“Life is filled with golden opportunities cleverly disguised as
insoluble proteins
(原为insolvable problems)。
”这是Robert Lefkowitz教授在杜克大学的办公室墙上贴着的4句名言之一。
2012年，因在G蛋白偶联受体（GPCR）领域做出的贡献，Robert Lefkowitz教授被授予诺贝尔化学奖。在Lefkowitz的职业生涯中，他一直在努力纯化、稳定和研究细胞中一些最难处理而在生物学上起关键作用的蛋白质。Lefkowitz和他的团队花了大约10年的时间首次纯化了一种GPCR，即β2-肾上腺素能受体。20世纪80年代，他们克隆了它的基因，揭示了GPCR家族的广度。2007年，Lefkowtiz实验室博士后Brian Kobilka解出了这种GPCR的第一个晶体结构，之后两人因对GPCR生物学的见解而共同获得了2012年的诺奖。
Robert Lefkowitz 教授（来源：杜克大学）
GPCR是人体内最大的膜受体蛋白家族（超800个），其在细胞信号传导中发挥重要功能，同时也与人体疾病密切相关。这些受体被誉为成药最多的蛋白质家族，是约35%的上市药物的作用靶点。然而，这样亮眼的数据却掩盖了其开发的难度。事实上，它们嵌入细胞壁，很难与一些高通量和基于结构的筛选技术相结合，而这些技术现在是药物发现工作不可或缺的一部分。
生物技术公司正在开发新技术来应对这些挑战。新的见解使在无细胞系统中分离、纯化和重建full-length和全功能GPCR蛋白复合物成为可能。Lefkowitz对此感到特别兴奋。作为Septerna公司的联合创始人，Lefkowitz希望这些技术能使GPCR更适合现代药物发现的工具。他补充道，这项工作应该会让药物猎人忙碌多年。“Pray that the road is long, full of adventure, full of knowledge。” 这是贴在墙上的4句名言中的另一句。
近期，Lefkowitz接受采访，探讨了GPCR靶向药物发现的未来。相关文章发表于Nature Reviews Drug Discovery。以下为大家分享采访的详细内容。
Robert Lefkowitz：
当然。在我们了解GPCR的生物学之前，已经有很多药物被发现了。β受体阻滞剂于20世纪60年代获得批准，抗组胺药于20世纪40年代投入使用。但你要知道几十年前药物开发是什么样子的。1964年，当我还在医学院时，一次偶然机会观察到科学家研制止咳药的过程。当时，他们的工作方式是将实验所用的猫架起来，将类似羽毛的东西塞进它们嘴里让猫咳嗽，然后逐个测试每种药物，观察其是否对咳嗽有影响。这确实有点野蛮，但在1964年，药物就是这样被开发出来的。还能更粗糙吗？
快进60年左右，药物开发技术的发展着实令人惊讶。药物海啸已经形成。第一次革命是放射性配基结合分析（radioligand binding assay）的发展，它提供了一种获取细胞并用分子筛选细胞以评估其是否与受体结合的方法。许多药物就是这样开发出来的。但现在有了更多的现代技术。
鉴于GPCR嵌入细胞膜中，细胞环境的复杂性造成了真正的限制。在Septerna，我们正在转向无细胞、重组和全功能的GPCR和GPCR-换能器（transducer）复合物。这使得一些事情成为可能。它使我们能够使用各种新的命中识别技术将可筛选的化学空间扩展到数十亿个分子，包括基于生物物理亲和性的筛选，如DNA编码化合物库（DEL）和虚拟筛选。它还使得通过冷冻电子显微镜快速求解高分辨率GPCR结构成为可能。
Robert Lefkowitz：
还有几个高悬的果实我们没有采到。我想重点关注的两大方向是偏向性信号转导和变构作用药物。
偏向性信号转导背后的想法源于我们2003年发现的血管紧张素受体配体，该配体失去了激活G蛋白信号转导的能力，但保留了激活β-arrestin（GPCR信号通路的重要负调节因子）通路的能力。这种作用具有治疗意义，因为在某些情况下，GPCR靶向药物的不良副作用和期望的治疗效果似乎是由不同的G蛋白或β-arrestin信号转导介导的。尽管FDA批准了所有GPCR靶向药物，但可能只有一两种能实现偏向性信号转导。我认为这是Septerna可以探索的方向。
