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上科大研究團隊揭示GPCR多重藥理學分子機制成果

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摘要:2018 新年伊始,上海科技大學 iHuman 研究所在人體細胞信號轉導研究領域再獲重大突破。該團隊率先解析了與肥胖、精神類疾病密切相關靶點——五羥色胺 2C 受體 (human serotonin 2C receptor, 5-HT2C) 的三維精細結構,并以此為線索,揭示了人體細胞信號轉導中的“重要成員”——G 蛋白偶聯受體(GPCR)家族多重藥理學的分子機制。北京時間 2 月 2 日,該成果
2018 新年伊始,上海科技大學 iHuman 研究所在人體細胞信號轉導研究領域再獲重大突破。該團隊率先解析了與肥胖、精神類疾病密切相關靶點——五羥色胺 2C 受體 (human serotonin 2C receptor, 5-HT2C) 的三維精細結構,并以此為線索,揭示了人體細胞信號轉導中的“重要成員”——G 蛋白偶聯受體(GPCR)家族多重藥理學的分子機制。北京時間 2 月 2 日,該成果以“5-HT2C Receptor Structures Reveal the Structural Basis of GPCR Polypharmacology”為題, 在國際頂尖學術期刊《Cell》上在線 發表 。值得一提的是,該研究是上海科技大學 iHuman 研究所繼 2016 年、2017 年在國際上首次發表大麻素受體、胰高血糖素樣肽受體高分辨率三維結構之后的又一重大突破,是 GPCR 結構功能研究領域的又一項高水平、系統性的研究成果。
上海科技大學與中國科學院生物物理研究所聯合培養博士生彭瑤為論文第一作者,iHuman 研究所執行所長劉志杰教授,創始所長、特聘教授 Raymond Stevens 及美國北卡萊羅納大學 Bryan Roth 教授為論文共同通訊作者, 上科大為第一完成單位。
人體細胞表面分布著許多 G 蛋白偶聯受體,其功能相當于細胞的“信號兵”。這些“信號兵”負責細胞間的信息交流,進而廣泛參與人體生理或病理狀態的調節。它們與人們的日常生活密切相關——比如眼睛能看到燦爛的陽光,鼻子能聞到花朵的芬芳,舌頭能嘗到食物的酸甜苦辣,其失調將導致疾病的發生。因此,GPCR 是藥物研發領域的“寵兒”,目前市場上超過 40% 的在售藥物都以 GPCR 為靶點。GPCR 家族成員具有非常保守的七次跨膜螺旋結構,配體與受體結合后,通過跨膜區的構象變化,將信息傳遞到細胞內。配體的性質決定 GPCR 的狀態:起激活作用的配體(激動劑)使受體活化,而起抑制作用的配體(拮抗劑)則抑制受體活性的發揮,受體與這兩類配體結合后呈現的三維結構可以說是這個受體的“動靜兩面”。針對不同的 GPCR,激動劑或拮抗劑配體具有不同的藥物開發價值。
作為 GPCR 家族的一份子,五羥色胺 2C 受體(5-HT2C)負責調控人體情緒、食欲、睡眠、疼痛、成癮、記憶等多個重要生理和心理狀態。目前已有針對五羥色胺 2C 受體的藥物上市,如氯卡色林就是被美國 FDA 批準上市的減肥藥。五羥色胺 2C 受體也是抑郁癥,精神分裂癥,藥物成癮以及其他精神類疾病的潛在藥物靶標。
然而,基于五羥色胺 2C 受體的藥物研發并不順利,很多療效很好的小分子藥物由于脫靶效應導致不同程度的副作用。如減肥藥氯卡色林也能作用于其他靶標而導致心臟瓣膜疾病的發生。究其原因,主要是由于五羥色胺受體家族成員間相似度很高,導致藥物無法準確識別其作用靶標。這種現象在其它靶向藥物中也經常出現,成為藥物研發的痛點。
因此,在針對 GPCR 進行藥物設計時需要根據實際情況采取不同策略:一種方案是使藥物具備高度選擇性,即一種藥只作用到一種靶點上(“一石一鳥”),這樣有助于避免藥物的副作用,這也是傳統藥物設計所采取的方案;另一種則是使藥物具備多重藥理性,即一種藥物作用到多個需要的靶點上(“一石數鳥”),在巧妙規避產生副作用靶點的同時,提高藥物治療復雜疾病的藥效。“一石數鳥”的藥物研發策略主要運用在解決復雜疾病上,如受多個靶點調控的精神類疾病等。
