iNature - Cell | 西湖大學胡奇等發現特異性靶向GTPase的環肽抑制劑－鑽石舞台

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G蛋白偶聯受體是真核生物中最大，種類最多的膜受體。與GPCR相關的G蛋白是異源三聚體，它具有三個不同的亞基：α亞基，β亞基和γ亞基。這些亞基中的兩個α和γ通過脂質錨定物附着在質膜上。配體與GPCR的結合會引起受體構象的改變，進而改變並結合和激活G蛋白。然後，G蛋白的活性形式從受體表面釋放出來，解離成其α-和β/γ亞基。進而，兩個亞基都將激活其特定的效應子，從而釋放第二個信使。這些信使被蛋白激酶識別，從而導致其活化並觸發朝向細胞事件的信號級聯。

人類GTP酶家族代表了一個巨大但在很大程度上尚未開發的藥理靶標來源。它們充當關鍵的分子開關，通過在嚴格調節的開/關狀態之間循環來控制細胞生長和增殖。通過癌症基因組測序和神經退行性疾病的家族研究，已經廣泛確立了特定GTP酶家庭成員在各種人類疾病中的作用。然而因為難以取代高親和力鳥嘌呤核苷酸，GTP酶在很大程度上仍然無法成藥，並且缺乏其他藥物結合位點。

2022年9月27日，美國加州大學舊金山分校Kevan M. Shokat團隊與東京大學Hiroaki Suga團隊合作在Cell雜誌在線發表題為「State-selective modulation of heterotrimeric Gαs signaling with macrocyclic peptides」的研究論文，該論文共同一作胡奇博士現任西湖大學生命科學學院特聘研究員。

該研究探索了 1012 個環肽的化學文庫，以擴大對此類酶抑制劑的搜索。最終鑑定了兩種大環肽 GN13 和 GD20，它們分別拮抗Gαs 的活性和非活性狀態。兩種大環肽都可微調 Gαs 活性，具有高核苷酸結合狀態選擇性和 G 蛋白類特異性。總之，靶向 Gαs 的環肽抑制劑的發現為進一步開發狀態依賴性 GTPase 抑制劑提供了途徑。

目前已經報道了幾種非共價靶向GTP酶的基於肽的探針，但它們要麼缺乏適當的藥物性質，要麼靶標範圍有限。短線性肽已被證明可以狀態選擇性地靶向異三聚體G蛋白α亞基（Gα）中的開關II / α3口袋。然而，線性肽並不是藥物發現的理想分子，因為它們的細胞通透性差且使細胞不穩定。

環肽是GTP酶藥物開發的有希望的候選者。像線性肽一樣，環肽也能夠靶向蛋白質-蛋白質界面，並能更好的穿透細胞，同時保持良好的藥理特性。目前已經報道了Gα蛋白的環肽抑制劑，例如，環狀脫肽天然產物YM-254890靶向具有高特異性和效力的GDP綁定Gαq。儘管G蛋白的結構高度保守，但可能由於可用的YM-254890類似物的化學多樣性有限，因此這個大環用作發現其他G蛋白（Gαs，Gαi）抑制劑尚未成功。因此，研究人員推斷，針對Gαs的給定核苷酸結合狀態篩選超大環肽庫可能使我們能夠發現區分Gαs活性和非活性狀態的Gαs抑制劑，並可能為藥理學研究打開GTP酶家族的其餘部分。

隨機非標準肽整合發現（Random nonstandard Peptide Integrated Discovery, RaPID）系統將體外翻譯系統的靈活性與 mRNA 顯示相結合，能夠針對具有挑戰性的靶標篩選超大大環肽文庫（>1012 分子）。

在這項研究中，研究人員利用RaPID系統發現的兩種大環肽GN13和GD20及其類似物cpGN13和cpGD20，它們是Gα的細胞滲透性核苷酸狀態選擇性抑制劑，共結晶結構顯示 GN13 和 GD20 區分開關 II/α3 口袋內的構象差異，因此與其他G蛋白亞家族相比具有高選擇性。

此外，肽環化和非典型氨基酸（D-酪氨酸）的引入使這些 Gαs 抑制劑具有與小分子藥物相當的細胞滲透性和化學穩定性。與複雜的環肽天然產物 YM-254890 相比，這種 Gαs 結合環肽可以通過側鏈取代衍生化。不僅如此，GN13 和 GD20 的細胞可滲透類似物通過與晶體學定義的口袋結合來調節細胞中的 Gαs/Gβγ 信號傳導。

研究概述（圖源自Cell）

總的來說，該研究通過正向和負向選擇展示了 RaPID 環肽平台的使用，這為發現 GTPase 家族其餘部分的細胞滲透性、類別特異性和狀態選擇性抑制劑的途徑提供了原理證明。

參考消息：

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(22)01191-6

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