Design and structural validation of peptide–drug conjugate ligands of the kappa-opioid receptor

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作者
Edin Muratspahić,Kristine Deibler,Jianming Han,Nataša Tomašević,Kirtikumar B. Jadhav,Aina-Leonor Olivé-Marti,Nadine Hochrainer,Roland Hellinger,Johannes Koehbach,Jonathan F. Fay,Mohammad Homaidur Rahman,Lamees Hegazy,Timothy W. Craven,Balázs Varga,Gaurav Bhardwaj,Kevin Appourchaux,Susruta Majumdar,Markus Muttenthaler,Parisa Hosseinzadeh,David J. Craik,Mariana Spetea,Tao Che,David Baker,Christian W. Gruber
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:14 (1)
标识
DOI:10.1038/s41467-023-43718-w
摘要

Abstract Despite the increasing number of GPCR structures and recent advances in peptide design, the development of efficient technologies allowing rational design of high-affinity peptide ligands for single GPCRs remains an unmet challenge. Here, we develop a computational approach for designing conjugates of lariat-shaped macrocyclized peptides and a small molecule opioid ligand. We demonstrate its feasibility by discovering chemical scaffolds for the kappa-opioid receptor (KOR) with desired pharmacological activities. The designed De Novo Cyclic Peptide (DNCP)-β-naloxamine (NalA) exhibit in vitro potent mixed KOR agonism/mu-opioid receptor (MOR) antagonism, nanomolar binding affinity, selectivity, and efficacy bias at KOR. Proof-of-concept in vivo efficacy studies demonstrate that DNCP-β-NalA(1) induces a potent KOR-mediated antinociception in male mice. The high-resolution cryo-EM structure (2.6 Å) of the DNCP-β-NalA–KOR–Gi1 complex and molecular dynamics simulations are harnessed to validate the computational design model. This reveals a network of residues in ECL2/3 and TM6/7 controlling the intrinsic efficacy of KOR. In general, our computational de novo platform overcomes extensive lead optimization encountered in ultra-large library docking and virtual small molecule screening campaigns and offers innovation for GPCR ligand discovery. This may drive the development of next-generation therapeutics for medical applications such as pain conditions.
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