G蛋白偶聯受體（GPCR）的偏向配體：結構 - 功能選擇性關係（SFSR）和治療潛力
J.Med.Chem.鄭建軍教授團隊論文分享
G蛋白偶聯受體（GPCR）通過G蛋白依賴性和G蛋白非依賴性途徑發出信號，β-抑制蛋白募集是後者中最公認的一種。預期對任一途徑具有選擇性的偏向配體以更精確的方式調節GPCR的生物學功能，因此提供具有優異功效和/或降低副作用的新藥物分子。在過去的十年中，已經發現並開發了許多GPCR的偏向配體，例如μ阿片受體，血管緊張素II受體1型，多巴胺D2受體，以及許多其他配體。在該觀點中，通過討論GPCR偏向配體的結構 - 功能選擇性關係（SFSR）和這些分子的治療潛力來回顧該領域的最新進展。進一步了解與每種信號傳導途徑相關的生物學功能和偏向信號傳導的結構基礎將有助於該領域的未來藥物設計。
- 梁坦獲得博士學位。2017年獲中國科學院上海藥物研究所藥物化學專業。現任上海科技大學iHuman研究所博士後研究員。他的研究重點是胺能GPCR，其目的是鑒定具有良好藥物特性的新型偏向激動劑，並研究其作為抗精神病藥物的治療潛力。
- 嚴文忠獲得博士學位。2016年華東理工大學藥物化學專業。在上海化學工業股份有限公司工作一段時間後，他於2017年加入上海科技大學iHuman研究所，擔任博士後研究員。他的研究重點是設計和發現新的GPCR配體，目的是確定用於治療癌症和其他疾病的新型候選藥物。
- John D. McCorvy獲得博士學位。2012年畢業於普渡大學藥物化學與分子藥理學系，並在北卡羅來納大學教堂山分校藥理學系進行博士後培訓。目前，他是威斯康星醫學院細胞生物學，神經生物學和解剖學系的首席研究員。他的研究重點是GPCR激活的結構決定因素，導致信號偏向。
- 鄭建軍獲得博士學位。2010年獲得中國科學院上海藥物研究所藥物化學博士學位，並在伊利諾伊大學芝加哥分校藥物化學與藥理學系獲得博士後培訓。他於2016年成為上海科技大學iHuman研究所的首席研究員，研究副教授。他目前的研究重點是GPCR靶向藥物發現，特別關注GPCR的偏向配體
導論
G蛋白偶聯受體（GPCR）構成人類基因組中最大的膜蛋白家族，有800多名成員。（1）根據「GRAFS」分類系統，GPCR可分為五個家族：谷氨酸，視紫紅質，粘附，捲曲/味2和分泌素，而視紫紅質樣受體也稱為A類，分泌素為B類和谷氨酸作為C類。（2）所有GPCR都具有共同的結構，其特徵在於七個跨膜（7TM）結構域，也稱為七跨膜受體（7TMR），但它們具有不同的生理作用並且可以被激活通過各種刺激，如光子，離子，神經遞質和激素。（3）GPCR是所有已批准藥物的30％以上的目標，並且它們仍然是用於藥物發現的最成功和最有希望的靶蛋白類別。（4,5）
作為膜蛋白，GPCR負責將細胞外信號轉移至胞質溶膠。如其名稱所示，GPCR偶聯G蛋白，其結合併水解鳥苷5-三磷酸（GTP）以介導下游信號傳導。與GPCR相關的G蛋白是異源三聚體，由三個亞基組成：Gα，Gβ和Gγ。Gα蛋白被進一步分成四個主要亞組：Gα 小號，Gα 的i / o，Gα Q / 11，和Gα 12/13。根據特定GPCR偶聯的G蛋白的類型，受體活化可導致第二信使，例如肌醇三磷酸（G q）或環腺苷一磷酸（cAMP）（G s / G i）。
最近，已經鑒定了其他G蛋白非依賴性途徑，並且最公認的途徑是β-抑制蛋白依賴性信號傳導途徑。（6）在GPCR活化後，稱為G蛋白偶聯受體激酶（GRK）的蛋白激酶家族將在其相關的G蛋白被釋放和激活後磷酸化GPCR的細胞內結構域。磷酸化的GPCR將募集β-抑制蛋白，其介導GPCR信號傳導的脫敏，GPCR的內化並因此用於「關閉」信號傳導，導致G蛋白依賴性GPCR信號傳導的負反饋。β-Arrestins還與絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）的激活有關，例如細胞外信號調節激酶1和2（ERK1 / 2）。（7）然而，ERK1 / 2信號傳導可以是G蛋白依賴性或β-抑制蛋白介導的或兩者，這取決於測量應答的細胞環境。已經鑒定了兩種類型的β-抑制蛋白（非視覺抑制蛋白），即β-arrestin1（也稱為arrestin2）和β-arrestin2（也稱為arrestin3），以及兩種視覺抑制蛋白，arrestin1和arrestin4。儘管視覺抑制蛋白僅在視網膜中表達，其中它們調節視紫紅質的功能，但β-抑制蛋白被廣泛表達並且它們調節其他GPCR的信號傳導。目前尚不清楚是否所有招募β-抑制蛋白的GPCR都會引起β-arrestin依賴性信號傳導以及β-arrestin依賴性信號發生的程度。
從歷史上看，假定由特定配體激活產生的GPCR信號傳導在整個系統中顯示出相同的功效，配體的特性稱為「內在功效」。事實上，GPCR活化狀態的當前模型，包括三元和擴展三元複合物模型受體激活，提出受體以「活性」或「非活性」狀態存在，並且還發現了視紫紅質受體的特定激活狀態。（8）1995年，Kenakin在1995年首次描述了GPCR偏向信號傳導的概念。（9）直到積累的證據表明配體能夠顯示出對多種細胞反應的功效才有功能選擇性的概念。或配體偏向開始佔據上風。（10） 「功能選擇性」是較早的術語，僅表示一種或多種功能讀數的功效差異，而「偏向配體」通常涉及相反途徑的正式分析（例如，G蛋白與抑制蛋白），並且可以是定量的。通過鑒定可以直接結合GPCR以穩定單獨的受體活性狀態的G蛋白非依賴性信號傳導（例如，β-抑制蛋白），現在已經假定GPCR以多種不同的構象狀態存在，這是理論概念。 GPCR形成幾個活躍和無活性構象群體的集合。（11）儘管偏倚信號傳導的詳細分子機制尚未得到很好的理解，但據報道，有偏向GPCR配體可誘導獨特的受體構象（圖1），其反過來通過效應子（例如，G蛋白或β-抑制蛋白）激活特定的信號傳導途徑。雖然理論上已經假定由G蛋白偏向配體穩定的GPCR構象不同於由β-抑制蛋白偏向配體穩定的構象，但需要進一步研究以確定GPCR如何採用導致優先選擇的特定構象效應。
圖1.一目了然的偏向信號。GPCR代表來自β2腎上腺素能受體（PDB代碼2RH1）的晶體結構。所代表的GPCR-G蛋白質複合物來自β2腎上腺素能受體-G蛋白質複合物（PDB代碼3SN6），並且所代表的GPCR-β-抑制蛋白複合物來自視紫紅質-β-抑制蛋白複合物（PDB代碼4ZWJ）的結構。在整篇文章中，配體的G蛋白依賴性活性以紅色表示，而G蛋白非依賴性的藍色信號表示。
我們對這一現象的日益了解為GPCR信號傳導研究以及GPCR靶向藥物發現開闢了一個新時代。已經通過在各種藥理學測定中評估配體功效而不是僅僅從經典的G蛋白依賴性測定中發現了偏向配體。隨後，基本上開發和發展了檢測和定量給定GPCR配體的偏置性質的方法。（12）在過去十年中，已經發現並開發了許多GPCR的G蛋白偏向和β-抑制蛋白偏向配體。雖然之前的一些評論總結了該領域的進展，（13-17）在該領域中快速發現新的偏向配體需要進行最新和全面的評估。在本文中，我們總結了A，B和C類中約30種不同GPCR的偏向配體發現的最新進展（圖2，表1），重點是從藥物化學分析的結構 - 功能選擇性關係（SFSR）透視。在許多情況下，已經在臨床前動物模型或臨床試驗中研究了偏向配體的治療優勢（表1）。還討論了可以使用的偏向配體和藥物化學策略的發現中的挑戰。
ADORA1，腺苷A1受體（A1AR）;ADORA3，腺苷A3受體（A3AR）;ADRB1，腎上腺素能β1受體（β1AR）;ADRB2，腎上腺素能β2受體（β2AR）;AGTR1，血管緊張素II受體1型（AT1R）;AGTRL1，apelin receptor（APJ）;CASR，鈣敏感受體（CaSR）;CNR1，大麻素受體1（CB1R）;CNR2，大麻素受體2（CB2R）;CXCR3，趨化因子受體CXCR3;DRD1，多巴胺D1受體（D1R）;DRD2，多巴胺D2受體（D2R）;EDG1，鞘氨醇1-磷酸受體1（S1P1R）;EDNRA，內皮素A受體（ETA）;FPR2，甲醯肽受體2;GLP1R，胰高血糖素樣肽1受體;GRM1，代謝型谷氨酸受體1（mGlu1R）;GRM5，代謝型谷氨酸受體5（組mGlu5R）;HM74，煙酸受體（GPR74A的HM74A）;HRH2，組胺H2受體（H2R）;HRH4，組胺H4受體（H4R）;HTR1A，5-羥色胺1A受體（5-HT1AR）;HTR2B，5-羥色胺2B受體（5-HT2BR）;HTR2C，5-羥色胺2C受體（5-HT2CR）;NTSR1，神經降壓素受體1型（NT1R）;OPRK1，κ阿片受體（KOR）;OPRL1，傷害感受器（NOPR）;OPRM1，μ阿片受體（MOR）;PTGER2，前列腺素E2受體2（EP2R）;PTHR1，甲狀旁腺激素1受體。該圖是基於人GPCR超家族的樹狀圖（Katritch等人的「圖1」，「G蛋白 - 偶聯受體超家族的結構 - 功能」（18）），並得到作者的許可。
A類GPCR偏向配體
視紫紅質樣或A類是最大的家族，占所有GPCR的85％，包括許多藥物靶標以及嗅覺和孤兒受體。許多A類GPCR如胺能受體和嘌呤能受體都是經過充分驗證的藥物靶標，許多新興靶標的可藥性正在臨床前研究和臨床試驗中用候選藥物進行探索。（5）以下討論A類GPCR的偏向配體，由它們相互作用的特定靶標概述。
β腎上腺素能受體（βARs）
βARs可以被遺傳細分為三個亞型：β 1 AR，β 2 AR，β 3 AR，（19）已被公知的長作為藥物靶點所有這些。其中，β 2 AR已經為其晶體結構已經得到解決，並保持作為GPCR的結構和功能研究的原型受體的第一個非人類的視紫紅質GPCR。（20,21）以前鑒定的βAR配體具有共同的結構特徵，因為它們都含有兒茶酚胺骨架，如去甲腎上腺素（1）和異丙腎上腺素（2）所見（圖3））。Drake等人的研究。表明，3個兒茶酚胺衍生物乙基去甲腎上腺素（3），乙基異丙腎上腺素（4），和? -cyclopentylbutanepherine（CPB，5）示出在β標記朝向β抑制蛋白信號途徑的偏置2 AR。（22）這些配體似乎比它們在G蛋白依賴性信號傳導（在cAMP FRET測定中）中的功效更大程度地刺激β-抑制蛋白依賴性受體活性（在β-抑制蛋白易位FRET測定中）。這些化合物與化合物1和2之間的結構比較清楚地表明，偏向配體具有對其β-抑制蛋白募集活性至關重要的共同結構特徵，後者是兒茶酚胺α-碳上的乙基取代基（圖3）。化合物5被表徵為三個（> 2偏置因子）中最偏置激動劑及其β刺激2AR導致快速β抑制蛋白介導的受體內化。（22）
在芳基乙醇胺的芳基和α-碳之間插入「-OCH2- 」單元，提供了一類βAR拮抗劑（也稱為β受體阻滯劑），如美托洛爾（6），卡唑醇（7）和普萘洛爾（8）。 （圖4）。它們的拮抗活性通過抑制G蛋白介導的受體信號傳導來定義，Nakaya等。報道，美托洛爾示出了在β激動劑活性1AR當β-arrestin2的依賴性信號進行測試。（23）他們發現美托洛爾可通過β-arrestin2依賴途徑誘導心臟纖維化和舒張功能受損，儘管美托洛爾用於治療各種心臟病。
