Designing allosteric modulators to change GPCR G protein subtype selectivity

🔹 Madelyn N. Moore, Kelsey L. Person, Valeria L. Robleto, Abigail R. Alwin, Campbell L. Krusemark, Noah Foster, Caroline Ray, Asuka Inoue, Michael R. Jackson, Michael J. Sheedlo, Lawrence S. Barak, Ezequiel Marron Fernandez de Velasco, Steven H. Olson & Lauren M. Slosky

Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09643-2

abstract

G-protein-coupled receptors (GPCRs) convert extracellular signals into intracellular responses by signalling through 16 subtypes of Gα proteins and two β-arrestin proteins. Biased compounds—molecules that preferentially activate a subset of these proteins—engage therapy-relevant pathways more selectively¹ and promise to be safer, more effective medications than compounds that uniformly activate all pathways². However, the determinants of bias are poorly understood, and we lack rationally designed molecules that select for specific G proteins. Here, using the prototypical class A GPCR neurotensin receptor 1 (NTSR1), we show that small molecules that bind to the intracellular GPCR–transducer interface change G protein coupling by subtype-specific and predictable mechanisms, enabling structure-guided drug design. We find that the intracellular, core-binding compound SBI-553 switches the G protein preference of NTSR1 through direct intermolecular interactions^3,4,5, promoting or preventing association with specific G protein subtypes. Modifications to the SBI-553 scaffold produce allosteric modulators with distinct G protein selectivity profiles. Selectivity profiles are probe independent, conserved across species and translate to differences in activity in vivo. Our studies show that G protein selectivity can be tailored with small changes to a single chemical scaffold targeting the receptor–transducer interface. Moreover, given that this pocket is broadly conserved, our findings could provide a strategy for pathway-selective drug discovery that is applicable to the diverse GPCR superfamily.

한글 초록

G 단백질 결합 수용체(GPCRs)는 16가지 유형의 Gα 단백질과 두 가지 β- arrestin 단백질을 통해 세포 외 신호를 세포 내 반응으로 변환한다. 편향된(biased) 화합물은 이러한 단백질 중 일부만 선택적으로 활성화하는 분자로, 치료에 관련된 경로를 보다 선택적으로 조절하여 모든 경로를 균등하게 활성화하는 화합물보다 더 안전하고 효과적인 약물이 될 가능성이 있다. 그러나 이러한 편향의 결정 요인은 잘 알려져 있지 않으며, 특정 G 단백질을 선택적으로 활성화하도록 합리적으로 설계된 분자는 아직 부족하다.

본 연구에서는 대표적인 클래스 A GPCR인 뉴로텐신 수용체 1(NTSR1)을 모델로 사용하여, GPCR-전달자(transducer) 복합체의 세포내 결합면에 결합하는 소분자가 G 단백질의 하위유형별 결합 선택성을 예측 가능하고 구체적인 기전으로 변화시킨다는 것을 보여준다. 세포 내 핵심 결합 부위에 결합하는 화합물 SBI-553은 특정 G 단백질 하위유형과의 직접적인 상호작용을 통해 NTSR1의 G 단백질 선호성을 전환시켜, 특정 하위유형과의 결합을 촉진하거나 억제한다.

SBI-553의 기본 골격(scaffold)을 변형하면 서로 다른 G 단백질 선택성 프로파일을 갖는 알로스테릭 조절자가 생성된다. 이러한 선택성 프로파일은 프로브 독립적(probe-independent)이며, 종 간에 보존되고, 생체 내에서의 활성 차이로 이어진다.

이 연구는 수용체–전달자 결합면을 표적으로 하는 단일 화학 골격의 미세한 변화만으로도 G 단백질 선택성을 조정할 수 있음을 보여준다. 또한 이 결합 포켓은 다양한 GPCR 계열에서 폭넓게 보존되어 있으므로, 본 연구 결과는 GPCR 초과(superfamily) 전반에 적용 가능한 경로 선택적 약물 개발 전략을 제시한다.

연구 배경

• GPCR(G protein–coupled receptor)은 전체 약물의 30% 이상이 표적하는 수용체 계열로, 16종의 Gα 단백질과 2종의 β-arrestin 단백질을 통해 다양한 신호를 전달함.

• 특정 경로만 선택적으로 활성화하는 biased agonist는 부작용을 줄이고 효능을 높일 수 있으나, G 단백질 선택성의 분자적 기전은 명확하지 않음.

• 저자들은 GPCR의 세포내 트랜스듀서 결합 인터페이스를 표적하는 소분자가 G 단백질 결합을 서브타입 특이적으로 조절할 수 있음을 제시함.

🔹 주요 연구 내용

1. 모델 시스템: Neurotensin receptor 1 (NTSR1)

• NTSR1은 신경정신질환, 암, 통증 조절 등에 관여하는 class A GPCR.