有鑒于此,2014 年 6 月,iHuman 研究團隊決定以五羥色胺 2C 受體為研究對象探索多重藥理學藥物設計的結構基礎。在隨后的兩年半中,研究團隊克服重重困難,在嘗試了 200 多個克隆構建、多種蛋白質表達系統及純化條件、結晶優化及數據收集實驗后,最終同時解析了激動劑和拮抗劑結合的兩種不同狀態的受體結構。
通過獲得五羥色胺 2C 受體與兩種不同藥物分子相結合的“3D 照片”(即精細三維結構),研究者首次在一種 GPCR 上分別揭示激動劑具有多重藥理特性(“一石數鳥”)以及拮抗劑獲得高選擇性(“一石一鳥”)的分子機制。為針對不同需求設計更加精準的靶向藥物提供了理論依據。值得一提的是,這也是在國際上首次獲得處于拮抗狀態五羥色胺受體的三維結構。
“在人體中有 800 多個 G 蛋白偶聯受體,但至今只有近 50 個 GPCR 的新結構獲得解析。在此之前,只有 2 個五羥色胺受體結構得到解析,并且均是激動態的”。論文第一作者彭瑤說:“在經過不懈努力后最終在同一天獲得激動和拮抗兩種不同狀態的受體結構,有一種夢想成真的感覺。這一對受體結構就好似一個人具有完全不同的雙重性格。通過分析和比較兩個結構及功能異同,為我們深入研究五羥色胺 2C 受體與藥物分子的相互作用機制提供了極其寶貴的信息。”
“通過分析晶體結構以及兩種不同配體的藥理學作用,我們提出了針對 G 蛋白偶聯受體結構進行多重藥理性藥物設計的思路。相信這種嘗試對未來藥物研發必將有很好的啟發意義。” iHuman 研究所劉志杰教授說道。“我們對于 G 蛋白偶聯受體多重藥理性分子機制的理解仍處于初期,針對復雜的重大疾病進行多重藥理學藥物設計的過程還有很多難題急需攻克。希望經過研究團隊的努力能夠促進人們對 GPCR 多重藥理學機制的深入了解,為解除病人病痛設計出更加神奇的多靶點藥物,” Raymond Stevens 教授總結道,“這將為新一代 G 蛋白偶聯受體藥物設計描繪出更加清晰的路線圖。”
本項研究中丹麥哥本哈根大學 David E. Gloriam 課題組負責結構信息分析工作,iHuman 研究所趙素文課題組負責計算生物學,程建軍課題組負責藥物化學分析工作。iHuman 研究所基因克隆平臺、真核細胞表達平臺、蛋白純化平臺、功能研究平臺的工作人員為該項研究提供了強大的技術支持。本工作主要獲得上海市政府及上海科技大學的經費支持,同時獲得了國家自然科學基金委以及科技部的資助。
作為一個國際化高水平的研究機構,上海科技大學 iHuman 研究所(ihuman.shanghaitech.edu.cn)聚集了一批從事人體細胞信號轉導的國內外知名學者,通過整合多種研究方法,聚焦跨尺度多模態的整合生物學研究。劉志杰教授和 Raymond Stevens 教授領導的研究團隊在過去兩年中在多個重要 GPCR 的結構與功能研究中獲得突破,他們對大麻素受體 CB1 的系列研究成果分別發表在 2016 年 10 月的《Cell》和 2017 年 7 月的《Nature》上,與糖尿病相關靶點 GLP1 的研究成果發表在 2017 年 5 月的《Nature》上。各類科研人才齊聚,加上高水平的科研平臺,嚴謹務實的科研氛圍,開放活躍的學術交流氣氛使 iHuman 這個年輕的研究所已初具國際一流研究機構的良好發展態勢。
2016 年 4 月 15 日,國務院發布上海科創中心建設方案,明確指出上科大在上海張江綜合性國家科學中心建設中承擔重要任務。目前,學校正與中科院上海分院科研院所等單位合作,負責或參與建設軟 X 射線自由電子激光用戶裝置、活細胞結構和功能成像等線站工程、超強超短激光實驗裝置、上海光源二期線站工程,牽頭硬 X 射線自由電子激光裝置的建設,并承擔多項科創中心建設重點工作。截至 2018 年 1 月,學校的五個學院、三個研究所(包括 iHuman 研究所)已經建立了 157 個研究組,科研工作全面開展,五羥色胺 2C 受體三維結構解析這樣的高水平科研成果正在不斷涌現,這些科研突破也是上海科創中心在基礎科學研究方面的又一重大成果。(生物谷 Bioon.com)
上科大研究團隊揭示GPCR多重藥理學分子機制成果

A: 兩種不同狀態的五羥色胺 2C 受體三維結構圖, 橙色為激活狀態,綠色為抑制狀態。
B:細胞膜外的差異 C:細胞膜內的差異
上科大研究團隊揭示GPCR多重藥理學分子機制成果

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