Kim等人進行的一項研究。表明，阿普洛爾（9）和卡維地洛（10）（圖4）可以在β刺激β抑制蛋白介導的反式激活EGFR和下游ERK信號1 AR。（24） Wisler等。另據報道，卡維地洛是G蛋白介導的信號的反向激動劑在β 2 AR但β抑制蛋白信號傳導的激動劑，其中後者是通過增加β的磷酸化測定2 AR，ERK活化和受體內化。（25）此外，芳基乙醇胺β-阻滯劑普萘洛爾（8）和ICI-118,551（11））Azzi等人也證明了這一點。通過β抑制蛋白介導的機制來誘導ERK1 / 2的磷酸化在β 2 AR。（26）這些結果一起表明，β-抑制蛋白信號傳導可能在β受體阻滯劑的治療或副作用中發揮重要作用，這不僅僅通過「阻斷」βARs介導的所有作用起作用。
對於這些βAR配體，Liu等人。使用19 F-NMR方法研究了它們的偏置性質的結構基礎。（27）他們的結果表明，相比於平衡原型異丙腎上腺素和卡拉洛爾，分別，乙基異丙腎上腺素和卡維地洛誘導螺旋的β的更大移位VII（TM7）2 AR，其可形成為朝向β-抑制蛋白的信號偏置的結構基礎在β 2AR。通過比較異乙腎上腺素與異丙腎上腺素和卡維地洛與卡唑洛爾的結構，額外的乙基或苯基取代可能直接與受體的TM7相互作用或通過改變配體本身的整體構象。
血管緊張素II 1型受體（AT1R）
AT 1 R是主要的血壓調節劑，並且作為AT 1 R拮抗劑的血管緊張素受體阻滯劑（ARB）是廣泛用於治療高血壓的藥物。與β受體阻滯劑不同，這些ARB中的大多數已被證明是後續研究中G蛋白和β-抑制蛋白信號傳導的平衡拮抗劑。（28）已經預期β-抑制蛋白偏向的AT 1 R激動劑可以參與β-抑制蛋白介導的受體脫敏，內化和相關的信號傳導途徑，可以為充血性心力衰竭提供新的治療方法。
通過對血管緊張素II（Ang II，12，圖5）的序列修飾，Trevena科學家發現肽SII（13）是AT 1 R 的第一個β-抑制蛋白偏向激動劑，其通過用肌氨酸取代Asp 1而設計，和Tyr 4和Phe 8與異亮氨酸。（29） SII結合AT 1個中的R具有中等親和力（一個血管緊張素Ⅱ競爭的方式? d = 300納米），這比血管緊張素II（的下部187倍? d = 1.6納米）。SII的結合不誘導AT 1的偶聯R至G蛋白但引起β-抑制蛋白的募集和受體的內化，並使受體與MAPK途徑的β-抑制蛋白依賴性激活相關聯。為了增強SII的結合親和力，設計了一系列新的Ang II類似物，並且肽TRV120023（14）和TRV120027（15）顯示出對AT 1 R的改善的親和力。（28） TRV120023和TRV120027選擇性誘導β-arrestin2募集（ EC 50 = 44nM和17nM，分別在人AT 1 R），同時拮抗Ang II刺激的G蛋白信號傳導。大鼠的體內研究表明，與平衡的AT 1不同R拮抗劑降低心臟功能，同時降低血壓，TRV120027可增加心臟功能並保持心臟搏動量。（28）這些結果支持β-arrestin偏向的AT 1 R激動劑的開發，用於治療高血壓和心力衰竭，這將提供超過現有ARB的心臟益處。TRV120027已進入臨床評估治療急性心力衰竭（AHF）; 然而，在IIb期試驗（BLAST-AHF）中，它沒有給患者帶來任何益處而不能達到其主要或次要終點。（30）事後分析顯示TRV120027表現出取決於收縮壓的不同效應，並且可以針對狹義的亞組提取陽性數據。（31,32）
阿片類受體
阿片受體在疼痛管理，藥物濫用/成癮和情緒障礙中起著關鍵作用。有四種主要亞型：δ阿片受體（DOR），κ阿片受體（KOR），μ阿片受體（MOR）和nociceptin受體（NOPR）。MOR主要通過阿片類藥物介導最顯著的鎮痛作用。最近，MOR已經成為GPCR的另一個例子，通過選擇性激活與受體偶聯的下游途徑，可以將「靶上」益處與不良反應分開。研究表明，阿片類藥物誘導的鎮痛是由通過MOR 的G i / o信號傳導引起的，而目標副作用，如呼吸抑制和便秘，可能通過β-抑制蛋白依賴性信號傳導來賦予。（14,33,34）因此，已經研究了MOR的G i / o-偏向激動劑以探索其治療潛力。Trevena發現了一項主要發現，他篩選了其內部化合物集合併鑒定了化合物16（圖6）作為新型MOR激動劑。化合物16顯示G蛋白信號傳導的亞微摩爾活化（pEC 50 = 6.3）和較低的MORβ-抑制蛋白募集活性（E max = 32％，與嗎啡的100％相比）。（35）旨在改善其MOR G蛋白效力同時降低β-抑制蛋白募集活性的SAR研究導致鑒定出G蛋白偏向的化合物17。複合與命中化合物相比，圖17顯示出顯著改善的偏置性質; 然而，它會導致心律失常的潛在風險（hERG IC 50 =2.3μM）。進一步針對噻吩部分的SAR研究導致化合物TRV130（18）的發現，其顯示出對G蛋白依賴性信號傳導的類似偏差，但具有稍微降低的hERG抑制（IC 50 =6.2μM）。（35）然而，噻吩是藥物化學中的結構警報，由於代謝負擔需要特別注意。（36）在動物模型中，與嗎啡相比，化合物TRV130顯示出有效的鎮痛作用，減少了呼吸抑制和便秘。（37）這些結果表明，TRV130或其他G蛋白偏向的MOR激動劑可能作為有效的鎮痛葯起作用，副作用小於現有的非偏倚MOR激動劑如嗎啡。TRV130（也稱為奧瑞尼定，OLINVO）已經完成了治療中度至重度急性疼痛的3期臨床試驗，目前正在等待美國食品和藥物管理局（FDA）的批准。如果成功，TRV130將成為市場上同類產品中的第一款。
使用基於結構的方法，Manglik等。最近報道了另一種G蛋白偏向的MOR激動劑。（38）在MOR的晶體結構的基礎上，（39）三百萬個分子在計算上與受體對接，目的是找到能夠在未探測的構象中穩定受體的新型化學型。化合物19（圖6）被鑒定為具有與受體中度結合的MOR激動劑（K i=2.5μM），但顯示出對G i / o信號傳導的強烈偏倚。（38）19的結構修飾導致化合物20的發現（K i= 42nM），其強烈激活G i / o（EC 50 = 180nM，E max = 88％），具有低水平的β-抑制蛋白2募集（EC 50 = 940nM，E max = 9.4％）。最後，結構引導優化20，通過合成其立體化學異構體並引入酚羥基，提供化合物PZM21（21），其在G i / o活化測定中具有4.6nM 的EC 50（E max = 77％） ）和放射性配體結合試驗中的K i為1.1 nM。（38）作為一個有力的G i / o對於MOR具有特殊選擇性和最小β-抑制蛋白2募集的活化劑，PZM21降低了情感疼痛感，並且與嗎啡相比，在小鼠鎮痛劑量下沒有呼吸抑制和嗎啡樣增強活性。（38）然而，在後來的研究中，PZM21在G蛋白和β-抑制蛋白2測定中被證明是低效的MOR激動劑，並且它以與嗎啡類似的方式抑制呼吸。（40）
另一個被發現是有偏見的MOR激動劑的天然產物家族是mitragynine及其類似物。Mitragynine（22，圖6）具有與嗎啡不同的基於吲哚的支架。Mitragynine和該化合物的氧化衍生物，7-OH mitragynine（23），以及另一種重排產物mitragynine pseudoindoxyl（24），都是顯示出作為抗傷害感受劑活性的MOR激動劑。如圖6所示，MOR的效力和功效均從mitragynine逐漸增加至7-OH mitragynine，然後逐漸增加至mitragynine pseudoindoxyl。有趣的是，所有三種化合物對β-arrestin2募集無活性，表明它們是G蛋白偏向的MOR激動劑。（41）儘管所有三種化合物也顯示出與KOR和DOR的顯著結合，但它們僅作為弱拮抗劑而不是作為激動劑起作用。（41）在動物試驗中，mitragynine pseudoindoxyl比mitragynine和7-OH mitragynine表現出更好的抗傷害作用，其效果與嗎啡相當或更強。（41）然而，mitragynine pseudoindoxyl比嗎啡產生的耐受性更慢，並且它表現出更少的副作用，如身體依賴，便秘和呼吸抑制，這進一步證明了G蛋白偏向的MOR激動劑作為新一代優良鎮痛葯的潛力。 。
最近，Schmid等人研究了一系列新的但結構相關的化合物。因為他們在MOR的偏好性質和作為更安全的阿片類鎮痛葯的治療潛力。（42）芬太尼（25）及其類似物舒芬太尼（26）是臨床相關的鎮痛葯，它們顯示出相當的G蛋白活性（在GTPγS結合試驗中）和β-抑制蛋白2募集活性（圖7）。然而，當他們的活動與DAMGO（GTPγS結合，EC 50 = 33 nM（E max = 100％）;β-arrestin2募集，EC 50 = 229 nM（E max）進行比較時= 100％）），兩種化合物都是MOR的β-抑制蛋白偏向激動劑。多個系統用於研究芬太尼，舒芬太尼，嗎啡和哌啶化合物，如SR-17018（27），SR-15099（28），SR-15098（29）和SR-11501（30），以證明其信號。偏見屬性。其結果是，化合物27，28和29是G-蛋白偏置MOR的激動劑在兩個GTPγS結合和cAMP抑制測定，而化合物30是一種β抑制蛋白偏置激動劑（圖7）。（42）另一方面，嗎啡被證明是MOR的平衡激動劑。在熱板和甩尾模型中測試這些化合物的體內功效，並將它們的抗傷害感受效果與呼吸抑制效應進行比較，以計算體內功效的治療窗。該研究的結果顯示，GTPγS結合試驗衍生的偏倚因子比cAMP試驗衍生的偏倚因子更能預測計算的治療窗口，具有較高G蛋白偏倚因子的MOR激動劑顯示出更好的治療效果和更少的呼吸抑制。（42）計算化合物27的偏差因子85在使用GTPγS結合測定衍生的方法的人MOR中，與芬太尼或嗎啡相比，該化合物顯示出更寬的治療窗。儘管來自芬太尼和舒芬太尼結構不同，化合物27 - 30份額整體支架與他們在突出顯示圖7，它似乎右手苯環的二氯取代有助於化合物的G蛋白偏壓特性27，28和29。（42）可以預期這些化合物作為潛在候選藥物的進一步表徵。
與MOR不同，KOR激動劑長期以來被認為是鎮痛葯，沒有成癮和耐受性。（43）然而，大多數KOR激動劑引起其他CNS副作用，例如煩躁不安。（44）同樣，假設鎮痛作用是由G蛋白介導的信號通路引起的，副作用是通過β-arrestin2募集介導的。（45）因此，開發偏向G蛋白信號傳導但缺乏β-抑制蛋白2募集的KOR激動劑將在治療上有益並避免煩躁副作用。（46）
