第二十六屆中國國際醫藥(工業)展覽會暨技術交流會
API China 2022第88屆中國國際醫藥原料藥/中間體/包裝/設備交易會
展會時間:2022年05月10日-12日   展覽地點:青島    展館名稱:青島世博城國際展覽中心

泛談NASH生物藥(二)FGF19/21及其受體的組織表達

游方和尚專欄 | 泛談NASH生物藥(二)FGF19/21及其受體的組織表達


導論

本文為《泛談NASH生物藥》系列文章的第二篇,本系列旨在,基于已發表的研究,文獻和資料,探索NASH生物藥的開發現狀及其前景預測。筆者將介紹和引用這些資料;除某些特別關鍵的參考文獻外,恕不逐一詳細指明出處;特別是一些沒有太大爭議的共識。以下筆者將主要對相關信息和學術見解做去粗取精的處理并加上的分析,判斷, 以達到拋磚引玉, 引發更多的相關討論,交流和研究,從而達到與各位同仁共同學習提高, 推動中國新藥創制和研發的目的。本篇首先介紹整個FGF家族蛋白及其受體的組織表達和分布;之后,主要關注FGF19/21,以及對于NASH治療的初步思考。希望本文能促進NASH生物藥的研發,最終造?;颊?。
筆者不久前簡短地介紹了一個處于臨床II期的在研NASH創新生物藥,Aldafermin(即早期文獻中的NGM282)。這是一個非腫瘤原性FGF19工程變異體。其臨床II期研究第12周的結果(每天一次皮下注射,1和3 mg,見擴展閱讀#4),在降低肝脂肪沉積和逆轉肝纖維化方面頗為令人驚艷。因此,值得進一步探索這些數據背后深層原因以及對治療NASH的策略的進一步思考。本文將從FGF19及其受體的組織分布(所有FGFs和FGFRs的基因表達數據都來自C57/Bl6小鼠),和兩個非腫瘤原性FGF19工程變異體,M52和M70(NGM282,Aldafermin),的臨床前和臨床數據出發,來探索這個話題。
與此相關,本文也討論了FGF21及其受體的組織表達和分布;因為FGF21與FGF19同屬于內分泌性FGF,都有候選藥物在針對NASH的臨床研究中。二者有很多相同/相似的藥理作用,但也各有的特點。 特別是最近Akero Therapeutics報告了一個FGF21類似物的臨床II期研究第12-16周的結果(見擴展閱讀#1)。Efruxifermin,每周一次皮下注射,28,50,或70mg,表現出優異的臨床效果和安全性;并在下列三個關鍵的方面顯示出卓越的療效:(1)改善肝組織學和纖維化;(2)改善脂質和糖尿病參數;(3)顯著的減肥效益;考慮到NASH與T2DM,肥胖,和心血管疾病的密切關系,Efruxifermin似乎是目前治療NASH的best-in-class的在研(生物)藥。
總之,Aldafermin 和Efruxifermin都是目前在研的,極具潛力的NASH生物藥。下一個問題是:究竟哪一個(類)更好呢?換言之,如果現在要從頭開發一個NASH生物藥,是選擇基于FGF19,還是選擇FGF21?本文將從FGF19/21的組織表達及其受體的組織分布出發,綜合FGF的基礎生物學知識,和現有的臨床數據,從轉化醫學和研究(Translational Medicine and Research)的角度對上述問題試圖進行解答。

1. 成纖維細胞生長因子(Fibroblast Growth Factors,FGFs)

根據序列同源和家族演化的差異, 可以將哺乳動物的18個成纖維細胞生長因子(FGF1–FGF10 和 FGF16–FGF23) 分為6個亞家族;經典的FGF是附分泌因子(paracrine factors),并以其在胚胎發育過程中對組織模式和器官發生的作用而聞名;前5個亞家族屬于這一類。與之相反, 第6個亞家族,FGF15/19(FGF15是人類FGF19的小鼠同源蛋白),FGF21 和 FGF23,具有和激素一樣的內分泌功能, 以調節膽汁酸、膽固醇、葡萄糖、維生素D 和磷酸鹽的生理穩態。
FGF信號傳輸的異常而導致人類疾病是有多文獻報告的。失控的FGF信號傳輸可以通過配體,即FGFs本身因基因突變而導致的功能的增益或喪失,從而致?。豪?,FGF23在常染色體顯性低磷佝僂?。╝utosomal dominant hypophosphataemic rickets)中功能增加,FGF10功能喪失導致LADD綜合征,FGF3功能喪失導致失聰和FGF8功能喪失導致Kallmann綜合癥。失控的FGF信號傳輸以可以通過受體,即FGFR的功能增益或喪失的基因突變,從而導致許多骨骼綜合癥,Kallmann綜合癥,LADD綜合癥和癌癥。在生殖細胞中,FGFR的功能增益性的基因突變會導致各種疾病,如顱骨突生(craniosynostosis)、矮化綜合征(dwarfing syndromes)和癌癥。值得注意的是,許多導致骨骼綜合征的生殖細胞的基因突變也通過體細胞基因突變而導致癌癥。此外,FGFR1-FGFR3的突變通常發生在同源氨基酸(homologous residues)上,并造成多種疾病。

