心血管疾病是目前人類(lèi)的頭號(hào)死因，每年死于心血管疾病的人數(shù)多于任何其它病因。心力衰竭是所有心血管疾病的終點(diǎn)。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(gè)重要誘因。要避免走到心力衰竭這一步，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。盡管市面上已經(jīng)有很多藥物可以治療心血管疾病，但心衰領(lǐng)域仍存在可用藥物較少、療效不足、藥物副作用引起的用藥安全性問(wèn)題等。因此，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(yàn)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(kāi)展研究，基于結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)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(kāi)發(fā)提供了全新策略。
北京時(shí)間2024年3月1日，該成果發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊《細(xì)胞》上。浙大張巖與北大張巖為論文共同通訊作者。浙江大學(xué)博士后王偉偉、博士生戢素玉、北京大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院博士生張文佳、北京大學(xué)第三醫(yī)院博士后張俊霞、浙江大學(xué)博士生蔡晨曦、強(qiáng)基計(jì)劃本科生胡如碧為共同第一作者。
APLNR的兩面性
G蛋白偶聯(lián)受體（GPCRs），顧名思義是一個(gè)“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(lái)進(jìn)行研究。Apelin是A類(lèi)G蛋白偶聯(lián)受體（APLNR）的內(nèi)源性配體，可同時(shí)激活APLNR下游的G蛋白和β-arrestin信號(hào)通路，調(diào)節(jié)多種生理病理過(guò)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(dòng)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G蛋白信號(hào)，而其同時(shí)激活β-arrestin信號(hào)反而會(huì)對(duì)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(guó)際知名藥企和科研機(jī)構(gòu)都在嘗試開(kāi)發(fā)安全有效的APLNR激動(dòng)劑類(lèi)藥物，但至今仍未有精準(zhǔn)靶向藥物分子獲批上市。
APLNR介導(dǎo)的下游信號(hào)及病理生理功能
浙江大學(xué)張巖教授團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于跨膜信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的機(jī)制研究和精準(zhǔn)調(diào)控手段設(shè)計(jì)，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(jì)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)張巖教授團(tuán)隊(duì)一直以來(lái)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(duì)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(kāi)始了接力合作研究。
陽(yáng)關(guān)道還是獨(dú)木橋？
研究的第一步是揭開(kāi)不同信號(hào)譜激動(dòng)劑是如何激活受體介導(dǎo)下游信號(hào)的奧秘。
團(tuán)隊(duì)把三種激動(dòng)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(dòng)劑apelin，兩種部分G蛋白偏向性激動(dòng)劑MM07和CMF-019識(shí)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(dòng)劑結(jié)合的APLNR-Gi1復(fù)合物長(zhǎng)得非常像，就好比是“三胞胎”，外觀上似乎并沒(méi)有什么差別。
課題組沒(méi)有放棄，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)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(duì)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(gè)口袋定義為“雙熱點(diǎn)”，這是影響偏向性信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的關(guān)鍵。
三種激動(dòng)劑結(jié)合的APLNR-Gi1復(fù)合物冷凍電鏡結(jié)構(gòu)比較并定義“雙熱點(diǎn)”
這個(gè)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(hào)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(gè)偏向性信號(hào)的開(kāi)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(wàn)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G蛋白信號(hào)還是激活β-arrestin信號(hào)。
信號(hào)通過(guò)極性網(wǎng)絡(luò)向胞內(nèi)傳遞
浙大張巖教授說(shuō)：“在揭示了不同偏向性信號(hào)分子識(shí)別并激活APLNR的分子機(jī)制后，我們針對(duì)性地設(shè)計(jì)了絕對(duì)的G蛋白偏向性激動(dòng)劑WN353和WN561，在消除β-arrestin活性的同時(shí)保持了G蛋白信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)能力。”
“盲選”驗(yàn)證 有望“定制”靶向藥物
為了避免干擾，團(tuán)隊(duì)把新設(shè)計(jì)的激動(dòng)劑和市面已有激動(dòng)劑混在一起打亂編號(hào)，利用體外培養(yǎng)心肌細(xì)胞和在體心臟疾病動(dòng)物模型進(jìn)行“雙盲”功能篩選和驗(yàn)證。王偉偉博士說(shuō)：“召開(kāi)‘揭盲’線上會(huì)議時(shí)，心情萬(wàn)分緊張。結(jié)果完美顯示我們?cè)O(shè)計(jì)的完全G蛋白偏向性激動(dòng)劑WN353和WN561完全沒(méi)有導(dǎo)致心肌肥大的副作用。我們的實(shí)驗(yàn)也再次證明了，APLNR的β-arrestin信號(hào)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(méi)有病理刺激的情況下APLNR激動(dòng)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(méi)有效果。令人振奮的是，新開(kāi)發(fā)的激動(dòng)劑WN561在有或沒(méi)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(dòng)劑在治療心肌肥大和心力衰竭中的前景。
新型完全APLNR偏向激動(dòng)劑WN561的設(shè)計(jì)理念及心肌保護(hù)活性效果
該項(xiàng)研究工作揭示了APLNR與不同偏向性配體復(fù)合物的識(shí)別特征，首次成功理性設(shè)計(jì)了絕對(duì)G蛋白信號(hào)選擇性的APLNR激動(dòng)劑。通過(guò)三種動(dòng)物模型展示了新設(shè)計(jì)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(kāi)發(fā)提供了全新策略。
浙大張巖課題組部分研究人員合影
浙大張巖說(shuō)，也許在不久的未來(lái)，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”。
（文 吳雅蘭/聲像 楊蘿蘿 科研圖片由受訪團(tuán)隊(duì)提供）