最近，已經報道了許多顯示G蛋白偏向性質的選擇性KOR激動劑。三唑化合物31（圖8）是從高通量篩選（HTS）活動中鑒定的，該活動是在DiscoveRxβ-抑制蛋白PathHunter測定中顯示中等功能效力的KOR激動劑（EC 50 = 0.87μM ，E max ~140％比較）參考化合物U69,593），對MOR和DOR具有高選擇性。（47）針對苯環的進一步結構修飾和SAR研究導致發現了一系列顯示G蛋白偏向活性的三唑類似物。其中，化合物32顯示出高效力（EC 50在[ 35 S]GTPγS結合測定中，= 31nM ，E max = 94％），比U69,593（EC 50 = 52nM ，E max = 100％）稍微更有效。（47）然而，化合物32在兩種不同的β-抑制蛋白2測定中顯示出低得多的效力（EC 50 = 4129,3138nM，32，相對於131和205nM，U69,593）。（48）在下游信號傳導途徑中化合物的進一步表徵中，化合物32顯示出比未偏向激動劑U69,593（EC 50 = 5.4nM）更低的ERK1 / 2磷酸化效力（EC 50 = 329nM ）。（48）當呋喃取代基被取代為吡啶環時，化合物33保持對β-蛋白酶2募集的G蛋白信號傳導（EC 50= 76nM，E max = 98％）的偏倚（EC 50 = 10,090nM，E max = 101％） ）。（49）在這些研究中，ERK1 / 2激活與G蛋白和β-抑制蛋白信號平行測試，結果表明ERK1 / 2激活的偏倚可以改變，同時保留G蛋白偏向性質。 β-抑制蛋白募集，支持KOR ERK活化可通過G蛋白依賴性或β-抑制蛋白依賴性信號傳導途徑發生。（49）
Frankowski等人的另一項篩選計劃。導致在cAMP抑制測定（EC 50 = 63nM）中發現異喹啉酮化合物34（圖8）作為選擇性KOR激動劑，在MOR，DOR和其他GPCR的KOR結合測定中顯示出高選擇性。（50）有趣的是，用2-氟苄基取代2-苄基，同時用甲基取代氯，得到G-蛋白質偏向的配體35。它在[ 35]中證明了相當的效力（EC 50 = 85 nM，E max = 89％）S]使用U69,593作為參照化合物的GTPγS結合測定，但顯示弱β-抑制蛋白2募集（EC 50 >10μM）。（48）在小鼠甩尾試驗中證明化合物32和34都是腦滲透劑併產生抗傷害感受，這與這些化合物在基於細胞的試驗中有效激活G蛋白依賴性信號傳導的能力相關。（48）
Salvinorin A（36，圖8）是萜類化合物，最近已由White等人鑒定。作為人和小鼠KORs的平衡KOR激動劑。（51,52）然而，用2-硫氰基乙醯氧基取代2-乙醯氧基得到化合物RB-64（37），其顯示出刺激G蛋白信號傳導的有效活性（cAMP測定，EC 50 = 5.2nM，E max = 99％）但β-arrestin易位（EC 50 = 1,130 nM）和小鼠KOR內化測定的效力低得多，表明RB-64是G蛋白偏向的（偏差因子= 96）。（52）使用野生型和β-arrestin2敲除小鼠的體內研究顯示RB-64對運動協調，鎮靜或快感缺乏沒有影響，表明這些KOR相關的副作用可能是由β-抑制蛋白2信號傳導途徑介導的。
Rives等。據報道，納曲吲哚衍生配體6-GNTI（38，圖8）是G蛋白激活（基於BRET）和cAMP抑制試驗中的有效部分激動劑，與參比激動劑乙基β-環己嗪相比，它是一種拮抗劑，用於募集在HEK-293細胞中β-抑制蛋白2（基於BRET）。（53）隨後，Schmid等人。證實了這種體外偏倚的描述，並在培養的紋狀體神經元中進一步探索了它。（54）據報道6-GNTI在紋狀體神經元中激活Akt但不激活ERK1 / 2，而U69,593激活這兩種激酶，表明KOR利用β-抑制蛋白2激活內源性環境中的ERK。（54）考慮到Lovell等人的結論，（49）表明ERK激活可以通過G蛋白依賴性或β-arrestin依賴性信號通路發生，了解ERK激活與G蛋白和β-arrestin信號通路的相關性。需要進一步研究。
同時，最近的一些研究質疑了G蛋白偏向的KOR激動劑對疼痛控制的治療益處。例如，nalfurafine（39，圖8）已被證明是人和大鼠KOR（分別為hKOR和rKOR）的G蛋白偏向激動劑，其中G蛋白活性被測量為早期ERK磷酸化和β-抑制蛋白介導的活性作為p38MAPK信號傳導的晚期（圖8）。（55）Nalfurafine已被日本批准用於治療尿毒症瘙癢症，但nalfurafine或任何其他KOR激動劑尚未被批准用於治療疼痛。Lazenka等。據報道，在動物模型中，納曲富引起的疼痛/瘙癢刺激行為的減少可能反映了動機行為的非選擇性減少而不是鎮痛作用。（56）需要進一步的研究來證明KOR激動劑是否可以作為有效的鎮痛葯，以及G蛋白偏向的KOR激動劑是否在臨床上更安全地治療其他KOR相關疾病。
最近發現的阿片受體家族成員是NOPR，也稱為傷害感受肽/孤啡肽FQ（N / OFQ）受體。理解NOPR藥理學的進展支持它作為疼痛治療和藥物濫用的潛在藥物靶標。（57）最近，Chang等人。通過定量分析新型NOPR選擇性配體以及市售的基於小分子和肽的NOPR配體，對NOPR進行了第一次功能選擇性分析。（58）結果，化合物MCOPPB（40，圖9）被表徵為G蛋白偏向的NOPR激動劑，約為10 5 - 在G蛋白介導的cAMP抑制測定中比在β-arrestin1和β-arrestin2募集中更有效。此外，螺哌啶支架化合物NNC 63-0532（41），（59）是NOPR的部分激動劑，也顯示出對G蛋白途徑的顯著偏向，並且在β-抑制蛋白募集試驗中顯示出較低的功效。（58）有趣的是，J113,397（42）對NOPR的平衡拮抗作用轉化為G蛋白偏向激動作用，通過用十氫化萘-1取代環辛基甲基，對配體的「信息」部分進行微小的結構修飾。如在RTI-4229-819（43）中的甲基，或在RTI-4229-856中的異丙基環己烷（44））。兩種化合物在NOPR（pEC 50 = 7.14和8.14）分別具有中等至高效力，並且對β-抑制蛋白途徑具有良好的功能選擇性。（58）
阿片受體是疼痛控制的非常重要的藥物靶標，並且已經廣泛努力發現這些受體的新型偏向激動劑。雖然β-抑制蛋白介導的信號傳導在與這些受體相關的治療/不良反應中的作用尚未完全了解，但未來的探索將受益於偏向配體作為工具化合物的可用性。如果最先進的化合物TRV130獲得FDA批准，這將是一個里程碑，這肯定會促進GPCR偏向配體的發現。
多巴胺受體多巴胺受體包含五種亞型，其可分為兩個亞家族，D 1樣（D 1和D 5）和D 2樣（D 2，D 3和D 4）受體。（60） D 2受體（D 2 R）是神經系統疾病中最重要的藥物靶點之一，是治療帕金森病，精神分裂症和其他情感障礙的藥物的主要靶點之一。（61）精神分裂症的治療傳統上涉及典型的抗精神病葯，其阻斷D 2 R作為拮抗劑或反向激動劑的功能; （62）然而，新一代抗精神病葯靶向D 2 R作為部分激動劑，由阿立哌唑（45，圖10）代表。（63）雖然這些藥物已成為精神分裂症治療的基礎，但它們中的大多數要麼不如預期有效，要麼具有不良副作用，包括遲發性運動障礙，這是由於長期使用典型抗精神病藥引起的不可逆運動障礙。（64）阿立哌唑已報道誘發運動障礙，以及。（65）
在阿立哌唑的支架的基礎上，已經發現了許多有偏見的D 2 R激動劑，並且描述了它們作為動物模型中潛在抗精神病葯的作用。（66-69）例如，陳等人。通過多樣化的藥物化學策略研究了阿立哌唑類似物的SFSR。（68）如總結於圖10中，哌嗪的結構修飾，連接子，和二氫喹啉酮部分的導致化合物的發現UNC9975（46），UNC9994（47），和UNC9995（48），它被證明是D 2處的高親和力β-抑制蛋白偏向配體R.這些化合物是有效的用於d 2而示出了在G蛋白依賴性cAMP分析沒有顯著活動Rβ抑制蛋白募集。在精神病的動物模型中，化合物UNC9975和UNC9994顯示出對苯丙胺（AMPH）和苯環利定（PCP）刺激的過度運動的有效抑制，其在β-arrestin2敲除小鼠中減弱或完全消除。（67,70）這些結果表明，D 2 R的β-抑制蛋白信號傳導是這些化合物的抗精神病功效的重要貢獻者。這些β-抑制蛋白偏向的D 2R配體UNC9975和UNC9994也減少了PCP治療或NR1敲低性低谷氨酸能小鼠的精神分裂症樣行為，但誘導了比典型的抗精神病藥物和D 2 R拮抗劑氟哌啶醇更低水平的強直性昏厥。（70）來自該系列化合物的SFSR結果顯示，對GPCR配體的輕微結構修飾可以為配體提供不同的信號傳導偏向性質，並且已知的藥物分子可以用作用於發現新的偏向GPCR配體的先導化合物。
已經基於阿立哌唑的相同支架鑒定了具有針對D 2 R 的相反藥理學的偏向配體，即偏向於刺激G蛋白信號傳導途徑。M?ller等人。據報道，阿立哌唑的雜環附加物與吡唑並[1,5- a ]吡啶部分的生物等排替代物導致化合物49，其在G蛋白信號傳導中表現為有效的部分激動劑，但作為β-arrestin2募集的拮抗劑。 。（71）在還示出圖10通過向UNC9995的苯並噻唑引入2-甲基基團並將中間連接基從丙氧基轉變為丁氧基，Chen等人。意外地將β-抑制蛋白偏向的UNC9995轉化為G蛋白偏向的D 2 R激動劑50。（72）進一步的SFSR研究集中於化合物50的兩個芳族部分，得到化合物51，其顯示對β-抑制蛋白募集沒有活性，因此對G蛋白偏向的D 2 R部分激動劑沒有活性。最後，化合物49和51的結構雜交得到化合物52，這是一種高效的G蛋白偏向的部分激動劑，在D 2 R 沒有β-抑制蛋白募集活性。（73）化合物52的體內抗精神病活性也在大鼠行為模型中進行了研究，（73）似乎更多比阿立哌唑治療有效抑制AMPH誘導的高運動活性。相比的化合物的結果46 - 48，由於d的兩個G蛋白偏置和β抑制蛋白偏置激動劑2 r具有被證明是有效的抗精神病藥物，需要對每個角色的完整理解進一步的研究信號通路在精神分裂症的病理和治療中發揮作用。
最近，通過基於結構的方法也發現了具有偏向性質的新型阿立哌唑類似物。（74）如圖11所示，阿立哌唑的二氯苯基 - 哌嗪部分用化合物53中的吲哚 - 哌嗪代替。該吲哚 - 哌嗪化合物在G i / o介導的cAMP抑制和β-arrestin2募集測定中顯示出相當的活性，β抑制蛋白信號傳導的弱偏差因子為2.5。在與D 2 R同源模型的分子對接的基礎上，化合物53的吲哚NH預測以形成跨膜5（TM5）與Ser5.42氫鍵，這已被證明有助於G蛋白依賴性的信號對β 2腎上腺素能受體（圖11）。受來自5-羥色胺5-HT 2B受體的結構信息的啟發，（75）其中配體與EL2上的疏水殘基的相互作用似乎促進β-抑制蛋白募集，添加甲基以通過Ser5.42相互作用排除G蛋白依賴性信號傳導。而是促進EL2疏水相互作用。該策略產生N-甲基化合物54，其在D 2處顯示β-抑制蛋白募集並且沒有G蛋白依賴性信號傳導活性。R.為了加強與EL2上的異亮氨酸殘基的疏水相互作用，將第二個甲基引入吲哚環的2位，得到化合物55。與化合物54相比，化合物55對β-抑制蛋白2募集的效力和功效均顯著增強，導致β-抑制蛋白偏向因子為20（圖11）。（74）這是使用GPCR結構信息來合理設計GPCR的偏向配體的第一個例子。
