GCGR:炙手可熱的血糖調節分子,帶來糖尿病新療法!

瀏覽次數:128      日期:2021-10-08 14:02:06

近幾年,隨著糖尿病發病群體數量的增加,糖尿病用藥的市場規模逐年攀升。新品的研發越來越受到關注。GCGR作為調節血糖水平和葡萄糖平衡的關鍵分子,備受業界關注。國外,多款靶向GCGR的生物藥已上市,它們來自諾和諾德、禮來等藥企。此外,GCGR聯合的多靶點受體激動劑也成為糖尿病治療領域備受關注的一個焦點。國內外更多的企業正在入局,這將進一步蠶食像諾和諾德、禮來等跨國巨頭的市場份額。接下來,針對GCGR的藥物研發,有望掀起市場的熱潮!那么,今天讓我們一起來了解下GCGR。

1、GCGR的結構和表達

胰高血糖素受體(Gprotein-coupledreceptor, GCGR)屬于B類G蛋白偶聯受體家族(GPCRs),在維持人體血糖穩態中發揮關鍵作用 [1]。其它相關的G-蛋白偶聯受體還包括胰高血糖素-樣肽-1受體 (GLP-I)、胰高血糖素-樣肽-2受體(GLP-2)和胃抑制性多肽受體等 [2]。人GCGR基因定位于染色體17q81,其分子量為62kDa [3]。GCGR作為B類 GPCRs中的一員,盡管2013年,GCGR的跨膜區(Transmembranedomain,TMD)被解析。但由于全長B類GPCR構象的靈活性和多樣性,其結構解析難度極大,一直是科學界研究的焦點和難點。目前的技術手段發現,B類G蛋白受體的特點為:與跨膜區相連的N端胞外區(Extracellulardomain,ECD)分子量較大且具有三級結構。有研究通過自由電子激光技術解析全長GCGR蛋白,發現其擁有477個氨基酸,含N端胞外區、七次跨膜螺旋和第8螺旋結構 (圖1)[4]。

GCGR主要在肝臟和腎臟中表達,在心臟,脂肪組織,脾臟,胸腺,腎上腺,胰腺,大腦皮層和胃腸道中有少量發現 [5]。有研究提示GCGR通過連接胞外和跨膜結構域的肽段,配體結合引起構象變化,觸發信號傳遞,調節下游效應物的活性 [6]。

GCGR全長蛋白的二級結構示意圖

圖1. GCGR全長蛋白的二級結構示意圖

*圖片來源于MAbs出版物 [4]

2、GCGR的配體

GCGR的天然配體為胰高血糖素(Glucagon)。胰高血糖素由胰島α細胞所分泌,是一個含29個氨基酸的直鏈肽 [7]。與胰島素的作用相反,胰高血糖素是一種促進分解代謝的激素,促進葡萄糖異生和分解,抑制肝糖原合成,起著增加血糖的作用,主要靶器官為肝臟和腎臟。胰高血糖素的生理作用是通過GCGR介導。胰高血糖素與受體結合激活Gs蛋白,可使腺苷酸環化酶活化 [7]。受體GCGR和天然配體胰高血糖素結合,調節體內血糖平衡,是2型糖尿病的重要藥物靶標 [8]。有研究提示B類GPCR的胞外區(ECD)和跨膜區(TMD)均參與肽類配體的結合 [9]。雖然GCGR的跨膜區結構被解析,但全長蛋白結構的解析具有一定的挑戰性。因此,GCGR受體全長蛋白結構的解析對于研究GCGR和配體的互相作用模式及激活機制具有重要的意義。

3、GCGR的信號傳導機制

在體內,GCGR與其配體結合,主要通過激活Gs蛋白行使其功能。但越來越多的研究表明,GCGR也可與Gi和Gq等其他類型的G蛋白作用,產生不同的生物學效應,體現了GCGR信號轉導過程的復雜性和多樣性 [10]。有研究表明,GCGR在未被激活時,其ECD與TMD相互作用會抑制受體活性,與配體的結合,可釋放ECD的內在激活特性,使GCGR從抑制狀態轉為激活狀態。

