【首发】PNAS | 王明伟/杨德华团队揭示GLP-1受体小分子激动剂拟肽效应的的分子机制

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2022年5月14日（北京时间），复旦大学基础医学院王明伟团队携手中国科学院上海药物研究所杨德华团队在《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America）在线发表了题为“Structural basis of peptidomimetic agonism revealed by small-molecule GLP-1R agonists Boc5 and WB4-24”的研究成果（图1）。这篇由2012年诺贝尔化学奖得主Robert J. Lefkowitz教授主审的直投（PNAS Direct Submission）论文报道了全球首个具有体内疗效的胰高血糖素样肽-1受体（Glucagon-like peptide-1 receptor, GLP-1R）非肽类激动剂Boc5及其衍生物WB4-24发挥拟肽效应的结构基础和分子机制，对基于该靶点的药物研发具有重要的指导意义。

【首发】PNAS | 王明伟/杨德华团队揭示GLP-1受体小分子激动剂拟肽效应的的分子机制

图1. 论文首页标题

GLP-1R属于B1类G蛋白偶联受体（G protein-coupled receptor, GPCR），参与调节体内的血糖水平，是业界公认的2型糖尿病和肥胖症治疗靶点¹，已有多款多肽药物上市，年销售额超过100亿美元。预计至2035年全球2型糖尿病患者将达5.9亿人，相关治疗药物的市场正在持续扩大²。目前除了索马鲁肽被开发为口服剂型外，其他药物都需皮下注射，常出现胃肠道副反应，在成本和疗效上均有改善空间。为了角逐庞大的口服制剂市场，已有策略除了诺和诺德等公司对多肽剂型进行优化改造外，辉瑞、中外制药/礼来和vTv Therapeutics/华东医药等药企致力于小分子激动剂的创制，迄今已有3款候选新药进入临床试验³。国内在该研究领域的探索虽然进展缓慢，但起步很早，最具代表性的工作就是取代环丁烷类化合物Boc5的发现及其衍生物的开发⁴。

王明伟团队自2002年起即以B1类GPCR的结构和功能作为研究方向，2007年初在已故著名遗传学家谈家桢院士的推荐下在PNAS上发表“封面文章”，报道Boc5的分子结构和实验疗效（图2上）。由于该项成果的“颠覆性”意义，美国国家科学院罕见地其为此发布新闻，中国科学院将它列为“2006年十大重大创新成果”之一，参研人员被上海市评选为2007年“新长征突击队”。2012年初，他们又在《药物化学杂志》（Journal of Medicinal Chemistry, JMC）上发表长文，完整报告了Boc5及其衍生物的发现历程、理化性质、合成路线和生物活性（图2下）。时隔10载，该团队再次发文，报道这类化合物模拟GLP-1多肽功效的结构生物学基础，为其长达20年的系统性研究续写传奇，完美收官。

图2. 2007年和2012年分别发表在PNAS和JMC上的两篇研究论文

2007年以来，王明伟/杨德华团队连续发表了一系列有关Boc5及其衍生物药理作用机制和药物化学研究的学术论文，实现了我国科学家从原创发现到药效阐明的全涵盖目标^5-8。遗憾的是，该类化合物终因不具有“成药性”而无法进行临床应用的挖掘。然而，以Boc5为代表的取代环丁烷类化合物无论是在化学结构上还是在生物活性上都极具独特性，属于“拟肽类”GLP-1R小分子激动剂，即具有与内源性多肽相似的生物活性，能够降低血糖、减轻体重和抑制食欲⁶。因此，通过解析活化受体的三维结构可以深入认识构效关系，揭示产生药效的分子机理。经过多年的不懈努力，在克服诸如难以合成和水溶性差等障碍后，他们最终获得了Boc5和WB4-24与GLP-1R和G_s蛋白形成的稳定复合物，并应用单颗粒冷冻电镜技术成功解析了分辨率分别为2.61 Å的Boc5–GLP-1R–G_s和3.09 Å的WB4-24–GLP-1R–G_s三元复合物结构（图3）。

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图3. Boc5及其衍生物WB4-24结合GLP-1R的冷冻电镜结构。A，Boc5–GLP-1R–G_s复合物结构和Boc5化学结构；B，WB4-24–GLP-1R–G_s复合物结构和WB4-24化学结构。TM，跨膜螺旋（Transmembrane helix）；ECL，胞外环（Extracellular loop）。