Cariprazine（56，圖12）是阿立哌唑的類似物，並於2015年被FDA批准用於治療精神分裂症。這股1,4-二取代的芳族哌嗪阿立哌唑（1,4-DAP）的支架，並且是d2R和d3- [R部分激動劑與朝向d更高的親和力3R.（76）Shonberg等。據報道，使用多巴胺作為參考化合物，相對於ERK1 / 2的磷酸化，卡立嗪顯示出刺激D2R介導的cAMP產生抑制的230倍偏倚。（77）在他們的研究中，轉導係數（τ/KA.計算cAMP抑制和ERK1 / 2磷酸化作為激動劑活性的量度。將log（τ/KA）的值標準化為多巴胺以給出Δlog（τ/KA）的值，其在每個配體的途徑之間進行比較以給出ΔΔlog（τ/KA）的值，偏差的定量測量在兩種不同的途徑之間。用氨基甲酸叔丁酯取代卡西嗪的N，N-二甲基脲尾基團得到化合物57（圖12），其顯示對cAMP抑制的偏向與ERK1 / 2磷酸化相比降低。（77）分子模擬研究表明，間隔區和尾區的這些細微變化可以影響正位囊內的頭部基團的取向，並且這些不同的取向可能構成偏向激動的模式的基礎。（77）在後來的研究中，Szabo等人。發現當環己烷向五碳間隔基（化合物58）開放時，G蛋白信號傳導的偏差得到改善。（78）保持這種五碳間隔基，當尾基變為噻吩並吡啶時，取代模式對配體偏差有顯著影響。如圖12所示，雖然5-氯-6-甲氧基-4-甲基類似物59沒有偏差，但4,6-二甲基類似物60顯示出對G蛋白信號傳導的顯著偏差。（78）有趣的是，當化合物61中的59-二氯取代模式變為2-甲氧基時，化合物在cAMP測定中的功效降低，而ERK活性增強，因此導致偏差逆轉（a）負ΔΔlog（τ/KA）值）。
值得一提的是，雖然化合物56 - 61已經研究了它們的d的偏置激動2在兩個不同的測定R，它尚不清楚d是否ERK磷酸化2 R是G蛋白依賴性或β抑制蛋白依賴性。事實上，據報道G蛋白負責調節D 2 R 的ERK磷酸化，並且β-抑制蛋白可能起抑制作用。（79）因此，需要進一步研究這些化合物（即，在β-抑制蛋白募集試驗中）以充分證明它們的偏向性質。
最近，Bonifazi等人。報道了sumanirole的新型二價衍生物（62，圖13），其在D 2 R 處顯示出偏向性質。（80） Sumanirole是一種選擇性D 2 R激動劑，已在臨床試驗中用於治療帕金森病和不安腿綜合症但從未被批准過。（81,82）據推測，sumanirole與D 2的正位結合口袋結合R與多巴胺相同。通過接頭將次級藥效團連接到sumanirole的主藥效團上，其產生二價配體，其可能與正構結合口袋和二級結合口袋結合。合成了三個系列的化合物，並且化合物63被鑒定為與sumanirole相比優先於G蛋白信號傳導的偏向配體，其中β-arrestin / cAMP 的EC 50比率為517（154nM 對0.3nM），表明偏好G蛋白依賴性信號傳導。
最近，We??wer等人。表徵具有新型支架的β-arrestin偏向的D2R拮抗劑。（83）如圖14所示，來自高通量篩選的命中化合物BRD7640（64）是D2R /β-抑制蛋白途徑的微摩爾拮抗劑（EC50=2.14μM，Emax= 80％）和Gi/ cAMP途徑的部分激動劑（EC50=0.12μM，Emax= 75％）。在他們最初的SAR探索中，BRD7640的吡咯烷核被非手性4-哌啶核取代，在兩種測定中將其轉化為激動劑（65））。引入ortho CF3導致發現BRD5814（66，圖14），其在β-抑制蛋白測定中顯示拮抗活性（EC50=0.061μM，80％），但在G蛋白測定中顯示激動劑活性（EC50）=0.54μM，85％）。基於對接結果，有人建議BRD5814的鄰位CF3基團與H3936.55相互作用，H3936.55是D2R中偏向信號傳導的主要決定因素，（84）並防止其旋轉，導致G蛋白優選的活性構象。BRD5814在苯丙胺誘導的過度運動小鼠模型中表現出功效，在旋轉棒性能測試中具有降低的運動副作用。（83）
D 2 R已被廣泛研究的GPCR，其具有針對G蛋白和β-抑制蛋白途徑的鑒定的偏向配體，顯示激動劑，部分激動劑或拮抗劑譜。對於許多這些配體，已經在動物的功效和副作用模型中證明了治療潛力。然而，在這個階段，尚不清楚哪種信號傳導途徑與該受體的治療或副作用更相關，以及理想配體應該具有什麼樣的特徵以便在臨床中顯示最佳治療效果。有必要在該領域進一步研究。同時，儘管D 2 R多年來一直是經過驗證的藥物靶點，但它的晶體結構最近才在非活性構象中得到解決，（85）預計未來將有更多基於結構的藥物設計。
D 1 R也是一種重要的藥物靶點，顯示出治療各種神經精神疾病的巨大潛力，包括帕金森病和與精神分裂症相關的認知障礙。然而，諸如低血壓和耐受性的顯著副作用已經排除了許多候選化合物的批准。因此推測D 1 R 上的偏向激動劑可能提供沒有上述副作用的新型治療劑。（86,87）康羅伊等人。研究了一組取代的苯並氮雜化合物的偏好性質，如圖15 所示。（86）化合物SKF38393（67），SKF75670（68分別具有與其氮原子連接的氫，甲基和烯丙基取代基的SKF-77434（69）在G蛋白介導的cAMP累積測定中表現為非常有效的激動劑，同時沒有顯示出可辨別的β-抑制蛋白募集。當作為拮抗劑測試時，這些化合物顯示出對多巴胺誘導的β-抑制蛋白募集和D 1 R內化的有效抑制。引進氯原子到兒茶酚苯環導致偏壓在損失? -H和? -烯丙基化合物（70，72，73，和75），但不? -甲基化合物SKF83959（71）和SKF82957（74）。來講β抑制蛋白與cAMP EC 50分比，化合物67，68，69，71，和74代表了最偏置GPCR配體迄今為止所報道，並且在其他測定和動物模型預計其應該顯示其治療優勢進一步表徵與平衡的D 1 R配體相比。
然而，兒茶酚具有差的葯代動力學性質，例如可忽略的生物利用度和低中樞神經系統（CNS）滲透，這阻礙了諸如臨床藥物之類的化合物的開發。最近，Gray等人。已經報道了已經觀察到G蛋白偏好性質的D1R的非兒茶酚激動劑。（88）如圖16所示，化合物PF-4211（76）從大約300萬種化合物的HTS中鑒定，並且作為非兒茶酚D1R激動劑顯示出適度的效力和功效（EC50= 2,519nM，Emax）cAMP測定中= 42％）。廣泛的SAR研究和迭代藥物化學優化導致發現化合物PF-8294（77）和PF-6142（78），它們是具有良好葯代動力學特徵的有效和選擇性D1R激動劑。更重要的是，在用化合物處理細胞2小時後，這些化合物對受體沒有顯示出明顯的脫敏作用，而對於兒茶酚D1R配體如多巴胺和二氫西汀則測量到顯著的脫敏作用。在該研究中，測量β-抑制蛋白募集的活細胞全內反射熒光顯微鏡成像測定顯示化合物77和78顯示β-arrestin募集受損。在一項動物功效研究中，該系列中另一種化合物的口服給葯導致非人類靈長類眨眼反應（89）和單側6-OHDA病變嚙齒動物帕金森病模型的強效和更持久的作用。（88）
5-羥色胺受體
5-羥色胺受體（也稱為5-HT受體）是多種藥物的靶標，包括許多抗抑鬱葯，抗精神病葯和減食慾葯。（90）所有5-羥色胺受體都是GPCR，除了5-HT 3受體，它是配體門控離子通道。就信號傳導偏倚而言，5-HT 2A / 2C受體是最早報道功能選擇性配體的GPCR之一; （91）然而，最近才探索了特定下游信號傳導途徑（例如，G蛋白與β-抑制蛋白）的詢問。
麥角胺（79，圖17）是一種具有抗偏頭痛特性的天然麥角靈生物鹼，是許多5-羥色胺受體的激動劑。（92）與大多數麥角胺一樣，例如迷幻劑麥角醯二乙胺（LSD），據報道麥角胺在5-HT 2B受體上具有β-抑制蛋白偏向。（75,93）與麥角胺共結晶的5-HT 2B受體和5-HT 1B受體的結構分別揭示了這些受體的β-抑制蛋白偏向和無偏「活性」狀態。（93,94）這些研究為偏倚信號提供了第一個結構特徵，這反過來將指導其他GPCR的偏倚配體的合理設計。隨著更多偏向的GPCR配體的發現，將來預期會有更多具有與受體結合的偏向配體的晶體結構。
5-HT 2亞家族的另一成員5-HT 2C受體已被證明是各種CNS疾病的潛在藥物靶標，例如肥胖症，精神分裂症和藥物成癮。（95,96）我們已經報道了2-芳基環丙基甲胺如化合物80（圖17）顯示出對β-結合蛋白2募集的G蛋白信號傳導的功能選擇性。（97）與5-羥色胺相比，化合物80在鈣通量和磷酸肌醇水解測定中顯示較少的受體脫敏，這是預期β-抑制蛋白2募集效力較弱的結果。最近，我們發現在伯胺中引入甲基取代導致顯著的G蛋白偏向化合物81，儘管在鈣通量測定中效力降低20倍（EC 50 = 23 nM對1.2 nM）觀測到的。（98）當化合物82中取代基擴大成2-甲氧基苄基時，G蛋白信號傳導的效力沒有變化，但β-抑制蛋白2的募集恢復; 因此，與81相比，功能選擇性降低。未來的研究需要闡明功能選擇性對該受體在體內作用方面的作用。
另外的5-HT 1個亞型，5-HT 1A受體，一系列長鏈芳基哌嗪的已被表徵為功能選擇性激動劑G蛋白依賴性cAMP抑制與β-arrestin2的募集。（99）如在所示圖17中，所有的芳基哌嗪（83 - 85）顯示G蛋白介導的cAMP的抑制過β-arrestin2的招募一個相當大的偏愛相對於兩者的效力和功效。與四氫萘基類似物83和85相比，萘基衍生物84顯示出強的通路偏好。，表明這些芳基哌嗪衍生物的末端片段的修飾可能提供有利於G-蛋白依賴性信號轉導而不是β-arrestin-2募集的途徑選擇性化合物。沒有報道這些化合物的體內作用。組胺受體組胺是一種神經遞質，通過與四種類型的G蛋白偶聯的組胺受體（H 1 R-H 4 R）結合而在細胞事件中發揮生理作用，這些受體在各種細胞類型中差異表達。例如，H 2 R主要參與胃酸生成，並且是治療胃酸相關病症的經典藥理學靶標。（100）關於配體偏倚性質，對常用的H 2 R阻斷劑法莫替丁的回顧性研究已經證明，儘管在cAMP測定中是反向激動劑，但法莫替丁模擬了組胺對受體脫敏和內化的影響。（101）這增加了以下結論：對於許多已知在常規G蛋白測定中被表徵為拮抗劑或反向激動劑的已知GPCR配體，它們可以具有關於受β-抑制蛋白介導的受體脫敏和內化的積極功效。
組胺受體的另一種亞型H 4 R代表了諸如氣道炎症，炎性腸病和特應性皮炎等病理學的有希望的治療靶標。（102）最近，已經報道了對許多H 4 R拮抗劑的偏向信號傳導的比較研究。化合物JNJ-7777120（86，圖18），其最初被鑒定為H 4 R 的選擇性拮抗劑，（103）被表徵為β-抑制蛋白偏向激動劑。它在[ 35 S]GTPγS結合試驗中沒有顯示出作用，但在β-抑制蛋白2募集試驗中顯示出有效的部分激動劑活性（pEC 50）。= 7.9，E max = 64％）。（104）基於其indolecarboxamide支架，最近開發了各種JNJ-7777120類似物，其具有與β-抑制蛋白2相似的偏向性質，但有趣的是，發現硝化化合物87是平衡的hH 4 R激動劑。（105）與這些吲哚甲醯胺不同，異硫脲化合物在相對適度的結構變化時提供更廣譜的效力。例如，將2-Cl取代引入無偏H 4 R拮抗劑VUF9107（88）的苯基，將其轉化為G蛋白偏向型激動劑VUF5222（89））和3-Cl取代將其轉化為β-抑制蛋白2偏向的化合物VUF5223（90）。（106）還報道了其他化學類別的G蛋白偏向配體，包括VUF10778（91）和VUF10185（92）和β-抑制蛋白2偏向配體VUF10214（93）。（106）只有少數H 4 R拮抗劑已進入臨床試驗，JNJ-7777120由於半衰期短和臨床前毒性從未進入臨床試驗，但它作為顯示其作用的工具化合物。 H 4 R炎症和瘙癢。（107）
