心血管疾病是目前人類的頭號死因，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。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。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題等。因此，新靶點的發(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)精準設(shè)計了有效改善心肌肥厚的apelin受體調(diào)節(jié)劑，為精準靶向改善心血管疾病藥物開發(fā)提供了全新策略。
北京時間2024年3月1日，該成果發(fā)表在國際頂級期刊《細胞》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、強基計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“和G蛋白連接才能工作的受體”，它定位于細胞膜上并參與大部分生理功能的調(diào)節(jié)，常被作為藥物靶點來進行研究。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APLNR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，因此被認為是極有前景的心血管疾病干預(yù)靶點。但是，內(nèi)源性配體apelin誘導(dǎo)的心臟保護效應(yīng)主要歸因于其中的G蛋白信號，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)和負面作用并存，嚴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，但至今仍未有精準靶向藥物分子獲批上市。
APLNR介導(dǎo)的下游信號及病理生理功能
浙江大學(xué)張巖教授團隊長期致力于跨膜信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的機制研究和精準調(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)計精細調(diào)控GPCR功能的先導(dǎo)分子并實現(xiàn)疾病的精準干預(yù)方面取得了系列創(chuàng)新成果。北京大學(xué)張巖教授團隊一直以來聚焦于心肌損傷的機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。
陽關(guān)道還是獨木橋？
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)過實驗再三甄別，終于看到了其中的細微差異。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”，這是影響偏向性信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的關(guān)鍵。
三種激動劑結(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”
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G蛋白信號還是激活β-arrestin信號。
信號通過極性網(wǎng)絡(luò)向胞內(nèi)傳遞
浙大張巖教授說：“在揭示了不同偏向性信號分子識別并激活APLNR的分子機制后，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?！?/span>
“盲選”驗證 有望“定制”靶向藥物
為了避免干擾，團隊把新設(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)心肌細胞和在體心臟疾病動物模型進行“雙盲”功能篩選和驗證。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。我們的實驗也再次證明了，APLNR的β-arrestin信號通路確實是導(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。
新型完全APLNR偏向激動劑WN561的設(shè)計理念及心肌保護活性效果
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。
浙大張巖課題組部分研究人員合影
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”。
（文 吳雅蘭/聲像 楊蘿蘿 科研圖片由受訪團隊提供）