从三维结构来看，与已公开的GLP-1R小分子激动剂相比，Boc5是迄今为止发现的与受体作用区域最大、结合位置最深的非肽类激动剂。值得关注的是，该化合物四条侧链中的一条深入到正构口袋的底端并在位置上与GLP-1有一定的重合，而其他小分子激动剂仅作用于正构口袋的近胞外侧，推测正是该侧链作用位点的特殊性使Boc5和WB4-24得以发挥拟肽效应。同时，Boc5另外三条侧链的结合位点也有特征，它们在结合位置上与中外制药/礼来公司此前报道的小分子激动剂CHU-128/LY3502970十分相似，都深入到TM1-TM2和TM2-TM3的间隙（图4）。WB4-24是经过结构优化的Boc5衍生物，即把位于TM1-TM7和TM2-TM3间隙两条侧链末端的叔丁氧甲酰基改造成空间位阻更小的异丁酰基，增强了WB4-24与受体的亲和力，如与L144、K197和R380残基都有较强的相互作用，从而产生优于Boc5的体内外活性。此外，辉瑞公司开发的小分子激动剂PF-06882961也属于拟肽化合物，但其作用位点与Boc5完全不同，在结合位置上与GLP-1的G10-E21位氨基酸几乎重叠，进而分享了多肽与受体的一些关键结合位点，尤其是与TM1-TM7和ECL3存在较强相互作用。由于Boc5和CHU-128/LY3502970都对G_s信号通路的激活具有偏向性，而PF-06882961不具有偏向性，提示ECL3对配体的偏向性调节至关重要。综合分析这些三维结构，能够同时与这两个拟肽位点结合的小分子或将产生更为优异的体内外活性。

图4. 非肽类GLP-1R激动剂的受体结合模式。结合位点分为六个区域：TM1-TM2（橙色）、TM2-TM3（红色）、TM1-TM7（黄色）、ECL1（蓝色）、ECL3（粉色）和深层正构结合口袋（Deep orthosteric pocket，绿色）。TM，跨膜螺旋（Transmembrane helix）；ECL，胞外环（Extracellular loop）；ICL，胞内环（Intracellular loop）。

复旦大学基础医学院王明伟讲座教授和中国科学院上海药物研究所杨德华研究员为该论文的共同通讯作者；复旦大学基础医学院博士后研究助理丛朝彤和周庆同青年研究员为共同第一作者。合作者包括浙江大学基础医学院张岩研究员、华中科技大学夏天教授和复旦大学药学院吴伟教授等。

原文链接：

https://doi.org/10.1073/pnas.2200155119

参考文献

1 Cho, Y. M., Merchant, C. E. & Kieffer, T. J. Targeting the glucagon receptor family for diabetes and obesity therapy. Pharmacol Ther 135, 247-278, doi:10.1016/j.pharmthera.2012.05.009 (2012).

2 Reed, J., Bain, S. & Kanamarlapudi, V. A Review of Current Trends with Type 2 Diabetes Epidemiology, Aetiology, Pathogenesis, Treatments and Future Perspectives. Diabetes Metab Syndr Obes 14, 3567-3602, doi:10.2147/DMSO.S319895 (2021).

3 Choe, H. J. & Cho, Y. M. Peptidyl and Non-Peptidyl Oral Glucagon-Like Peptide-1 Receptor Agonists. Endocrinol Metab (Seoul) 36, 22-29, doi:10.3803/EnM.2021.102 (2021).

4 Chen, D. et al. A nonpeptidic agonist of glucagon-like peptide 1 receptors with efficacy in diabetic db/db mice. Proc Natl Acad Sci U S A 104, 943-948, doi:10.1073/pnas.0610173104 (2007).

5 Su, H. et al. Boc5, a non-peptidic glucagon-like Peptide-1 receptor agonist, invokes sustained glycemic control and weight loss in diabetic mice. PLoS One 3, e2892, doi:10.1371/journal.pone.0002892 (2008).

6 He, M. et al. A continued saga of Boc5, the first non-peptidic glucagon-like peptide-1 receptor agonist with in vivo activities. Acta Pharmacol Sin 33, 148-154, doi:10.1038/aps.2011.169 (2012).

7 Liu, Q. et al. Cyclobutane derivatives as novel nonpeptidic small molecule agonists of glucagon-like peptide-1 receptor. J Med Chem 55, 250-267, doi:10.1021/jm201150j (2012).

8 Fan, H. et al. The non-peptide GLP-1 receptor agonist WB4-24 blocks inflammatory nociception by stimulating beta-endorphin release from spinal microglia. Br J Pharmacol 172, 64-79, doi:10.1111/bph.12895 (2015).

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