大麻素受體
大麻素受體是在生理學中起重要作用的GPCR家族，（108）其主要具有兩種亞型CB 1 R和CB 2R（其他推定的大麻素受體包括GPR18和GPR55）。CB 1 R主要在CNS中表達，而CB 2 R在免疫系統中表達，並且它們都是引起很多關注的重要藥物靶標。（109-111）兩篇最近的綜述文章總結了這些受體的配體偏倚現象（112,113），下面重點介紹了一些研究。
CB 1 R主要與G i / o偶聯，但在被特異性激動劑激活時也觀察到與G s和G q偶聯。（112）一系列證據表明，大多數CB 1激動劑不能均等地激活相關的G蛋白，因此顯示出對特定下游信號傳導途徑的功能選擇性。例如，合成大麻素WIN-55212（94，圖19）同樣有效抑制（G i）和刺激（G s）cAMP積累（E max）兩者均歸一化至100％），而內源性大麻素anandamide（AEA，95）有利於G i超過G s（E max = 81％對27％）。（114）
還研究了G蛋白依賴性信號傳導與β-抑制蛋白信號傳導之間CB 1 R配體的偏向性質。例如，使用紋狀體中型多棘神經元投射的細胞培養物模型，所述內源性大麻素2-花生四烯酸甘油酯（2-AG，96，圖19）和AEA，所述phytocannabinoidsΔ 9 -四氫大麻酚（THC，97）和canabidiol（CBD，98），和合成大麻素CP-55940（99）和WIN-55212已經在CB為他們的信令偏壓特性評價1 R，在其中G相關聯的各種信號傳導活性的i / o，G 小號，G q和β-arrestin1。（115）最近使用同一組的Black和Leff操作模型對信號偏差進行了量化，並且比較了野生型和突變亨廷頓蛋白之間的效應。（116）在這些研究中，在pERK1 / 2測定中評估了G i介導的活性，並且通過BRET 2定量了CB 1 R和β-抑制蛋白1之間的相互作用。（116）使用WIN-55212作為參照化合物，顯示2-AG和AEA是G i-偏向的並且標準化CB 1 R蛋白水平和改善的細胞活力，而CP-55940和THC是β-抑制蛋白1偏向的並且減少CB 1亨廷頓氏病（HD）細胞中的R蛋白水平和細胞活力。（116）與文獻一致，CBD不是CB 1 R激動劑，但它抑制THC依賴性信號傳導。配體偏壓和細胞活力之間的相關性表明，增強? I / O 1-偏移源性大麻素信號可以是HD治療上有益的，而β抑制蛋白偏置大麻素如THC可能是有害的CB 1個信令在HD其中CB 1水平已經減少了。（116）
由於CB 1 R和CB 2 R 之間的序列相似性（44％總體同一性，TM區域中68％），（117）一些上述CB 1激動劑由於其弱選擇性也激活CB 2 R. 這些化合物WIN-55212和CP-55940的特徵在於它們在CB 2 R的Atwood等人的功能選擇性特性。（118）發現化合物WIN-55212誘導β-arrestin的募集程度遠低於CP-55940在CB 2 R，而WIN-55212不僅不會導致受體內化，而且還會拮抗CP誘導的作用。 -55940。（118）這些化合物隨後在更多功能測定中與更多CB 2 R配體一起被研究，其中對它們的偏倚活性進行了分析並計算了偏倚因子。（119）如圖20所示，使用CP-55940作為參考化合物，WIN-55212，THC，JWH-133（100），HU-308（101）和JWH-015（102）表現為G蛋白偏愛的部分激動劑，而AM-1248（103），STS-135（104）和UR-144（105））顯示β-抑制蛋白偏向性質。值得注意的是，在每個化學類別中，即植物大麻素和類似物（CP-55940，THC，JWH-133和HU-308）或合成吲哚（AM-1248，STS-135，UR-144）和JWH-015），儘管有輕微的結構差異，但已經觀察到相反的偏置特性（圖20）。同時，據報道，雖然利莫那班（106）在G i介導的cAMP抑制和β-抑制蛋白募集試驗中表現為CB 2 R 的反向激動劑，但吲哚化合物AM-630（107）顯示出反向激動劑活性。在G i信號傳導中，但在抑制蛋白募集中具有部分激動劑活性（圖20）。（119）
針對CB 1 R作為反向激動劑，利莫那班已被批准用於治療肥胖症，但由於CNS副作用而迅速撤回。（120）植物性大麻素THC及其類似物nabilone已被批准用於治療癌症和HIV患者的疼痛和噁心，但THC的致幻作用已眾所周知。CB 1 R或CB 2 R上的偏向配體是否能夠提供更安全的治療仍有待觀察，因為尚未了解上述偏倚性質如何與治療或不需要的副作用相關。有必要進一步研究這方面的問題。
Apelin Receptor（APJ）APJ是1993年被發現的A級GPCR，（121），它被認為是心血管疾病的潛在目標。（122）已經證實，apelin對APJ的激活觸發細胞內G蛋白依賴性信號傳導途徑，其增加心肌收縮性和血管舒張，但機械拉伸激活APJ介導的β-抑制蛋白信號傳導，其導致心臟肥大。（123）因此，從藥物發現的觀點來看，G蛋白偏向的APJ激動劑對治療心力衰竭更有效。
基於[Pyr 1 ] apelin-13（108，圖21 ）的肽序列，其是apelinergic肽的主要活性形式，Brame等。設計了一系列環狀類似物，旨在發現APJ的偏向激動劑。（124）在設計的100多種肽中，MM07（109）被鑒定為G蛋白偏向的激動劑，其具有由兩個半胱氨酸殘基之間的二硫鍵橋形成的分子內大環（圖21）。在β-抑制蛋白募集試驗中，MM07的效力比[Pyr 1 ] apelin-13低約790倍，而在受體內化試驗中，MM07的效力低約215倍。（124）鑒於MM07在[Pyr 1 ] apelin-13 的G蛋白依賴性隱靜脈收縮試驗中具有相當的效力（MM07為pEC 50 = 9.54，[Pyr 1 ] apelin-13 為9.93 ），這些轉化為對於MM07，偏向因子分別為~350倍（針對β-抑制蛋白募集）和~1300倍（針對受體內化）。在人類志願者的大鼠心輸出量實驗和前臂血流測試中證實了MM07相對於[Pyr 1 ] apelin-13 的治療優勢，其支持APJ受體的偏向激動可以轉化為體內改善的功效。（124）
穆爾扎等人。還報道了一系列apelin的大環類似物，如110，顯示出作為APJ激動劑的偏向性質。（125）肽110在其支架中摻入17元環並且在G蛋白測定中顯示出納摩爾效力，具有針對β-抑制蛋白募集的優異功能選擇性。儘管效力低於[Pyr 1 ] apelin-13，但已證實110的信號偏差明顯改善。作者從SFSR結果得出結論，C末端芳香族殘基的位置和性質是APJ相互作用和β-抑制蛋白募集的決定因素。（125）這與先前的報道一致，即C-末端苯丙氨酸的缺失提供了具有降低的β-抑制蛋白活性的類似物，因此變得偏向於G蛋白信號傳導。（126）然而，化合物110未能在體內誘導降血壓作用，而較少偏向的類似物誘導平均動脈血壓顯著下降。其原因可能是由apelin類似物引起的APJ的降血壓作用取決於這些配體募集β-抑制蛋白並誘導受體內化的能力。（126）然而，這些結果支持這樣的觀點，即與特定GPCR偶聯的不同信號傳導途徑可以是相同受體的不同生理功能的介質，並且偏向配體可以是用於研究這種效應的有用探針。
對於小分子APJ激動劑，Read等。據報道，化合物CMF-019（111，圖21），Sanofi專利的苯並咪唑化合物的羧酸鉀鹽（127）是APJ的G蛋白偏向的小分子激動劑。（128）與apelin-13相比，CMF-019在cAMP試驗中表現出相似的效力（pEC 50 = 10.00對比apelin-13的9.34），而在β-arrestin募集和受體內化試驗中效果更差（pEC 50） = 6.65對8.65，pEC 50 = 6.16對9.28。這些轉化為G i的偏差因子?400信號通過β-抑制蛋白募集和~6000超過受體內化。（128）此外，CMF-019在大鼠模型中誘導心臟收縮性的顯著增加。（128）這些結果證明APJ的配體偏向性質可以保留在非肽化合物中，並且這種偏差可以轉化為治療益處。趨化因子受體趨化因子受體也屬於A類GPCR，它們與趨化因子（8-12kDa肽）結合。趨化因子受體家族在人類中含有24個成員，並且可以基於它們結合的趨化因子類別細分為四個亞家族：CCR1-10，CXCR1-7，CX3CR1和XCR1。趨化因子受體介導白細胞的運輸，趨化因子受體的失調涉及自身免疫疾病，炎性疾病，病毒感染和癌症。（129）迄今為止，針對該受體家族的兩種藥物已進入市場：用於治療HIV感染的CCR5拮抗劑maraviroc和用於將癌症患者的造血幹細胞動員進入血流的CXCR4拮抗劑plerixafor。目前，已經鑒定了超過50種趨化因子，並且已經描述了趨化因子和趨化因子受體之間的複雜網路。（130）已經研究了這些趨化因子在趨化因子受體上的偏倚特性，這可以部分解釋該受體家族的配體冗餘。（131132）
趨化因子受體CXCR3是用於治療自身免疫疾病（例如，類風濕性關節炎，多發性硬化）和癌症的潛在藥物靶標。（133） Bernat等。最近報道，對於CXCR3，負變構調節劑（NAM）112（圖22）的輕微結構修飾導致發現偏向於β-抑制蛋白或G蛋白途徑的化合物。在化合物112的8-氮雜喹唑啉酮支架的基礎上，使用以可逆共價方式與蛋白質相互作用的獨特能力的硼酸（134）用於研究CXCR3的變構調節。（135）這導致了化合物的發現113，其被報道為CXCR3的第一個有偏見的NAM，其優先抑制CXCL11介導的β-抑制蛋白2向CXCR3的募集，但不抑制G蛋白的活化。在後來的工作中，為了降低支架剛度並因此改善化合物的物理化學性質，右手上的苯部分如化合物114中那樣變為柔性氟代氧代烷基鏈。（136）該化合物對抑制G蛋白信號傳導相對於β-抑制蛋白募集顯示出187倍的偏好。作者推斷，結構相似的變構調節劑可以不同方向與CXCR3結合，這些方向引發不同的功能反應，導致信號轉導偏向。
同一組還報道了兩種強烈偏向的CXCR3變構激動劑的發現和表徵。（133）基於化合物VUF10661的四氫異喹啉甲醯胺核心（115，圖22），賴氨酸部分側鏈上胺的正電荷顯示為不必要的。連接二苄基部分的連接體的延伸產生化合物FAUC1036（116），其被表徵為CXCR3的完全β-抑制蛋白偏向的變構激動劑。化合物FAUC1036在β-抑制蛋白2測定中顯示出改善的效力（pEC 50 = 6.64與VUF10661的5.89相比），而在[ 35]中沒有顯示出效果。S]GTPγS結合試驗。有趣的是，在上部苯環上引入對甲氧基，得到化合物FAUC1104（117），其顯示出對G蛋白途徑的偏倚。（133）儘管在G蛋白測定中稍微弱一些（pEC 50 = 5.22，E max= 50％），該化合物未顯示可測量的β-抑制蛋白2募集。在CXCR3內化測定中，化合物FAUC1036以10μM和1μM的濃度誘導受體內化，類似於用100nM的CXCL11（內源性配體）觀察到的效應; 但對於化合物FAUC1104，未觀察到內化。有趣的是，兩種化合物FAUC1036和FAUC1104均在標準Transwell試驗中誘導細胞遷移，表明G蛋白激活和β-arrestin募集都是功能趨化反應的原因。（133）尚未報道這些化合物在疾病背景下的治療潛力。