GCGR被配體激活后可調節體內的肝糖合成與分解,從而維持體內的血糖濃度。如圖2所示,激活的GCGR通過與異源三聚體Gs結合,誘導腺苷酸環化酶活化,從而產生cAMP,激活蛋白激酶A,使肝糖原分解和糖異生增加,導致體內血糖升高。GCGR/Glucagon還可激活另一條信號通路,即通過偶聯Gq使第二信使IP3和Ca2+增加 [11]。進一步探索GCGR與G蛋白結合和激活的結構信息,對受體信號轉導機制的認知十分重要。

GCGR的信號通路

圖2. GCGR的信號通路

*圖片來源于Cancer Epidemiology and Prevention Biomarkers出版物 [11]

4、GCGR在糖尿病等疾病中的作用

我們知道,胰島α細胞(主要分泌胰高血糖素)和胰島β細胞(主要分泌胰島素)是胰島細胞的兩種主要類型,二者在糖尿病的發生發展中扮演了重要的角色,α細胞和β細胞在功能和信號調節上的不平衡是引起糖尿病的一個主要病理原因。所以,糖尿病被認為是雙激素失調的一類疾病。

盡管胰島素的出現開啟了糖尿病患者藥物治療的新征程,但許多臨床數據表明胰島素對于糖尿病患者的血糖控制不達標,尤其是在1型糖尿病患者中。因此,還需要更多的研究,來更好的控制糖尿病患者的血糖。早期的許多研究大多集中在胰島β細胞,對胰島α細胞的關注相對較少。有研究發現,在1型糖尿病小鼠中,阻斷胰高血糖素信號通路后,胰島β細胞數量也明顯增加,并且胰島α細胞向胰島β細胞轉化是胰島β細胞數量增多的原因之一 [12]。那么,針對胰高糖素受體GCGR靶點的特異性抗體可促進1型糖尿病動物的β細胞再生,從而有望改善1型糖尿病患者治療。陸續有研究報道,GCGR還與腎臟、脂肪肝、肥胖等代謝疾病相關 [13]。最值得關注的是,GCGR已在糖尿病研究方面取得了突破進展。目前,GCGR已成為抵抗糖尿病的重要靶點。

5、靶向GCGR的臨床應用前景

近年來,隨著針對GCGR胰高糖素受體的專一性藥物的臨床開發,以GCGR為基礎的藥物在臨床被廣泛研究應用。在糖尿病治療方面,科學界和產業界針對GCGR正在嘗試多種阻斷策略,包括反義寡核苷酸、小干擾RNA、小分子拮抗劑等,靶向GCGR在動物實驗和早期臨床研究中被證實有較好的降糖療效。目前,據國際糖尿病聯盟(IDF)報告顯示,2019年全球20-79歲群體中約有4.63億人患糖尿病,預計到2030年糖尿病患者會達到5.784億。血糖控制不佳會導致不可逆的微血管和大血管并發癥如視力下降、失明、腎功能不全、外周神經病變、心肌梗死、中風和截肢等。糖尿病發病率高、隱匿性強、并發癥嚴重,這三大特征嚴重威脅著人類的健康。目前,越來越多的藥企正在開發靶向GCGR的藥物,用于糖尿病等疾病的治療(見下表)。

