GCGR：炙手可熱的血糖調(diào)節(jié)分子，帶來(lái)糖尿病新療法！
日期：2021-10-08 14:02:06
近幾年，隨著糖尿病發(fā)病群體數(shù)量的增加，糖尿病用藥的市場(chǎng)規(guī)模逐年攀升。新品的研發(fā)越來(lái)越受到關(guān)注。GCGR作為調(diào)節(jié)血糖水平和葡萄糖平衡的關(guān)鍵分子，備受業(yè)界關(guān)注。國(guó)外，多款靶向GCGR的生物藥已上市，它們來(lái)自諾和諾德、禮來(lái)等藥企。此外，GCGR聯(lián)合的多靶點(diǎn)受體激動(dòng)劑也成為糖尿病治療領(lǐng)域備受關(guān)注的一個(gè)焦點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外更多的企業(yè)正在入局，這將進(jìn)一步蠶食像諾和諾德、禮來(lái)等跨國(guó)巨頭的市場(chǎng)份額。接下來(lái)，針對(duì)GCGR的藥物研發(fā)，有望掀起市場(chǎng)的熱潮！那么，今天讓我們一起來(lái)了解下GCGR。
1、GCGR的結(jié)構(gòu)和表達(dá)
胰高血糖素受體（Gprotein-coupledreceptor, GCGR）屬于B類(lèi)G蛋白偶聯(lián)受體家族（GPCRs），在維持人體血糖穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮關(guān)鍵作用 [1]。其它相關(guān)的G-蛋白偶聯(lián)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(lèi) GPCRs中的一員，盡管2013年，GCGR的跨膜區(qū)（Transmembranedomain，TMD）被解析。但由于全長(zhǎng)B類(lèi)GPCR構(gòu)象的靈活性和多樣性，其結(jié)構(gòu)解析難度極大，一直是科學(xué)界研究的焦點(diǎn)和難點(diǎn)。目前的技術(shù)手段發(fā)現(xiàn)，B類(lèi)G蛋白受體的特點(diǎn)為：與跨膜區(qū)相連的N端胞外區(qū)（Extracellulardomain，ECD）分子量較大且具有三級(jí)結(jié)構(gòu)。有研究通過(guò)自由電子激光技術(shù)解析全長(zhǎng)GCGR蛋白，發(fā)現(xiàn)其擁有477個(gè)氨基酸，含N端胞外區(qū)、七次跨膜螺旋和第8螺旋結(jié)構(gòu) （圖1）[4]。
GCGR主要在肝臟和腎臟中表達(dá)，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(fā)現(xiàn) [5]。有研究提示GCGR通過(guò)連接胞外和跨膜結(jié)構(gòu)域的肽段，配體結(jié)合引起構(gòu)象變化，觸發(fā)信號(hào)傳遞，調(diào)節(jié)下游效應(yīng)物的活性 [6]。
圖1. GCGR全長(zhǎng)蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu)示意圖
*圖片來(lái)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(xì)胞所分泌，是一個(gè)含29個(gè)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(jìn)分解代謝的激素，促進(jìn)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(guò)GCGR介導(dǎo)。胰高血糖素與受體結(jié)合激活Gs蛋白，可使腺苷酸環(huán)化酶活化 [7]。受體GCGR和天然配體胰高血糖素結(jié)合，調(diào)節(jié)體內(nèi)血糖平衡，是2型糖尿病的重要藥物靶標(biāo) [8]。有研究提示B類(lèi)GPCR的胞外區(qū)（ECD）和跨膜區(qū)（TMD）均參與肽類(lèi)配體的結(jié)合 [9]。雖然GCGR的跨膜區(qū)結(jié)構(gòu)被解析，但全長(zhǎng)蛋白結(jié)構(gòu)的解析具有一定的挑戰(zhàn)性。因此，GCGR受體全長(zhǎng)蛋白結(jié)構(gòu)的解析對(duì)于研究GCGR和配體的互相作用模式及激活機(jī)制具有重要的意義。
3、GCGR的信號(hào)傳導(dǎo)機(jī)制
在體內(nèi)，GCGR與其配體結(jié)合，主要通過(guò)激活Gs蛋白行使其功能。但越來(lái)越多的研究表明，GCGR也可與Gi和Gq等其他類(lèi)型的G蛋白作用，產(chǎn)生不同的生物學(xué)效應(yīng)，體現(xiàn)了GCGR信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程的復(fù)雜性和多樣性 [10]。有研究表明，GCGR在未被激活時(shí)，其ECD與TMD相互作用會(huì)抑制受體活性，與配體的結(jié)合，可釋放ECD的內(nèi)在激活特性，使GCGR從抑制狀態(tài)轉(zhuǎn)為激活狀態(tài)。
GCGR被配體激活后可調(diào)節(jié)體內(nèi)的肝糖合成與分解，從而維持體內(nèi)的血糖濃度。如圖2所示，激活的GCGR通過(guò)與異源三聚體Gs結(jié)合，誘導(dǎo)腺苷酸環(huán)化酶活化，從而產(chǎn)生cAMP，激活蛋白激酶A，使肝糖原分解和糖異生增加，導(dǎo)致體內(nèi)血糖升高。GCGR/Glucagon還可激活另一條信號(hào)通路，即通過(guò)偶聯(lián)Gq使第二信使IP3和Ca2+增加 [11]。進(jìn)一步探索GCGR與G蛋白結(jié)合和激活的結(jié)構(gòu)信息，對(duì)受體信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制的認(rèn)知十分重要。
圖2. GCGR的信號(hào)通路