前列腺素EP 2受體前列腺素E 2（PGE 2）施加各種各樣的生物作用通過四個受體亞型，EP 1 -EP 4，在各種組織中。EP 2受體在炎症中起重要作用，並且是治療各種CNS和外周疾病的潛在靶標。（137） EP 2受體通過G蛋白介導的cAMP信號傳導調節腦中的有益神經保護作用; 然而，（138），β-抑制蛋白介導的EP 2受體信號傳導的激活導致有害作用，例如腫瘤發生和血管發生。（139）Ogawa等。最近報道了他們對前列腺素受體偏向配體的研究結果。如圖23所示，前列環素類似物118顯示出非常弱的EP 2激動劑活性（在cAMP測定中EC 50 = 8900nM）。用噻唑取代上部柔性烷基鏈以及從ω-鏈上除去15-羥基，得到有效的EP 2激動劑119，其偏向於G蛋白途徑（cAMP測定EC 50 = 3.9nM，E max = 98％）並且遠離β-抑制蛋白途徑（EC 50 > 10,000nM，E max = 38％）。（140）調節環戊烷支架和苯氧基部分之間的連接基長度，得到短的ω鏈衍生物120，具有相似的偏置分布。（140）圍繞苯環的SFSR研究導致發現具有3-甲基-4-氯取代模式的化合物121，其在G蛋白測定中顯示出增強的效力，維持對β-抑制蛋白募集的優異功能選擇性。（141）值得注意的是，如化合物122所示，在苯環中加入另一個甲基取代基，導致β-抑制蛋白活性急劇增加（EC 50 = 2.3 nM，E max= 98％），因??此功能選擇性顯著降低。121的環戊烷部分上的羥基的轉化得到化合物123，其顯示其G蛋白活性增加5倍（EC 50 = 0.14nM對比0.69nM的121），而β-抑制蛋白活性沒有任何增加。（140）這些結果得出結論，分子結構的細微修飾可導致配體偏倚分布的顯著變化。據報道，G蛋白偏向的EP 2激動劑在兔和猴中顯示出有效的眼內降低作用。（142）
內皮素A（ETA）受體
內皮素肽通過與兩種GPCR，ET A和ET B的相互作用介導它們的細胞作用。內皮素拮抗劑是用於治療肺動脈高壓（PAH）的批准藥物，並且有望用於癌症和纖維化治療。（143）與其他GPCR一樣，對這些受體的配體偏倚特性的研究已有興趣，最近對其進行了綜述。（144）例如，據報道，內源性配體ET-1，-2和-3的效力和功效在G蛋白依賴性隱靜脈縮窄測定和β-抑制蛋白募集測定中不同。（145） ET-1（124）作為參考化合物，和轉導效率（τ/ ? 甲）是比較了這些肽，其顯示兩種ET-2（間125）和ET-3（126）是ET的G蛋白偏置激動劑阿雖然ET-3的效力要小得多（圖24）。（144）更重要的是波生坦（127）的偏倚概況，波生坦是一種非選擇性ET A / ET B拮抗劑，用於臨床治療PAH。結果發現，波生坦是ET A的β-arrestin偏向性拮抗劑，而在ET B則是平衡的（圖24））。（144145）目前尚不清楚ET的β抑制蛋白偏壓拮抗作用是否阿是其在治療PAH的效果，從而需要進一步的研究有益的或有害的。但正如所指出的，（144） ET-1刺激ET A介導的β-arrestin信號傳導導致上皮性卵巢癌中NF-κB的激活，（146）和β-arrestin1表觀遺傳調節ET-1誘導的β-連環蛋白信令; （147,148）因此β-抑制蛋白途徑在癌症中起重要作用。更好地了解信號通路肯定有助於針對ET A受體的進一步藥物發現工作。
GPR109A受體
GPR109A（也稱為羥基羧酸受體，HCAR2）是一種孤兒GPCR，被認為是負責煙酸生物效應的受體。（149）煙酸（128，圖25），作為藥物和飲食補充劑，主要用於降低甘油三酯和提高血漿高密度脂蛋白（HDL）。然而，煙酸會引起副作用，其中最常見的是面部潮紅。據Walters等人報道。煙酸在β-arrestin1 / 2膜募集的一系列檢測中有活性，以及??GPR109A活化後β-arrestin2的構象變化，ERK磷酸化等，證明β-arrestin1介導煙酸誘導的潮紅，但不是它的抗脂解作用。（150） Merck發現了一種G蛋白偏向的GPR109A激動劑MK-0354（129），它是煙酸的合成四唑生物電子等排體。（151）與煙酸相比，MK-0354刺激未能誘導GPR109A活化後β-arrestin2的構象變化，而MK-0354不誘導β-arrestin1的募集。（150）作為GPR109A的偏向激動劑，MK-0354已經在臨床試驗中進行了評估，但未能提高HDL水平。由此得出結論，煙酸改變HDL水平的機制是GPR109A獨立的。（152）然而，這個例子提供了進一步的證據，證明配體偏向GPCR（在這種情況下是GPR109A）激動可以將受體介導的G蛋白激活與已知的副作用（在這種情況下，潮紅）分開，這已經與β-抑制蛋白途徑。
鞘氨醇1-磷酸受體1（S1P1R）
S1P 1 R是治療多發性硬化症的有效藥物靶標。Fingolimod是S1P 1 R 的調節劑，是第一種用於複發緩解型多發性硬化症的口服療法; 然而，它會導致心率（心動過緩）的劑量依賴性降低。選擇性S1P臨床研究1 - [R激動劑建議，在人體的心動過緩是至少部分地由S1P的激動介導的部分1 R，（153）因此「接通靶」側只能由偏置激動劑來避免效果。達爾等人。報道了BMS-986104的發現，這是一種分化的S1P 1 R調節劑，具有改善的副作用。（154）由於芬戈莫德和BMS-986104都是前葯，因此比較磷酸鹽形式以確定它們的偏差曲線。如圖26所示，化合物130（磷酸芬戈莫德）和131（BMS-986104磷酸鹽）在cAMP抑制，GTPγS結合，ERK磷酸化和受體內化測定中都是高效的。與130相比，化合物131在內化測定中顯示較低的效力（E max = 68％對比130的 100％），並且觀察到它們之間在ERK磷酸化中的超過1400倍的效力差異（8.16nM對比0.0056nM）。另外，化合物131證實相對於ERK磷酸化，cAMP偏向（~1000倍）。（154）在培養的人心肌細胞中，與化合物130相比，化合物131顯示出較低的心率降低，並且BMS-986104已經進入人體臨床試驗。目前尚不清楚ERK磷酸化在S1P 1 R是否依賴於G蛋白依賴性或β-抑制蛋白依賴性，但131的總體差異功能特徵可能有助於其優越的安全性。
神經降壓素受體1（NTR1）
神經降壓素的生理作用主要由NTR1介導，NTR1已被證明是中樞神經系統疾病（如精神分裂症和藥物成癮）和外周疾病（如癌症）的藥物靶標。（155,156）雖然大多數已知的NTR1激動劑是神經降壓素的肽類似物，但也已報道了小分子激動劑。例如，為了鑒定非肽，β-抑制蛋白偏向的NTR1激動劑，Peddibhotla等。基於在U2OS細胞中表達的β-抑制蛋白綴合的綠色熒光蛋白（GFP）報告基因，進行了受體/β-抑制蛋白-GFP複合物的高含量篩選（HCS）。喹唑啉化合物132（圖27）被鑒定為來自HCS的單次命中，其在初級測定中顯示微摩爾效力（EC 50 =5.9μM）。優化該化合物導致發現ML314（133），其中環丁基取代基被環丙基取代。（157） ML314在HCSβ-抑制蛋白測定中顯示出更高的效力（EC 50 =2.0μM），這在DiscoveRxβ-抑制蛋白募集測定（EC 50 = 3.4μM）中得到證實。重要的是，ML314在G q介導的Ca 2+中沒有誘導反應動員，表明它完全偏向於β-抑制蛋白信號傳導。在動物研究中，ML314減弱多巴胺轉運蛋白敲除小鼠中的苯丙胺樣過度運動和甲基苯丙胺誘導的過度運動。（158）
甲醯肽受體2（FPR2）
FPR2（也稱為脂氧素A 4受體，ALXR）是一種混雜的GPCR，其可以被一系列配體激活，所述配體包括結構上不相關的脂質和肽或蛋白質。（159）它是一種潛在的藥物靶點，因為它涉及一系列正常的生理過程和病理性疾病。（159160） F2Pal 10（135，圖28）可以將肽部分股份FPR2的EL3，和其N-末端的10個氨基酸的氨基酸序列偶聯到棕櫚酸一的pepducin（脂化肽）。（161）與FPR2肽激動劑WKYMVM（134），F2Pal 10相比較在Gq介導的鈣通量測定中同樣有效，但其對受體的激活不會導致β-抑制蛋白募集，而WKYMVM是有效的激動劑（EC 50 = 19 nM）。（162）雖然就顯得FPR2脫敏發生獨立β-抑制蛋白的，F2Pal 10 -desensitized和的WKYMVm脫敏的嗜中性粒細胞通過與其他的GPCR串擾機制在不同FPR2的再活化。（162）此外，發現F2Pal 10不能募集β-抑制蛋白與受體內化率降低和中性粒細胞趨化性受損有關。雖然由於其偏向性質的治療優勢尚未報道，但F2Pal 10 作為進一步研究FPR2功能的有用工具。
腺苷受體
腺苷受體是內源性分子腺苷的GPCR，已經鑒定了四種亞型：A 1 AR，A 2A AR，A 2B AR和A 3AR。（163）腺苷受體在中樞和外周系統中發揮不同的作用，並且已經開發了許多它們的配體作為潛在的治療劑。已經綜述了先前已知的腺苷受體配體的功能選擇性，這導致得出結論，合成配體的功能選擇性已經令人信服地顯示為A 1 AR和A 3 AR。（164）
阿1個 AR是用於心髒的一個重要的藥物靶標，但電流A 1 AR的藥物被限制用於該適應症因為心動過緩的發生作為主要的不利影響的。Valant等人最近報道了合理設計的位點A 1 AR激動劑VCP746（136，圖29），其是包含與正變構調節劑連接的腺苷的雜合分子。（165）化合物VCP746偏向G i介導的抑制毛喉素刺激cAMP積累相對於ERK1 / 2磷酸化，ERK1 / 2磷酸化被選為非經??典的下游會聚信號通路，因為它可以是G蛋白依賴性和非依賴性的。通過使用R-PIA（137）作為參考化合物，使用激動劑轉導係數log（τ/ K A）來評價化合物偏向性質。相對於ERK1 / 2磷酸化，VCP746對cAMP抑制顯示33.9倍的偏差，而腺苷和VCP900（138）的這種偏差分別僅為1.5倍和2.0倍。在動物試驗中，發現VCP746在天然A 1 AR表達的心肌細胞和心肌細胞中保護免受缺血性損傷，並且不影響大鼠心房心率。（165）鑒於G蛋白途徑，β-抑制蛋白途徑和ERK1 / 2磷酸化之間的不確定關係，未來的研究需要更好地理解不同途徑在受體整體功能中的作用。