藥物名稱 研發狀態 公司 適應癥 最后更新日期
Glucagon (rDNA origin, Lilly)(胰高血糖素(禮來)) 批準上市 禮來制藥; 低血糖癥;
1型糖尿病;
2020-08-28
Glucagon (rDNA origin, Novo Nordisk)(胰高血糖素(諾和諾德)) 批準上市 諾和諾德制藥; 低血糖癥; 2020-08-28
Glucagon (Xeris Pharmaceuticals) 批準上市 Xeris Pharmaceuticals;
Xeris Pharmaceuticals Inc;
低血糖癥;
高胰島素血癥;
2020-08-28
Glucagon intranasal (Eli Lilly/Locemia Solutions) 批準上市   低血糖癥;
1型糖尿病;
二型糖尿病;
糖尿病;
2020-08-28
HM-15136 臨床二期 韓美藥品株式會社; 先天性高胰島素血癥;
高胰島素血癥;
二型糖尿病;
2021-02-03
Oxyntomodulin (Xenetic Biosciences) 臨床二期 Pharmsynthez;
Xenetic Biosciences;
二型糖尿病;
肥胖癥;
2020-08-28
volagidemab(沃拉德單抗) 臨床二期 Ajinomoto Althea Inc;
安進;
北京科信美德生物醫藥科技有限公司;
Remd Biotherapeutics;
Remd Biotherapeutics Inc;
二型糖尿病;
1型糖尿病;
糖尿病;
2020-08-28
HM-15211 臨床二期 韓美藥品株式會社; 非酒精性脂肪肝;
肥胖癥;
2021-09-03
Efinopegdutide 臨床二期 韓美藥品株式會社;
默沙東;
二型糖尿病;
非酒精性脂肪肝;
肥胖癥;
終末期腎臟病;
2020-08-28
LY-3437943 臨床二期 禮來制藥; 超重;
肥胖癥;
二型糖尿病;
2021-09-03
Glucagon (Translational Research Institute for Metabolism and Diabetes, Florida)(胰高血糖素(Translational Research Institute for Metabolism and Diabetes)) 臨床一期 Translational Research Institute For Metabolism And Diabetes; 肥胖癥; 2020-08-28
NN-9277 臨床一期 諾和諾德制藥; 超重;
肥胖癥;
2020-08-28
BioChaperone Glucagon 臨床一期 Adocia; 低血糖癥;
1型糖尿病;
2020-08-28

數據來源于藥渡:https://www.pharmacodia.com/

參考文獻:

[1] Hilger, Daniel, et al. "Structural insights into differences in G protein activation by family A and family B GPCRs." science 369.6503 (2020).

[2] Ali, Safina, and Daniel J. Drucker. "Benefits and limitations of reducing glucagon action for the treatment of type 2 diabetes. "American Journal of Physiology-Endocrinology and Metabolism 296.3 (2009): E415-E421.

[3] Baig, M. H., et al. "Interaction of glucagon G-protein coupled receptor with known natural antidiabetic compounds: multiscoring in silico approach." Evidence-Based Complementary and Alternative Medicine 2015 (2015).

[4] van der Woning, Bas, et al. "DNA immunization combined with scFv phage display identifies antagonistic GCGR specific antibodies and reveals new epitopes on the small extracellular loops." mabs. vol. 8. no. 6. Taylor & Francis, 2016.

[5] Jalilian, Amir, et al. "Preparation and biological evaluation of radiogallium labeled glucagon for SPECT imaging." journal of radioanalytical and nuclear chemistry 285.3 (2010): 555-561.

[6] Sinclair, Elaine M., et al. "Glucagon receptor signaling is essential for control of murine hepatocyte survival. "Gastroenterology 135.6 (2008): 2096 -2106.

[7] Sammons, Matthew F., and Esther CY Lee. "Recent progress in the development of small-molecule glucagon receptor antagonists. "Bioorganic & medicinal chemistry letters 25.19 (2015): 4057-4064.

[8] Graham, Galyna V., et al. "Glucagon-related peptides from phylogenetically ancient fish reveal new approaches to the development of dual GCGR and GLP1R agonists for type 2 diabetes therapy." Peptides 110 (2018): 19-29.

[9] Zhao, Li-Hua, et al. "Differential requirement of the extracellular domain in activation of class BG protein-coupled receptors." journal of Biological Chemistry 291.29 (2016): 15119-15130.

[10] Meister, Jaroslawna, et al. "Chemogenetic approaches to identify metabolically important GPCR signaling pathways: therapeutic implications." Journal of Neurochemistry (2021).

[11] Wilson, Chantell, et al. "The paracrine hormone for the GCGR tumor suppressor, guanylin, is universally lost in colorectal cancer." Cancer Epidemiology and Prevention Biomarkers 23.11 (2014): 2328-2337.

[12] Wang, May-Yun, et al. "Glucagon blockade restores functional β-cell mass in type 1 diabetic mice and enhances function of human islets." Proceedings of the National Academy of Sciences 118.9 (2021).

[13] Guzman, Cristina B., et al. "Treatment with LY 2409021, a glucagon receptor antagonist, increases liver fat in patients with type 2 diabetes." Diabetes, Obesity and Metabolism 19.11 (2017): 1521-1528.


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