FGF的組織表達分布

圖1a-1b中顯示了C57/Bl6小鼠中多數FGFs的mRNA表達水平(依據phylogenetic subfamily分組)。 該條形圖展示了歸一化的mRNA水平(任意單位),是通過將FGFs的mRNA基因表達的平均,效率-校正(efficiency-corrected)過的數值除以18S rRNA表達數值而獲得。將上述結果乘以105,即為圖中所表示的數值。為了便于討論, mRNA相對數值等于或大于0.1任意單位為高表達的基因,而qPCR的cycle time等于或大于34的mRNA水平則被認為檢測不到該基因的表達。

2. FGFRs

哺乳動物FGF受體(FGFR)基因(FGFR1-FGFR4)編碼單通-跨膜酪氨酸激酶,具有細胞外配體結合域,跨膜域和細胞內激酶域。配體結合域由三個Ig樣域(D1-D3)組成。FGFR的D2和D3區域介導FGF結合的親和力(affinity)和特異性(specificity)。FGFR-1,-2 和 -3 具有兩個alternative exons(b和c)來編碼D3的后半部分,它們以組織特異的方式拼接。此拼接事件(splicing event)在決定FGF-FGFR結合特異性方面起著至關重要的作用。因此,總共有7個主要FGFR,即FGFR-1b,-1c,-2b,-2c,-3b,-3c和-4,每個都由FGF的唯一子集合所激活。

FGFR受體的組織表達分布

FGFR1和FGFR2都非常廣泛地表達于各種組織(圖2A和2B)。FGFR1c isoform在大多數組織中高度表達,而 FGFR1b mRNA水平僅在大腦、舌頭、前體腺、輸精管(vas deferens)和皮膚(圖2A)中較高。除了FGFR2c isoform在CNS中占主導地位,FGFR2b和FGFR2c在大多數其他組織中表達水平都相當(圖2B)。FGFR3b和FGFR3c isoforms具有非常不同的表達模式。FGFR3b 在胃腸道(GI)組織,肝臟,腎臟,肺和皮膚中最為豐富,但絕對水平非常低。相比之下,FGFR3c在整個CNS以及肺和腎臟中高度表達(圖2C)。FGFR4在腎臟,肝臟和腎上腺中高度表達(圖2D)。FGFR4在肺部也高度表達,它與FGFR3一起促進新生兒產后肺部發育期間肺泡的形成。本文將特別關注如下FGFRs的組織表達與分布: FGFR1c, FGFR3c, FGFR4和b-Klotho,因為它們是FGF15/19 和FGF21的受體的一部分。

圖1a. C57/Bl6小鼠組織中的FGF-1,-4,-7和-8亞家族的組織/解剖表達譜。qPCR數據以三次測量的平均值 + SD呈現。

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圖1b. C57/Bl6小鼠組織中的FGF-9和-11亞家族的組織/解剖表達譜。qPCR數據以三次測量的平均值 + SD呈現。

圖1a-1b中數據的詳細解讀,請參閱本文末的參考文獻,此處不再贅述。

FGFR特異性

FGFs(N=18)與其受體的結合特異性由他們氨基酸序列的差異調控,再加上FGF,FGFR 和 HSGAG 的基因在時間和空間上的不同表達得以進一步調控。FGFR的替代拼接isoforms(alternative splice isoforms)通常具有組織特異性的表達:b isoforms通常表達于上皮(epithelial)組織中,而 c isoforms通常表達于間充質(mesenchymal)組織中。 在上皮或間充質組織中產生的FGF通常激活相反組織中的FGFR:即上皮產生的FGFs激活間充質組織中的FGFR,反之亦然。但有幾個FGFs是例外,特別是FGF1無差別地結合某些FGFRs的b和c isoforms。FGF與其受體之間的結合特異性的喪失可能引起疾病,這在FGF過度表達的癌癥中較為常見。