VCP746隨後還在進一步的功能測定中表徵，其包括cAMP抑制，鈣動員，ERK1 / 2，Akt1 / 2/3和細胞存活。（166）通過使用cAMP抑制和鈣動員來量化偏倚性質，同一組最近報道了圍繞化合物VCP746的進一步研究。（167）對正構腺苷藥效團，接頭和變構2-氨基-3-苯甲醯基噻吩藥效團進行結構修飾以研究SFSR。如圖29所示，化合物VCP746顯示出對鈣動員的cAMP信號傳導的偏向。通過添加另外的亞甲基來增加接頭長度，得到化合物139與VCP746相比，cAMP信號傳導的偏倚得到了增強。但是，當從變構部分中除去噻吩的4-（三氟甲基）苯基取代基時，化合物140變為無偏。此外，當如化合物141中那樣除去噻吩的所有三個取代基時，觀察到偏差的逆轉（圖29）。這些結果表明，這些A 1 AR的位位激動劑的變構部分是其偏置性質的非常重要的貢獻者。使用基於活性A 2A的A 1 AR同源性模型的對接研究支持該結論AR晶體結構，其表明變構部分和化合物VCP746的接頭區域在細胞外前庭內的相互作用可能是其偏向分布的初始觸發的基礎。
A 3 AR是另一種腺苷受體，據報道其在許多疾病如癌症，炎症和局部缺血中發揮作用。（168）Baltos等。最近報道了一系列（的偏置特性?）-methanocarba 5- ? -methyluronamide核苷衍生物143 - 148（圖30）。（169）在他們的研究中，評估A 3 AR激動劑抑制cAMP積累，磷酸化ERK1 / 2和Akt，增加細胞內鈣濃度和促進血清飢餓時細胞存活的能力。使用IB-MECA（142）作為參考激動劑和pERK1 / 2作為參考途徑，在化合物的C2取代基長度（?）和它們對細胞存活的偏差之間觀察到顯著的正相關。（169）分子模擬表明延伸的C2取代基促進受體TM2的向外移位，這可能是SFSR的基礎。雖然尚不清楚A 3 AR激動劑促進細胞存活的能力是G蛋白依賴性還是G蛋白非依賴性，但這些化合物的SFSR證明，在多種途徑中分析GPCR配體對於更好地預測它們是必要的。治療潛力。
對於上述A 1 AR和A 3 AR配體，以及圖12中所示的D 2 R激動劑，G蛋白信號傳導（cAMP測定）與受體的其他「間接」下游效應（即ERK磷酸化，鈣動員和細胞存活）之間的比較，而不是G蛋白信號傳導和β-抑制蛋白募集之間的比較。儘管這些增加了我們對GPCR偏向信號傳導的複雜性的理解，但還需要進一步研究以更清楚地了解在激活GPCR時將啟動的所有事件。很可能沒有通用規則可以應用於所有受體，並且使用各種可用的測定來分析GPCR配體對於更好地預測體內潛在的藥理學作用是必需的。
B類GPCR偏向配體
迄今為止報道的大多數偏向配體靶向A類GPCR，而關於GPCR家族其他類別的文??獻仍然有限。其中，B類包含15種對肽激素有反應的GPCR，是許多用於治療糖尿病和骨質疏鬆症的藥物的靶標。B類GPCR共享所有GPCR共有的7TM結構，但它們還具有大的細胞外N末端，這對於配體識別和激活非常重要。與上述A類GPCR中的一些類似，對現有配體的重新評估揭示了一些B類受體的偏向性質。（170）例如，肽（d -Trp 12，Tyr 34）-PTH（7-34）（PTH-barr）已被報道為甲狀旁腺激素1型受體（PTH1R）的偏向激動劑，其激活β-抑制蛋白但不是典型的G蛋白信號傳導，因此充當β-抑制素偏向的激動劑。（171）在小鼠中，PTH-barr誘導合成代謝骨形成，其可在β-arrestin2-null小鼠中消除。
胰高血糖素樣肽1受體（GLP-1R）是B類GPCR，其在2型糖尿病（T2D）和肥胖的病理生理學中起非常重要的作用，並且作為藥物靶標受到廣泛關注。（172）在G蛋白和β-抑制蛋白功能測定中評估後，已經報道了該受體的幾種已知激動劑和正變構調節劑（PAM）作為偏向配體。例如，相對於內源性配體GLP-1，胃泌酸調節素（151）和毒蜥外泌肽-4（152）都偏向於ChoF1pIn細胞中的β-抑制蛋白募集（圖31）。（173）當測試G蛋白介導的和β-抑制蛋白介導的活性時，GLP-1R PAM，例如BETP和Boc5，也顯示出偏向性質。（174）
通過基於高通量自分泌的大組合肽文庫篩選發現了G蛋白偏向的GLP-1R激動劑P5（153，圖31）。（175）已顯示P5促進與GLP-1和exendin-4相當的G蛋白信號傳導，但顯示出顯著降低的β-抑制蛋白反應。它是一種弱胰島素促分泌劑，但在遺傳和飲食誘導的肥胖小鼠中表現出優異的抗高血糖功效。（175） P5和exendin-4之間的結構差異在N末端，其中exendin-4的前8個殘基被去除（得到exendin9-39，它是GLP-1R拮抗劑）並且附加了新的氨基酸（圖31）。
雖然G蛋白偏向型激動劑P5在動物模型中顯示功效，並支持G蛋白偏向激動劑可作為T2D的新療法的觀點，但據報道β-arrestin1的募集促進β細胞增殖並保護β細胞凋亡。（176）因此，GLP-1R的β-抑制蛋白偏向激動劑的發現也可為T2D提供潛在的治療方法。通過摻入非天然氨基酸修飾GLP-1肽，Hager等人最近報道了GLP-1R的一系列β-抑制蛋白偏向激動劑。（177）如圖31所示中，α→β置換減少肽的效力在cAMP產生和β抑制蛋白募集的兩個刺激，但對於某些替換集，如在肽154，155，和156，cAMP產生更強烈地影響比β-抑制蛋白募集，因此導致β-抑制蛋白偏倚。SFSR和建模結果都表明這些肽的中心部分有助於它們的偏向性質。
與A類相比，B類GPCR被認為對配體發現更具挑戰性，因為它們具有激活受體所需的大的細胞外結構域。最近解決的GLP-1R結構提供了關於B類GPCR的配體識別和激活機制的非常詳細的信息，並且將促進針對該重要受體家族的未來配體設計工作。（178-180）有必要進一步研究偏倚配體及其在B類GPCR中的治療潛力。
C類GPCR的偏向配體/別構調節劑
C類GPCR由22種受體組成，包括非常重要的藥物靶點，如代謝型谷氨酸受體（mGluR），鈣敏感受體（CaSR）和γ-氨基丁酸（GABA）B型受體（GABA B），等等（圖2）。C類GPCR的結構與A類的不同之處在於，這些受體的7TM結構域通過富含半胱氨酸的區域連接到稱為維納斯捕蠅草結構域（VFD）的大的雙葉細胞外氨基末端結構域，其結合內源配體。（181）
mGluR與主要的興奮性神經遞質谷氨酸結合併調節CNS中的突觸傳遞。在谷氨酸對mGluR活化的許多影響中，最近在表達mGlu 1 R的CHO細胞中報道了細胞保護作用。（182）谷氨酸（158）和天然化合物quisqualate（159）均激活mGlu 1 R，如測量的在Gq介導的PI水解測定中，後者更有效（EC 50 =16μM和0.63μM，分別為圖32）。然而，只有谷氨酸顯示出對營養剝奪條件誘導的細胞凋亡的神經保護作用（EC 50=153μM）。（182）細胞保護作用與持續的ERK磷酸化作用相關，這種作用不依賴於G蛋白，但與瞬時ERK磷酸化無關，後者被認為是G蛋白介導的。此外，進一步的研究表明，β-arrestin1在谷氨酸的細胞保護作用中起作用。（182）使用相同的方法，Emery等。據報道，與quisqualate一樣，化合物DHPG（159，圖32）也是mGlu 1 R 的G蛋白偏向激動劑，其誘導PI水解但不持續ERK磷酸化和細胞保護作用，而戊二酸（160）和琥珀酸（161）是完全β-arrestin1偏向的，它們不誘導PI水解，但顯示出細胞保護作用。（183）這些結果支持mGlu 1 R的β-抑制蛋白偏向激動劑具有作為神經保護劑的治療潛力。通過突變分析，發現殘基Thr188對於G蛋白介導的mGlu1R信號傳導至關重要，mGlu1R與谷氨酸，quisqualate和DHPG的氨基相互作用。如在戊二酸和琥珀酸中那樣去除該氨基消除了這種相互作用並使兩種化合物β-抑制蛋白1偏向（圖32）。（183）
然而，所有谷氨酸類似物都具有差的理化性質，使得它們成為候選藥物。因此，對這些受體的變構調節劑的研究已成為目前針對mGluRs的藥物發現工作的主要範例。（184）值得注意的是，C類GPCR的大多數變構調節劑與由跨膜螺旋形成的口袋結合，所述跨膜螺旋類似於A類受體的正構結合位點。（185,186）mGlu5R的PAM在臨床前和臨床研究中都顯示出治療精神分裂症的前景。（187）這些治療效果的一種可能機制被認為是mGlu5R誘導的NMDAR增強（N甲基d天冬氨酸受體）的電流，但NMDA受體的激活增加也可導致興奮性毒性和神經元死亡。（188）與其他GPCR類似，這種可能的「靶向」毒性可能通過該受體上的偏向配體來避免。最近，Rook等人。據報道，mGlu5R PAM VU0409551（162，圖33）誘導mGlu5R與Gq介導的鈣動員和其他信號傳導途徑偶聯的強烈增強，但不增強海馬神經元中NMDAR電流的mGlu5R調節。（189）重要的是，VU0409551在精神病和認知功能的臨床前嚙齒動物模型中保持強大的劑量依賴性功效。（189）因為mGlu5R誘導前腦神經元中NMDAR電流的增強是通過mGlu5R與NMDARs通過銜接蛋白的相互作用介導的，所述銜接蛋白不依賴於通過Gq的信號傳導，這表明功能選擇性mGlu5R PAM（例如， Gq介導的信號傳導與NMDAR電流的調節可以提供更安全的候選藥物用於進一步開發。
據報道，在重組和天然系統（大鼠皮質星形膠質細胞）中，mGlu 5 R，NCFP（163，圖33）的另一種PAM 在鈣動員和ERK1 / 2磷酸化測定中增強了mGlu 5 R介導的反應。 ，但不會增強海馬突觸可塑性（長期抑鬱和長期增強）的反應。（190）這種不同的NCFP譜的一個可能原因可能是它與MPEP（2-甲基-6-（苯基乙炔基）吡啶）結合位點上的受體上的不同位點結合，其中大多數其他mGlu 5 R PAM結合。（190）然而，海馬突觸可塑性的調節是否與不需要的副作用有關或是否對於mGlu 5 R PAM 的治療效果是必需的仍有待證明。
CaSR負責調節體內細胞外Ca 2+濃度，並且甲狀旁腺中表達的CaSR的激活抑制甲狀旁腺激素（PTH）的分泌。各種內源性和外源性激動劑可以激活CaSR，包括二價陽離子Ca 2+和Mg 2+，多胺，氨基糖苷等。（191）這些正構激動劑具有較差的藥物樣特性，因此作為治療劑的研究較少。許多這樣的化合物已被研究它們在細胞效應包括IP活動1積累，cAMP抑制，和ERK1 / 2的磷酸化，並且它們顯示多樣偏壓朝向一個信號轉導途徑或另一個。（192）
與mGluR一樣，更具治療意義的是CaSR的變構調節劑。擬鈣葯cinacalcet（164，圖34）是第一個進入醫藥市場的變構GPCR調節劑，2004年已被批准用於治療甲狀旁腺功能亢進症。（193）然而，這種藥物會引起不良副作用低鈣血症，可能通過激活除甲狀旁腺以外的組織中的CaSR。已經假設不同的治療效果和副作用可以通過與CaSR相關的不同信號傳導途徑介導，並且偏向的PAM可以提供發現靶向該受體的更安全的治療劑的機會。（194）最近，庫克等人。評估了許多結構多樣的擬鈣劑，用於與該受體相關的三種關鍵信號傳導效應：Ca 2+動員，ERK1 / 2磷酸化和IP 1積累（圖34）。（194）計算這些化合物與CaSR激動劑Ca 2+的PAM協同性（αβ）作為評價每種信號傳導效應的配體偏差的參數。發現西那卡塞顯示出對Ca 2+動員和IP 1積累的偏向並且遠離pERK1 / 2。（194）化合物AC-265347（165）和R，R-calcimimetic B（166）被偏置為磷酸化ERK1 / 2和IP 1積累但遠離的Ca 2+動員，而化合物小號，- [R -calcimimetic B（167）偏壓CaSR的用於IP 1和積累，和去甲擬鈣劑B（168）是公正的。有人提出，將CaSR信號傳導偏向pERK1 / 2的化合物可以實現組織選擇性抑制PTH分泌，同時保留降鈣素的釋放。（194）鑒於與CaSR活化相關的ERK1 / 2的磷酸化可以是G蛋白和β-抑制蛋白介導的，（192） 評估各種下游信號傳導效應中的化合物是必要的，而不僅僅是G蛋白結合和β-抑制蛋白募集。
