心血管疾病是目前人類的頭號死因，造成心力衰竭的原因有很多，高血壓和血栓等病理性刺激導(dǎo)致的心肌肥大就是一個重要誘因，抑制和逆轉(zhuǎn)病理性心肌肥大以及延緩心肌重構(gòu)的發(fā)展就尤為重要。新靶點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)新藥物研發(fā)迫在眉睫。

浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院、良渚實(shí)驗室張巖教授課題組聯(lián)合北京大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院張巖教授課題組合作開展研究，基于結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)設(shè)計了有效改善心肌肥厚的apelin受體調(diào)節(jié)劑，為精準(zhǔn)靶向改善心血管疾病藥物開發(fā)提供了全新策略。

3月1日，該成果發(fā)表在《細(xì)胞》期刊。

新型完全APLNR偏向激動劑WN561的設(shè)計理念及心肌保護(hù)活性效果。（浙大供圖）

破解藥物靶點(diǎn)“兩面性”瓶頸

G蛋白偶聯(lián)受體（GPCRs），顧名思義是一個“和G蛋白連接才能工作的受體”，它定位于細(xì)胞膜上并參與大部分生理功能的調(diào)節(jié)，常被作為藥物靶點(diǎn)來進(jìn)行研究。Apelin是A類G蛋白偶聯(lián)受體（APLNR）的內(nèi)源性配體，可同時激活A(yù)PLNR下游的G蛋白和β-arrestin信號通路，調(diào)節(jié)多種生理病理過程。特別是在心血管系統(tǒng)中，APLNR激活可促進(jìn)血管舒張、正性肌力、血管生成、利尿、降低血壓等，還參與心血管疾病的病理生理調(diào)節(jié)，如抑制心肌纖維化、減輕病理性心肌肥厚、抵抗心力衰竭和肺動脈高壓等，因此被認(rèn)為是極有前景的心血管疾病干預(yù)靶點(diǎn)。但是，內(nèi)源性配體apelin誘導(dǎo)的心臟保護(hù)效應(yīng)主要?dú)w因于其中的Gi信號，而其同時激活β-arrestin信號反而會對健康心臟引起有害的心肌肥厚，削弱藥效。

正是這樣的“兩面性”讓科學(xué)家們犯了難，正向效應(yīng)和負(fù)面作用并存，嚴(yán)重影響了藥物的有效性和安全性。多家國際知名藥企和科研機(jī)構(gòu)都在嘗試開發(fā)安全有效的APLNR激動劑類藥物，但至今仍未有精準(zhǔn)靶向藥物分子獲批上市。

浙江大學(xué)張巖團(tuán)隊長期致力于跨膜信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的機(jī)制研究和精準(zhǔn)調(diào)控手段設(shè)計，發(fā)展并奠定了基于冷凍電鏡的GPCR藥理學(xué)研究方法，在基于結(jié)構(gòu)設(shè)計精細(xì)調(diào)控GPCR功能的先導(dǎo)分子并實(shí)現(xiàn)疾病的精準(zhǔn)干預(yù)方面取得了系列創(chuàng)新成果。

北京大學(xué)張巖團(tuán)隊一直以來聚焦于心肌損傷的機(jī)制及其在心血管疾病中的作用，針對性研發(fā)疾病防治靶點(diǎn)和干預(yù)手段，為臨床心血管疾病的預(yù)防與治療提供新策略。同名同姓的兩位學(xué)者開始了接力合作研究。

揭開不同信號譜激動劑激活下游信號的奧秘

研究的第一步是揭開不同信號譜激動劑是如何激活受體介導(dǎo)下游信號的奧秘。團(tuán)隊把三種激動劑擺在一起“找不同”，借助冷凍電鏡，解析了內(nèi)源性平衡激動劑apelin，兩種部分G蛋白偏向性激動劑MM07和CMF-019識別APLNR與下游Gi1蛋白復(fù)合物的高分辨率結(jié)構(gòu)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這三種激動劑結(jié)合的APLNR-Gi1復(fù)合物長得非常像，就好比是“三胞胎”，外觀上似乎并沒有什么差別。

課題組沒有放棄，經(jīng)過實(shí)驗再三甄別，終于看到了其中的細(xì)微差異。如果把配體比作一把鑰匙，受體比作鎖，apelin的頂端也就是鑰匙的鑰匙柄是相對伸展的，MM07這把鑰匙的鑰匙柄彎曲成環(huán)狀，這導(dǎo)致了它們的鑰匙主體部分插入受體鎖芯的深度和具體位置各有差異，他們將鑰匙主體部分的關(guān)鍵部位，M11和F13插入的兩個口袋定義為“雙熱點(diǎn)”，這是影響偏向性信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的關(guān)鍵。

這個差別由配體結(jié)合口袋傳遞到下游效應(yīng)蛋白結(jié)合口袋的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制，發(fā)生了關(guān)鍵的變化——其中位于極性網(wǎng)絡(luò)中心的D752.50作為一個偏向性信號的開關(guān)，產(chǎn)生了0.1納米的結(jié)構(gòu)偏移。正是這只有頭發(fā)絲直徑百萬分之一的空間位置差別，導(dǎo)致下游效應(yīng)蛋白結(jié)合口袋的不同構(gòu)象重排，最終決定了是激活Gi信號還是激活β-arrestin信號。

浙大張巖說：“在揭示了不同偏向性信號分子識別并激活A(yù)PLNR的分子機(jī)制后，我們針對性地設(shè)計了絕對的G蛋白偏向性激動劑WN353和WN561，在消除β-arrestin活性的同時保持了G蛋白信號轉(zhuǎn)導(dǎo)能力?！?/p>

有望“定制”靶向藥物

為了避免干擾，團(tuán)隊把新設(shè)計的激動劑和市面已有激動劑混在一起打亂編號，利用體外培養(yǎng)心肌細(xì)胞和在體心臟疾病動物模型進(jìn)行“雙盲”功能篩選和驗證。浙江大學(xué)王偉偉博士說：“召開‘揭盲’線上會議時，心情萬分緊張。結(jié)果完美顯示我們設(shè)計的完全G蛋白偏向性激動劑WN353和WN561完全沒有導(dǎo)致心肌肥大的副作用。我們的實(shí)驗也再次證明了，APLNR的β-arrestin信號通路確實(shí)是導(dǎo)致心肌肥大的主要通路”。

隨后研究者又模擬了存在心肌肥大但沒有病理刺激的情況下APLNR激動劑的治療效果，如患有瓣膜疾病或高血壓的患者。結(jié)果證實(shí)Apelin加劇了心肌肥大，而MM07和CMF-019沒有效果。令人振奮的是，新開發(fā)的激動劑WN561在有或沒有病理刺激的條件下都可以改善小鼠心肌肥大，進(jìn)一步證明了這種新型G蛋白完全偏向的APLNR激動劑在治療心肌肥大和心力衰竭中的前景。

該項研究工作揭示了APLNR與不同偏向性配體復(fù)合物的識別特征，首次成功理性設(shè)計了絕對G蛋白信號選擇性的APLNR激動劑。通過三種動物模型展示了新設(shè)計活性分子的安全性和有效性，為靶向APLNR的改善心血管疾病藥物開發(fā)提供了全新策略。

浙大張巖說，也許在不久的未來，就可以“定制”出能讓心肌“減肥又增效”的藥物，幫助心血管病人重新“心花怒放”。

相關(guān)論文信息：https://www.cell.com/cell/abstract/S0092-8674(24)00125-9

來源：《細(xì)胞》