圖2. C57/Bl6小鼠中FGFR的器官組織表達譜。qPCR數據以三次測量的平均值 + SD呈現。


3. 內分泌性的FGF

內分泌成纖維細胞生長素(Endocrine FGF)在與其遙遠的靶標細胞/組織上表現出信號傳遞效應,包括FGF15(小鼠)/19(人類)亞家族的FGFs。這個家族的3個FGFs,FGF15/19,FGF21和FGF23都被認為是動物整體生理學狀態(whole animal physiology)的強有力的調節因子;它們的功能與傳統的附分泌(paracrine)/自分泌(autocrine)的FGFs的功能不同,它們充當了遠距離信號分子(long-distance signaling molecules)。多個基因敲除小鼠模型的表型反復證明,這組生長因子在代謝過程中具有重要作用。這個亞家族的3個成員都需要,除相關FGF受體之外,一個不可缺少的共同受體:Klotho(FGF23);和b-Klotho(FGF19和FGF21)。FGF15/19在回腸中產生,主要調節膽汁酸的合成和分泌;而FGF23主要在骨骼中產生,調節磷酸鹽代謝。FGF21的表達范圍則更廣泛,擁有不同的代謝調控作用,其生理/藥理作用更具復雜性。本文以下主要關注FGF19/FGF21及其受體的組織表達與分布。

圖3. FGF19亞家族的器官組織表達譜(C57/Bl6小鼠組織)。qPCR數據以三次測量平均值 + SD呈現


為了傳輸信號,內分泌性FGFs依賴于其各自目標組織中是否存在a-klotho或b-klotho(分別由Kl和Klb基因編碼)。klotho蛋白結合內分泌性FGFs及其相關的FGFRs,以增加配體與受體的親和力。a-Klotho的發現源于缺乏該基因的小鼠過早衰老。Kl基因的過度表達可以延長小鼠的壽命。b-Klotho蛋白的細胞外域會作為體液因子分泌到血液和腦脊液中。

Klotho家族共同受體

Klothos 是I型跨膜糖蛋白,具有含有b-糖苷酶(b-glycosidase)類域的細胞外區域。Klotho被發現能減緩小鼠衰老。Klotho基因缺失的表型是過早衰老,而過度表達Klotho的轉基因小鼠增強了對氧化壓力的抵抗力,壽命顯著延長。 最近的研究表明,Klotho具有多種功能,最顯著的是作為FGF23的共同受體(co-receptor)。b-Klotho是根據與Klotho的序列相似性確定的,也是FGF15/19和FGF21發揮作用所必需的共同受體。 最近,乳糖酶樣(Lctl)基因,也稱為Klotho/乳糖酶- phlorizin水解酶-相關蛋白(Klotho/lactase-phlorizin hydrolase-related protein),被證明是Klotho家族的第三個成員。與Klotho和b-Klotho不同,Lctl 在細胞外區域只包含一個b-糖苷酶樣域(b-glycosidase-like domain)。目前尚未確定Lctl是否是內分泌類FGFs的共同受體。

Klotho

Klotho與FGFR1c,FGFR3c和FGFR4結合,形成FGF23的受體復合物。Klotho在腎臟中高度表達(圖4),它在調節磷酸鹽、鈣和維生素D代謝方面有著已經確定的作用。Klotho也在整個CNS和甲狀腺表達,雖然水平低得多。

b-Klotho

b-Klotho缺陷的小鼠表現出膽汁酸合成增加和膽囊縮小,這個表型也出現在缺乏FGFR4或FGF15的小鼠中。b-Klotho與FGFR4相互作用,形成FGF15/19的功能受體。b-Klotho還結合FGFR1/2/3/4 形成FGF21的受體。b-Klotho高表達于肝腸道組織,包括肝臟,膽囊,結腸,和胰腺(圖4);它也在白色和棕色脂肪組織中高度表達,這與FGF15/19和FGF21在這些組織上的效應一致。

圖4. Klotho家族蛋白和FGF結合蛋白(FGFBP1)的器官組織表達譜,以及Lctl活性分析。qPCR數據以三次測量平均值 + SD呈現。本文不會特別關注探討Lctl 和FGFBP。

圖5將FGF15/19和FGF21及其相關受體的組織表達譜整合到一個圖中,以方便總體分析如下:(1)FGF5/19主要由回腸表達,生產;其作用靶標組織,即受體FGFR4和共同受體b-Klotho表達較高的組織,是:肝臟;其次為膽囊和大腸;(2)FGF21主要由胰腺,肝臟,睪丸表達,生產,其作用靶標組織,即受體FGFR-1c, -3c, -4與共同受體b-Klotho表達較高的組織比較廣泛,與NASH特別相關的是:褐色脂肪組織(BAT),白色脂肪組織(WAT),肝臟,膽囊,大腸;胰腺,等。顯然, FGF21的作用靶標組織要比FGF15/19廣泛得多,并且包含了FGF15/19的靶標組織。FGF19和FGF21的組織表達及其受體的組織分布,實際上,也表明了它們各自功能的相同點和不同點;也都暗示了其作為藥物的用途。后續文章將繼續解析這二者的相同和不同的生理學特征,以及對于開發相關NASH生物藥的意義。

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