C類GPCR（即VFD結構域）的獨特結構特徵和正構和變構配體的獨特結合位點（正構激動劑與VFD結合，而變構調節劑結合TM結構域）已成為配體偏倚的結構基礎在這些受體上更難以捉摸。通過誘變研究已經鑒定了與上述化合物的觀察到的偏向性質相關的一些關鍵殘基。例如，在mGlu1R病例中，Thr188對於G蛋白介導的信號傳導是關鍵的，而Arg323和Lys409殘基是β-抑制蛋白1介導的作用所必需的。（183）對於CaSR，天然存在的R680G突變通過破壞Arg680（在TM3上）和Glu767（在EL2上）之間的鹽橋選擇性地增強β-抑制蛋白信號傳導。（195）此外，我們對每個信號通路發揮的獨特生理作用的理解仍處於非常早期階段。具有更好的功能選擇性特徵的更偏向的調節劑的發現將促進每種信號傳導途徑的功能研究，並提供鑒定更好的治療劑的機會。
發現偏向配體的挑戰
所有上述實施例均顯示偏向配體代表新的形式，其可能為與GPCR相關的多種疾病提供更好的治療。然而，配體偏倚也增加了藥物化學家和藥理學家在針對特定GPCR進行藥物發現時必須面對的另一層挑戰。我們總結了以下主要挑戰：
（1）行動機制在大多數情況下，特定疾病的病因非常複雜，並且可能涉及許多受體，蛋白質和信號傳導途徑。在涉及GPCR的情況下，它通過多個效應器發出信號並導致下游信號事件的各種變化。如上面針對大多數GPCR所討論的，尚不清楚哪種信號傳導途徑在治療上是最重要的。例如，如D 2所示R，具有不同譜的偏向配體（G蛋白或β-抑制蛋白偏向;激動劑，部分激動劑或拮抗劑）已有報道，但尚不清楚哪種組合會產生最理想的臨床結果。β-抑制蛋白的基因敲除是研究給定GPCR的β-抑制蛋白信號傳導的作用的常用方法，並且偏向配體作為有用的工具。儘管本摘要中已經報道了許多GPCR的偏向配體，但對於大多數GPCR而言，仍然缺少用於解剖信號傳導途徑的理想工具化合物。
（2）功能分析由於易於操作，諸如測量鈣或cAMP水平的二級信使測定已廣泛用於藥物發現程序中以檢測G蛋白途徑活性，並且β-抑制蛋白活化通常通過蛋白質的易位來測量。然而，大多數時候，模型細胞（例如，CHO或HEK-293細胞）上的工程化受體的過表達對於放大信號和能夠進行檢測是必要的，其不能完全複製天然生物學條件。因此，在額外的細胞模型（例如，神經元，癌症）中證明配體偏差可能是預測生理狀況所必需的。上面列出的一個這樣的例子是CB 1R配體，已經在紋狀體中刺多刺投射神經元的細胞培養模型中進行了測試。（115,116）此外，已經認識到配體動力學對觀察到的偏向性質具有影響，例如，如5-HT 2B受體所證明的。（75,196）因此，功能測定的讀數可能根據檢測時間點而變化。
（3）信號偏差的量化偏向因子對於GPCR偏向配體的SFSR研究非常重要，但是對於報道的配體它們通常是缺失的，或者如上面列出的許多實例所見，它們是不可計算的。可以說，最廣泛接受的偏差因子量化方法是基於轉導係數（τ/ K A）的計算，（12,13）其中log（τ/ K A）的值反映了配體的活性。特異性途徑，可以標準化為參考化合物，得到Δlog（τ/ K A），並進一步與其在另一個信號通路中的活性進行比較，給出ΔΔlog（τ/ K A），從中可以計算偏差因子作為偏差factor = 10ΔΔlog（τ/K A）。重要的是，參考化合物的選擇是至關重要的，因為當選擇不同的參考化合物時，結果可能不同。所有這些問題都增加了複合評估的數據處理步驟的複雜性。
（4）GPCR配體的多參數優化對於藥物化學家來說，除了配體親和力，功效，脫靶活性，物理化學和ADMET特性等之外，配體偏差是在GPCR配體上工作時必須考慮的額外參數。從以上實施例可以看出，GPCR配體的細微結構修飾通常導致化合物的功能選擇性的顯著變化。與SAR數據相比，SFSR結論更難以總結和解釋並增加GPCR靶向藥物發現的挑戰。
藥物化學策略
（1）在多功能分析中重新評估現有配體在引入配體偏倚概念之前，GPCR配體通常在單一的，通常是G蛋白介導的第二信使分析中進行評估，其中結果將定義特定配體的內在活性（激動劑，部分激動劑，拮抗劑，或反向激動劑）。因此，重新評估此類配體的β-抑制蛋白募集和其他功能測定將揭示其配體偏向性質。因此，特定GPCR的已知配體充當初步「命中」化合物的儲庫，用於發現新的偏向配體。這些實例是βAR，D 1R，CB 1 R，CB 2 R，mGluR和CaSR。
（2）基於結構的藥物設計在過去十年中已經解決了許多GPCR結構，這為基於結構的設計提供了有價值的信息，這些設計針對這一重要的藥物靶標家族，但是偏向激動的結構基礎還遠未被理解。儘管如此，對於有限數量的GPCR的，例如，β 2 AR，（27） d 2 R，（74） d 1 R，（88）和5-HT 2B，（75,93）已經探索了定義GPCR的偏向激動作用的分子決定因子，其中信息可以進一步用於基於結構的偏置配體設計。可以預料，更多偏向配體的發現將成為受體結構生物學研究的有用工具，這將有助於未來偏向配體的設計。
（3）SFSR的研究正如針對命中化合物的廣泛SAR研究可能是發現具有所需藥物樣特性的候選藥物的有效方法，基於偏倚化合物的SFSR的仔細研究可用於發現偏倚配體。在大多數情況下，這也是必要的，因為微妙的結構修飾可能導致特定配體的偏置性質的顯著變化。實例是基於阿立哌唑的偏向D 2 R配體（圖10和11）。
（4）結合動力學的測量通常應將結合動力學考慮為藥物化學家的附加參數。（197）最近，據報道D 2 R的結合率決定了抗精神病葯的錐體束外副作用。（198）關於配體偏差，結合動力學可能影響或有助於特定配體的偏好性質，例如，在上述5-HT 2B受體中。（75,196）因此，這是在靶向GPCR的藥物發現中要考慮的重要方面，其中藥物在給定受體上的停留時間可能影響其持續時間和/或選擇信號傳導性質。
結論
除了G蛋白依賴性與G蛋白非依賴性信號傳導途徑（例如，β-抑制蛋白募集）之外，還存在一些特定配體在不同G蛋白亞型之間或不同β-抑制蛋白之間顯示偏差的情況。例如，與合成的CB 1激動劑WIN-55212 相比，上述內源性大麻素AEA 在CB 1 R上比G s偏向G i。（114）博克等人。最近報道說iperoxo的結構修飾導致M的發現2偏置以用於任一Gα乙醯膽鹼受體激動劑我或Gα 小號。（199）除了上面提到的G蛋白偏向的阿片受體激動劑，Pradhan等人。報道了對DOR的不同抑制蛋白異構體的激動劑選擇性募集。（200）鑒於G蛋白和抑制蛋白的特定亞型可能對給定細胞類型的整體生理學有不同的貢獻，這些偏向配體對於解剖每個效應子所起的作用以及為發現新的作用提供機會也非常重要。療法。
偏向激動或功能選擇性為更精確的GPCR功能調節提供了機會，因此為治療提供了增強的功效和/或減少的不良副作用。偏倚配體作為新一代藥物的優點已經在幾種GPCR中通過人臨床試驗中的研究藥物例如TRV130進行了例證，其正在等待FDA批准。事實上，有偏見的激動作用已成為GPCR藥物發現的主要範例。然而，值得注意的是，配體在特定受體上的偏倚性質可能不一定總是在治療上有利，但是應該考慮到。
從上述實施例可以清楚地看出，在大多數情況下，配體的非常小的結構修飾可導致顯著的改變或甚至逆轉配體偏向性質。其中的基本原因包括給定配體樣品的GPCR配體結合口袋的相對高的保守性質，其可導致有利的活性GPCR構象，G蛋白活化優選狀態或β-抑制蛋白募集優選狀態。正如所討論的，配體偏差對藥物化學家來說是一項重大挑戰，並且隨著更多的努力旨在將GPCR用於藥物發現，SFSR研究將有助於在生物測定中更好地表徵和基準藥物樣化合物。雖然結晶的GPCR數量仍然相當有限，偏向配體的開發將導致更準確地「捕獲」GPCR的偏向狀態，這反過來將導致偏向配體設計的更好進展。GPCR信號傳導的結構和功能方面的進展將導致偏向配體作為剖析與疾病相關的GPCR相關的信號傳導途徑的新工具，並最終將導致新一代GPCR靶向藥物。
致謝
我們感謝上海市政府，上海科技大學和中國國家自然科學基金（Grant 81703361 to JC）獲得資金支持，感謝Raymond C. Stevens博士和Yekaterina Kadyshevskaya在編製圖2時提供的幫助。
使用的縮寫5-HT1BR.
血清素1B受體
5-HT2BR.
血清素2B受體
5-HT2CR.
血清素2C受體
7TMR
七跨膜受體
一個1AR
腺苷A 1受體
一2AAR
腺苷A 2A受體
A2BAR
腺苷A 2B受體
一個3AR
腺苷A 3受體
AEA
花生四烯酸乙醇胺
AHF
急性心力衰竭
苯丙胺
安非他明
APJ
apelin受體
ARB
血管緊張素受體阻滯劑
AT1R
血管緊張素II受體1型
β2AR
β 2腎上腺素能受體
BRET
生物發光共振能量轉移
營
環腺苷一磷酸
CaSR的
鈣敏感受體
CBD
canabidiol
CB1R
大麻素受體1
CB2R.
大麻素受體2
CNS
中樞神經系統
D1R
多巴胺D 1受體
D2R
多巴胺D 2受體
DAP
二取代芳香哌嗪
DOR
δ阿片受體
EL
細胞外環
EP2R.
前列腺素E2受體2
ERK
細胞外信號調節激酶
ETA
內皮素A受體
FDA
美國食品和藥物管理局
煩惱
熒光共振能量轉移
FPR2
甲醯肽受體2
GABA
γ-氨基丁酸
GFP
綠色熒光蛋白
GLP-1R
胰高血糖素樣肽1受體
GPCR
G蛋白偶聯受體
GRK
G蛋白偶聯受體激酶
GTP
鳥苷5-三磷酸
GTPγS
鳥苷5- O- [γ-硫代]三磷酸
H2R
組胺H 2受體
H4R
組胺H 4受體
HCS
高內容篩選
HDL
高密度脂蛋白
的hERG
人類醚與去相關的基因
HTS
高通量篩選
IP1
肌醇一磷酸
谷氨酸受體
代謝型谷氨酸受體
MAPK
絲裂素活化蛋白激酶
MOR
μ阿片受體
MPEP
2-甲基-6-（苯基乙炔基）吡啶
KOR
κ阿片受體
NAM
負變構調節劑
NMR
核磁共振
沒有公關
傷害感受器
NT1R
神經降壓素受體1型
PAH
肺動脈高壓
PAM
正變構調節劑
PCP
苯環己哌啶
PGE2
前列腺素E 2
PTHR1
甲狀旁腺激素1受體
S1P1R
鞘氨醇1-磷酸受體1
SAR
結構 - 活動關係
SFSR
結構 - 功能選擇關係
THC
四氫大麻酚
T2D
2型糖尿病
VFD
維納斯捕蠅草域。
原文地址：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jmedchem.8b00435推薦閱讀：
