甘油(DAG)。DAG沿着细胞质膜扩散,激活绑定在膜内侧的蛋白激酶C(PKC),PKC驱动下游的信号传导;IP3结合到内质网膜上的IP3受体上,驱动内质网内的Ca2+向胞质释放,引起一系列对胞内Ca2+浓度敏感的事件。其中部分类型的PKC可以被Ca2+激活,因此DAG和IP3引起的下游信号通路有一定的重合。


Gα12/13的效应分子是Rho GTPase的3种鸟苷酸交换因子(GEF):p115-RhoGEF、PDZ-RhoGEF和LARG。它们与Gα12/13结合后会将与Rho GTPase结合的GDP置换为GTP,从而激活Rho GTPase,进而激活一系列与细胞骨架调节相关的蛋白。


Gα蛋白依据序列相似度可分为Gαs、Gαi/o、Gαq/11和Gα12/13四个亚类,它们所介导的胞内信号传导过程各异,并且代表了GPCR下游信号通路的主要部分:


Gαs和Gαi针对“GPCR→Gα→腺苷酸环化酶(AC)→cAMP→丝氨酸苏氨酸特异的蛋白激酶A(PKA)→关键酶或功能蛋白→细胞生物学效应”的信号传导过程,其中Gαs起介促进作用,而Gαi则相反,抑制AC催化的cAMP的形成。


Gαq/11与磷酸酯酶C-β(PLCβ)结合,驱动其将磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸(PIP2)水解为1,4,5-三磷酸肌醇(IP3)和二酰基甘油(DAG)。DAG沿着细胞质膜扩散,激活绑定在膜内侧的蛋白激酶C(PKC),PKC驱动下游的信号传导;IP3结合到内质网膜上的IP3受体上,驱动内质网内的Ca2+向胞质释放,引起一系列对胞内Ca2+浓度敏感的事件。其中部分类型的PKC可以被Ca2+激活,因此DAG和IP3引起的下游信号通路有一定的重合。


Gα12/13的效应分子是Rho GTPase的3种鸟苷酸交换因子(GEF):p115-RhoGEF、PDZ-RhoGEF和LARG。它们与Gα12/13结合后会将与Rho GTPase结合的GDP置换为GTP,从而激活Rho GTPase,进而激活一系列与细胞骨架调节相关的蛋白。



而Gβ和Gγ(以Gβγ二聚体形式存在)除了与Gα相互作用外,本身也驱动一些信号通路,如调节部分离子通道,激活部分AC、PLC、PI3K等。


除了上述由G蛋白作为第二信使的通路外,GPCR也可以介导不依赖G蛋白的信号传导,如通过与G protein-coupled receptor kinases (GRKs)、β-arrestin、Srcs以及一些支架蛋白等的相互作用调节下游通路。而对下游的信号传导信使的选择的这种偏向性,则取决于结合配体后GPCR结构的变化,这里不展开介绍。



针对GPCR超家族的成员,有多种不同的分类方法,比较流行的有两种:一是A-F分类系统,面向所有生物体内的GPCR蛋白;另一种是将GPCR蛋白被分为Glutamate、Rhodopsin、Adhesion、Secretin、Frizzled/TAS2这5类(缩写为GRAFTS)[1],分类依据是序列相似度,绝大部分人源GPCR可被归类其中。下图来自Raymond C. Stevens教授的综述,将大部分非嗅觉相关的GPCR做了分类整理[2]:



Rhodopsin受体家族(Class A)是GPCR超家族中最大的家族。对于大部分成员而言,其主要的结构特点是N端较短,它们的天然配体直接与跨膜区结合或者通过与胞外loop结构结合间接影响其构象。配体类型非常广泛,包括多肽、胺、嘌呤等。该家族可被进一步分为α、β、γ和δ亚类。α亚类的成员包含多种重要的胺类和小分子化合物的受体,包括组胺受体、多巴胺受体、大麻素受体等。β亚类包含多种多肽受体,如内皮素受体、催产素受体等。γ亚类中较受关注的一类受体是趋化因子受体家族(详见x小编前文:趋化因子受体药物研发概览),其他的成员包括一些趋化素受体、神经肽受体等。δ亚类包括一些糖蛋白受体和嗅觉相关的受体等。总体来讲,Rhodopsin受体家族成员比较复杂,很难基于结构、功能、表达分布等单一特点进行分类。


B类受体结构上的特点是具有较大的胞外区域。Secretin受体家族(Class B)目前被发现有15个成员,均为多肽类激素受体,多肽与其胞外区域的多肽结合区域结合,从而激活受体;而Adhesion受体家族(Class B)的大部分成员还未被发现有天然配体。


Glutamate受体家族(Class C)包含8个促代谢的谷氨酸受体(GRMs)、2个GABA受体(GABABRs)、钙敏感受体(CASR)、甜味和鲜味味觉受体(TAS1R1-3)、GPRC6A和一些孤儿受体。绝大多数成员在其N端有内源配体的结合区域。


Frizzled/TAS2受体家族又可以细分为2个亚家族:一是the frizzled and smoothened receptors(Class F),包含10个frizzled受体(FZD1-10)和1个smoothened受体(SMO),前者以Wnt糖蛋白为天然配体,后者的信号通路调节似乎是受体非依赖型的;二是the taste2 receptors,主要是一些苦味味觉受体,另有一些目前依然是孤儿受体[3]。


GPCR为靶点的抗体药物开发:靶点分析


一种蛋白要成为药物靶点,前提是它的生理功能与疾病相关。因此GPCR家族中,与感觉相关的受体(sensory receptors)不能作为药物靶点,包括:Rhodopsin家族中的嗅觉受体,Frizzled/TAS2家族中与苦味感知相关的受体,Glutamate受体家族中与甜味和鲜味味觉受体,以及一些视觉相关的受体等。除去这些受体,可以成为药物靶点的GPCR蛋白剩下约370个,分布于Rhodopsin受体家族、Secretin受体家族、Adhesion受体家族、Glutamate 受体家族和Frizzled/TAS2受体家族中的the frizzled and smoothenedreceptors亚类[2]。


针对GPCR类的靶点,抗体药物所起到作用主要是阻断或激活胞外信号对靶点的激活,调控由靶点介导的胞内信号传导;或者阻断病毒利用靶点侵入细胞(例如HIV)。这些GPCR主要与癌症、炎症、感染、代谢疾病等相关。


GPCR与癌症:有些趋化因子受体,如CXCR2、CXCR4,在淋巴癌细胞中高表达,参与细胞的恶性进展;也高表达在如胰腺癌等实体瘤细胞上,参与细胞的迁移、血管生成等。抑制这些受体的激活,能够控制癌症的进展。


GPCR与炎症:GPCR蛋白在免疫细胞的发育、趋化等生理病理过程中发挥重要的作用,如CXCR1、CXCR2主要表达于中性粒细胞上,参与趋化因子对中性粒细胞向受感染部位的趋化,引起炎症反应。开发抗体药物阻断趋化因子对其受体的结合,可以降低中性粒细胞引起的炎症反应。


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