GCGR:炙手可热的血糖调节分子,带来糖尿病新疗法!

浏览次数:42      日期:2021-10-08 14:02:06

近几年,随着糖尿病发病群体数量的增加,糖尿病用药的市场规模逐年攀升。新品的研发越来越受到关注。GCGR作为调节血糖水平和葡萄糖平衡的关键分子,备受业界关注。国外,多款靶向GCGR的生物药已上市,它们来自诺和诺德、礼来等药企。此外,GCGR联合的多靶点受体激动剂也成为糖尿病治疗领域备受关注的一个焦点。国内外更多的企业正在入局,这将进一步蚕食像诺和诺德、礼来等跨国巨头的市场份额。接下来,针对GCGR的药物研发,有望掀起市场的热潮!那么,今天让我们一起来了解下GCGR。

1、GCGR的结构和表达

胰高血糖素受体(Gprotein-coupledreceptor, GCGR)属于B类G蛋白偶联受体家族(GPCRs),在维持人体血糖稳态中发挥关键作用 [1]。其它相关的G-蛋白偶联受体还包括胰高血糖素-样肽-1受体 (GLP-I)、胰高血糖素-样肽-2受体(GLP-2)和胃抑制性多肽受体等 [2]。人GCGR基因定位于染色体17q81,其分子量为62kDa [3]。GCGR作为B类 GPCRs中的一员,尽管2013年,GCGR的跨膜区(Transmembranedomain,TMD)被解析。但由于全长B类GPCR构象的灵活性和多样性,其结构解析难度极大,一直是科学界研究的焦点和难点。目前的技术手段发现,B类G蛋白受体的特点为:与跨膜区相连的N端胞外区(Extracellulardomain,ECD)分子量较大且具有三级结构。有研究通过自由电子激光技术解析全长GCGR蛋白,发现其拥有477个氨基酸,含N端胞外区、七次跨膜螺旋和第8螺旋结构 (图1)[4]

GCGR主要在肝脏和肾脏中表达,在心脏,脂肪组织,脾脏,胸腺,肾上腺,胰腺,大脑皮层和胃肠道中有少量发现 [5]。有研究提示GCGR通过连接胞外和跨膜结构域的肽段,配体结合引起构象变化,触发信号传递,调节下游效应物的活性 [6]

GCGR全长蛋白的二级结构示意图

图1. GCGR全长蛋白的二级结构示意图

*图片来源于MAbs出版物 [4]

2、GCGR的配体

GCGR的天然配体为胰高血糖素(Glucagon)。胰高血糖素由胰岛α细胞所分泌,是一个含29个氨基酸的直链肽 [7]。与胰岛素的作用相反,胰高血糖素是一种促进分解代谢的激素,促进葡萄糖异生和分解,抑制肝糖原合成,起着增加血糖的作用,主要靶器官为肝脏和肾脏。胰高血糖素的生理作用是通过GCGR介导。胰高血糖素与受体结合激活Gs蛋白,可使腺苷酸环化酶活化 [7]。受体GCGR和天然配体胰高血糖素结合,调节体内血糖平衡,是2型糖尿病的重要药物靶标 [8]。有研究提示B类GPCR的胞外区(ECD)和跨膜区(TMD)均参与肽类配体的结合 [9]。虽然GCGR的跨膜区结构被解析,但全长蛋白结构的解析具有一定的挑战性。因此,GCGR受体全长蛋白结构的解析对于研究GCGR和配体的互相作用模式及激活机制具有重要的意义。

3、GCGR的信号传导机制

在体内,GCGR与其配体结合,主要通过激活Gs蛋白行使其功能。但越来越多的研究表明,GCGR也可与Gi和Gq等其他类型的G蛋白作用,产生不同的生物学效应,体现了GCGR信号转导过程的复杂性和多样性 [10]。有研究表明,GCGR在未被激活时,其ECD与TMD相互作用会抑制受体活性,与配体的结合,可释放ECD的内在激活特性,使GCGR从抑制状态转为激活状态。

GCGR被配体激活后可调节体内的肝糖合成与分解,从而维持体内的血糖浓度。如图2所示,激活的GCGR通过与异源三聚体Gs结合,诱导腺苷酸环化酶活化,从而产生cAMP,激活蛋白激酶A,使肝糖原分解和糖异生增加,导致体内血糖升高。GCGR/Glucagon还可激活另一条信号通路,即通过偶联Gq使第二信使IP3和Ca2+增加 [11]。进一步探索GCGR与G蛋白结合和激活的结构信息,对受体信号转导机制的认知十分重要。

GCGR的信号通路

图2. GCGR的信号通路

*图片来源于Cancer Epidemiology and Prevention Biomarkers出版物 [11]