*圖片來(lái)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(xì)胞（主要分泌胰高血糖素）和胰島β細(xì)胞（主要分泌胰島素）是胰島細(xì)胞的兩種主要類(lèi)型，二者在糖尿病的發(fā)生發(fā)展中扮演了重要的角色，α細(xì)胞和β細(xì)胞在功能和信號(hào)調(diào)節(jié)上的不平衡是引起糖尿病的一個(gè)主要病理原因。所以，糖尿病被認(rèn)為是雙激素失調(diào)的一類(lèi)疾病。
盡管胰島素的出現(xiàn)開(kāi)啟了糖尿病患者藥物治療的新征程，但許多臨床數(shù)據(jù)表明胰島素對(duì)于糖尿病患者的血糖控制不達(dá)標(biāo)，尤其是在1型糖尿病患者中。因此，還需要更多的研究，來(lái)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(xì)胞，對(duì)胰島α細(xì)胞的關(guān)注相對(duì)較少。有研究發(fā)現(xiàn)，在1型糖尿病小鼠中，阻斷胰高血糖素信號(hào)通路后，胰島β細(xì)胞數(shù)量也明顯增加，并且胰島α細(xì)胞向胰島β細(xì)胞轉(zhuǎn)化是胰島β細(xì)胞數(shù)量增多的原因之一 [12]。那么，針對(duì)胰高糖素受體GCGR靶點(diǎn)的特異性抗體可促進(jìn)1型糖尿病動(dòng)物的β細(xì)胞再生，從而有望改善1型糖尿病患者治療。陸續(xù)有研究報(bào)道，GCGR還與腎臟、脂肪肝、肥胖等代謝疾病相關(guān) [13]。最值得關(guān)注的是，GCGR已在糖尿病研究方面取得了突破進(jìn)展。目前，GCGR已成為抵抗糖尿病的重要靶點(diǎn)。
5、靶向GCGR的臨床應(yīng)用前景
近年來(lái)，隨著針對(duì)GCGR胰高糖素受體的專(zhuān)一性藥物的臨床開(kāi)發(fā)，以GCGR為基礎(chǔ)的藥物在臨床被廣泛研究應(yīng)用。在糖尿病治療方面，科學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界針對(duì)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(dòng)物實(shí)驗(yàn)和早期臨床研究中被證實(shí)有較好的降糖療效。目前，據(jù)國(guó)際糖尿病聯(lián)盟（IDF）報(bào)告顯示，2019年全球20-79歲群體中約有4.63億人患糖尿病，預(yù)計(jì)到2030年糖尿病患者會(huì)達(dá)到5.784億。血糖控制不佳會(huì)導(dǎo)致不可逆的微血管和大血管并發(fā)癥如視力下降、失明、腎功能不全、外周神經(jīng)病變、心肌梗死、中風(fēng)和截肢等。糖尿病發(fā)病率高、隱匿性強(qiáng)、并發(fā)癥嚴(yán)重，這三大特征嚴(yán)重威脅著人類(lèi)的健康。目前，越來(lái)越多的藥企正在開(kāi)發(fā)靶向GCGR的藥物，用于糖尿病等疾病的治療（見(jiàn)下表）。
| 藥物名稱(chēng) | 研發(fā)狀態(tài) | 公司 | 適應(yīng)癥 | 最后更新日期 |
|---|---|---|---|---|
| Glucagon (rDNA origin, Lilly)(胰高血糖素（禮來(lái)）) | 批準(zhǔn)上市 | 禮來(lái)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(zhǔn)上市 | 諾和諾德制藥; | 低血糖癥; | 2020-08-28 |
| Glucagon (Xeris Pharmaceuticals) | 批準(zhǔn)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(zhǔn)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(huì)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(jìn); 北京科信美德生物醫(yī)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(huì)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(huì)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(lái)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(shù)據(jù)來(lái)源于藥渡：https://www.pharmacodia.com/
6、GCGR相關(guān)科研產(chǎn)品
Recombinant Human GCGR, partial (Active) (CSB-MP009316HU1)
GCGR Antibody (ELISA, WB, IHC, IF) (CSB-PA009316LA01HU)
為鼎力協(xié)助科研和藥企人員針對(duì)GCGR在糖尿病等疾病中的臨床應(yīng)用研究，CUSABIO推出GCGR活性蛋白（Code: CSB-MP009316HU1）產(chǎn)品，助力您在GCGR機(jī)制方面的研究或其潛在臨床價(jià)值的探索。（點(diǎn)擊查看GCGR系列產(chǎn)品：GCGR蛋白；GCGR抗體）
GCGR蛋白
Recombinant Human Glucagon receptor(GCGR),partial (Active) (Code: CSB-MP009316HU1)
The purity was greater than 95% as determined by SDS-PAGE. (Tris-Glycine gel) Discontinuous SDS-PAGE (reduced) with 5% enrichment gel and 15% separation gel.
Immobilized human GCGR at 2 μg/ml can bind Anti-GCGR recombinant antibody (CSB-RA009316A1HU), the EC50 is 3.747-6.666 ng/mL.
參考文獻(xiàn)：
[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.