另一个方向是变构剂。同样，除了少数例外，几乎所有FDA批准的GPCR靶向药物都是正构位点药物，而这一位点正是内源性配体所结合的地方。以肾上腺素能受体为例，配体是肾上腺素或去甲肾上腺素，拮抗剂如β受体阻滞剂和α受体阻滞剂竞争性阻断该结合位点。但是在受体的其他地方有很多变构位点。变构位点没有高度保守的进化压力，它们往往更加多样，靶向变构位点的试剂可能更具特异性。例如，有15种不同的血清素受体可以起到不同的作用，但因为所有这些受体都与血清素结合，所以它们的正构位点没有太大变化。如果想阻断一种血清素受体，而不是另一种，那真的很难。因此，变构剂拥有巨大前景。
虽然，直到最近还是很难筛选出能够结合这些位点的化合物。但通过我们上述谈论的各种方法，相信找到变构结合剂会变得更加简单。
这些机会是针对新的GPCR，还是重新研究已经成药的GPCR？
Robert Lefkowitz：
许多公司都在追求该领域过去没有研究成的新靶点。但即使有药物很好地靶向GPCR，也可能有机会再次研究这些药物。据我所知，胰高血糖素样肽1（GLP1）激动剂对糖尿病和减肥的作用简直太强大了。但我认为这些药物都是非偏向性信号转导药物。有一种非常强烈的观点认为，偏向性信号转导GLP1激动剂会更好，它们更有效，副作用更少。各家公司都在竞相研制这种化合物。这是一个例子，也许我们可以使一类成功的药物变得更好。这也是Trevena公司（Lefkowitz于2007年共同创办，但已不再合作）试图做的，制造更安全的阿片类药物。
FDA于2020年批准了Trevena的偏向性信号转导阿片类激动剂oliceridine，但判定其安全性与其他阿片类兴奋剂相似。这对偏向性信号转导激动剂药物开发意味着什么？
Robert Lefkowitz：
Trevena继续声称数据显示其药物比其他阿片类药物具有更好的安全性，但这肯定与预期相去甚远。我想到两类解释是：1）阿片类药物的副作用仅通过β-arrestin信号转导是不正确的；2）或者Trevena产品的偏向性信号转导还不够。我的粗略理解是，有些化合物继续发挥作用，似乎比Trevena的化合物更有偏向性，我不知道这最终会在哪里发生。
但我相信，从我自己的一些工作和未发表的数据来看，几乎任何GPCR都有可能开发出偏向性信号转导的小分子，尤其是变构小分子。例如，我的实验室最近对血管紧张素受体进行了DEL筛选，我们有一些很好的这种GPCR的偏向性阻断剂。我非常确信，任何受体都可以做到这一点。
您多次提到DEL，其在GPCR药物发现中扮演什么角色？
Robert Lefkowitz：我认为他们将是革命性的。我们在实验室中使用的DEL含有大约10亿种化合物，现在有更大的文库。有了这样大的文库，我们将能够找到更多适合我们GPCR的分子，这是肯定的。当然，这些不会是药物，但它们是你可以尝试修改的hits。这是该领域未来的一个重大方向。
在基础生物学方面，让您最感兴趣的GPCR问题是什么 ？
Robert Lefkowitz：GPCR信号传导中有几个领域看起来很有趣。其中之一是越来越多的证据表明信号可以被划分。受体可以从细胞膜发出信号，同一受体在内化为内体后也可以从细胞内部发出信号。现在有有趣的数据表明，来自细胞膜和来自内化内体的受体信号转导起着非常不同的作用。人们开始讨论是否可以靶向一个细胞室中的受体，而不靶向另一个。
大约每10年就会出现一次新的范式。对我来说，这种细胞室特异性GPCR信号转导是该领域的一种新范式。在最初的一两年里，我真的对此持怀疑态度，但我想我现在是一个信徒了。这些数据是无可争议的。这是一个基础科学领域，我们将在未来十年看到更多。
我们将看到的其他在研领域是基于结构的药物设计和虚拟筛选。我们仍然需要了解这些领域的极限是什么，以及能在这些领域走多远。
参考资料：
Asher Mullard. Setting GPCRs free. Nature Reviews Drug Discovery (2023)
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