4、GCGR在糖尿病等疾病中的作用

我们知道,胰岛α细胞(主要分泌胰高血糖素)和胰岛β细胞(主要分泌胰岛素)是胰岛细胞的两种主要类型,二者在糖尿病的发生发展中扮演了重要的角色,α细胞和β细胞在功能和信号调节上的不平衡是引起糖尿病的一个主要病理原因。所以,糖尿病被认为是双激素失调的一类疾病。

尽管胰岛素的出现开启了糖尿病患者药物治疗的新征程,但许多临床数据表明胰岛素对于糖尿病患者的血糖控制不达标,尤其是在1型糖尿病患者中。因此,还需要更多的研究,来更好的控制糖尿病患者的血糖。早期的许多研究大多集中在胰岛β细胞,对胰岛α细胞的关注相对较少。有研究发现,在1型糖尿病小鼠中,阻断胰高血糖素信号通路后,胰岛β细胞数量也明显增加,并且胰岛α细胞向胰岛β细胞转化是胰岛β细胞数量增多的原因之一 [12]。那么,针对胰高糖素受体GCGR靶点的特异性抗体可促进1型糖尿病动物的β细胞再生,从而有望改善1型糖尿病患者治疗。陆续有研究报道,GCGR还与肾脏、脂肪肝、肥胖等代谢疾病相关 [13]。最值得关注的是,GCGR已在糖尿病研究方面取得了突破进展。目前,GCGR已成为抵抗糖尿病的重要靶点。

5、靶向GCGR的临床应用前景

近年来,随着针对GCGR胰高糖素受体的专一性药物的临床开发,以GCGR为基础的药物在临床被广泛研究应用。在糖尿病治疗方面,科学界和产业界针对GCGR正在尝试多种阻断策略,包括反义寡核苷酸、小干扰RNA、小分子拮抗剂等,靶向GCGR在动物实验和早期临床研究中被证实有较好的降糖疗效。目前,据国际糖尿病联盟(IDF)报告显示,2019年全球20-79岁群体中约有4.63亿人患糖尿病,预计到2030年糖尿病患者会达到5.784亿。血糖控制不佳会导致不可逆的微血管和大血管并发症如视力下降、失明、肾功能不全、外周神经病变、心肌梗死、中风和截肢等。糖尿病发病率高、隐匿性强、并发症严重,这三大特征严重威胁着人类的健康。目前,越来越多的药企正在开发靶向GCGR的药物,用于糖尿病等疾病的治疗(见下表)。

药物名称 研发状态 公司 适应症 最后更新日期
Glucagon (rDNA origin, Lilly)(胰高血糖素(礼来)) 批准上市 礼来制药; 低血糖症;
1型糖尿病;
2020-08-28
Glucagon (rDNA origin, Novo Nordisk)(胰高血糖素(诺和诺德)) 批准上市 诺和诺德制药; 低血糖症; 2020-08-28
Glucagon (Xeris Pharmaceuticals) 批准上市 Xeris Pharmaceuticals;
Xeris Pharmaceuticals Inc;
低血糖症;
高胰岛素血症;
2020-08-28
Glucagon intranasal (Eli Lilly/Locemia Solutions) 批准上市   低血糖症;
1型糖尿病;
二型糖尿病;
糖尿病;
2020-08-28
HM-15136 临床二期 韩美药品株式会社; 先天性高胰岛素血症;
高胰岛素血症;
二型糖尿病;
2021-02-03
Oxyntomodulin (Xenetic Biosciences) 临床二期 Pharmsynthez;
Xenetic Biosciences;
二型糖尿病;
肥胖症;
2020-08-28
volagidemab(沃拉德单抗) 临床二期 Ajinomoto Althea Inc;
安进;
北京科信美德生物医药科技有限公司;
Remd Biotherapeutics;
Remd Biotherapeutics Inc;
二型糖尿病;
1型糖尿病;
糖尿病;
2020-08-28
HM-15211 临床二期 韩美药品株式会社; 非酒精性脂肪肝;
肥胖症;
2021-09-03
Efinopegdutide 临床二期 韩美药品株式会社;
默沙东;
二型糖尿病;
非酒精性脂肪肝;
肥胖症;
终末期肾脏病;
2020-08-28
LY-3437943 临床二期 礼来制药; 超重;
肥胖症;
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)) 临床一期 Translational Research Institute For Metabolism And Diabetes; 肥胖症; 2020-08-28
NN-9277 临床一期 诺和诺德制药; 超重;
肥胖症;
2020-08-28
BioChaperone Glucagon 临床一期 Adocia; 低血糖症;
1型糖尿病;
2020-08-28

数据来源于药渡:https://www.pharmacodia.com/

参考文献:

[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.