• 기존 내인성 리간드 Neurotensin (NT)은 Gq/11을 주로 활성화하며, 부작용(예: 저체온증)을 유발.

• 연구진은 SBI-553이라는 intracellular β-arrestin-biased agonist를 사용하여 G 단백질 선택성 전환을 관찰함

.

2. SBI-553의 작용 특성

• Gq/11 신호를 억제하면서 β-arrestin 및 일부 Gi/o, G12/13 신호를 선택적으로 허용.

• NT 존재 시 비경쟁적(allosteric) 길항 효과를 보이며, 일부 G 단백질에 대해서는 활성화(permissive) 작용.

• 이러한 선택성은 β-arrestin 비의존적으로, SBI-553이 직접 NTSR1–Gq 결합을 차단함으로써 발생함

.

3. 구조적 메커니즘

• CryoEM 및 모델링 결과, SBI-553은 NTSR1의 intracellular core pocket에 결합하며,

  • Gq/11의 C말단(α5-helix)이 steric clash로 결합할 수 없게 됨.

  • 반면 GoA, G12/13의 경우 ‘open’ conformation을 형성하여 SBI-553과 공존 가능.

• 즉, Gα C-terminal helix의 에너지적 적합성이 G 단백질 선택성의 분자적 근거로 제시됨

.

4. 구조 기반 설계 및 SAR 연구

• SBI-553 scaffold의 소규모 화학 변형(예: quinazoline C6–C8 치환, cyclopropyl기 변경)을 통해

  
  

  G 단백질 선택성을 조정할 수 있음.

• 예시:

  • SBI-342: GoA 활성 상실 (C7 methoxy에 의한 steric clash).

  • SBI-593: Gq 억제 약화 (C7–CF₃로 인한 새로운 VDW 결합).

• 이러한 유도체들은 β-arrestin 활성은 유지하면서 G 단백질 선택성만 변화시킴

.

5. 생체 내 효능 (in vivo)

• NT 유사체 PD149163은 NTSR1–Gq 활성 → 저체온증 유도.

• SBI-553은 완전히 차단, SBI-593은 부분 차단 —

  
  

  즉, Gq 억제 능력이 약한 BAM은 in vivo에서도 효능이 감소함.

• 이 결과는 BAM의 G 단백질 선택성 차이가 약리학적 효과 차이로 이어짐을 입증함

.

🔹 결론 및 의의

• 핵심 발견: GPCR–transducer 결합면을 표적하는 biased allosteric modulator (BAM)가

  
  

  G 단백질 subtype 선택성을 예측 가능하게 조절할 수 있음.

• 임상적 의미:

  • 특정 G 단백질 신호를 강화 또는 차단함으로써 부작용을 줄이는 신약 설계 가능.

  • 동일 scaffold 내 화학적 미세 변형으로 정밀한 신호 경로 제어 가능.

  • 이러한 전략은 다양한 GPCR 계열에도 확장 가능.

  

  a, Multidimensional SAR of SBI-553. b, Structures of SBI-553 and analogues SBI-342 and SBI-593 with radar plots summarizing the extent of transducer activation induced by SBI-553, SBI-342 and SBI-593 alone (compounds up to 30 µM, top) and in the presence of NT (compounds up to 30 µM, bottom). Values reflect % NT E_max at the highest compound concentration relative to NT in the presence of vehicle. In HEK293T cells transiently expressing NTSR1, G protein activation was assessed by TRUPATH, and β-arrestin recruitment was assessed by BRET. For underlying data, see Extended Data Fig. 9m. Data are mean of n = 3 independent experiments per compound per transducer. c, Top, NT-induced activation of G_oA in the presence of SBI-553 or SBI-342. Bottom, NT-induced activation of G_q in the presence of SBI-553 or SBI-593. SBI-553 plots were originally presented in Fig. 2c and are shown here to facilitate analogue comparison. Data are mean ± s.e.m. n = 3 independent experiments. d, SBI-553 can co-occupy NTSR1 with G_oA’s C terminus in its ‘open’ position, whereas the 9-methoxy group of SBI-342 clashes with G_oA. e, Molecular dynamics simulations indicate a repositioning of the G_q C terminus within the NTSR1 core. n = 3 for 100 nanoseconds (ns) and n = 3 for 300 ns. Representative image from a minimized low-energy frame. f, Attractive VDW contacts between SBI-593 and the G_q C terminus in its new position are shown as dotted green lines. For curve parameters, see Supplementary Table 5.

🔹 요약 도표

항목	SBI-553	SBI-342	SBI-593
주요 구조 변화	원형	C7–OCH₃	C7–CF₃
β-arrestin 활성	강함	유지	유지
Gq 억제	강함	유지	약함
GoA 활성	허용	상실	유지
G12/13 활성	허용	약화	유지
저체온증 차단	완전	부분	실패