上海發布重大科研成果：解析人體關鍵蛋白結構，找到糖尿病、腫瘤治療新線索

報道 | 《環球科學》實習記者 秦琪凱

審校 |上海科技大學iHuman研究所

復旦大學藥學院

中科院上海藥物研究所

G蛋白偶聯受體（G protein-coupled receptor, GPCR）是人體內最大的膜蛋白質家族，全部826個成員均包含七個跨膜螺旋。GPCR在細胞信號轉導中發揮非常關鍵的作用，能響應細胞周圍環境中的光信號或化學物質（如氨基酸、激素、神經遞質和趨化因子等），激活細胞內的一系列轉導通路。

GPCR與人類疾病關係密切，是最大的藥物靶標蛋白家族，目前40%以上的上市藥物都以GPCR為靶點。然而，由於天然GPCR蛋白表達量低、性質不穩定，其高解析度三維結構難以被解析，嚴重製約了相關藥物的研發。

日前，上海的科研團隊通過一系列手段，成功解析了人源胰高血糖素受體全長蛋白、人源胰高血糖素樣肽1受體七次跨膜區和人源平滑受體多結構域的三維結構，為2型糖尿病和腫瘤治療藥物的設計研發提供了新的線索。

文中視頻由吳蓓麗課題組、劉志傑課題組、徐菲課題組提供。對本文報道的研究有任何問題、想法，都可以在評論區留言，我們將邀請研究人員進行解答。

北京時間2017年5月17日，上海科創中心科研團隊的多項G蛋白偶聯受體（GPCR）重大科研成果集中亮相，相關新聞發布會在上海科技大學報告廳舉行。

此次發布會介紹了中科院上海藥物研究所領銜的科研團隊在人源胰高血糖素受體（GCGR）全長蛋白的三維結構解析方面所取得的成果和上海科技大學iHuman研究所領銜的科研團隊在人源胰高血糖素樣肽1受體（GLP-1R）七次跨膜區晶體結構以及人源Smoothened（平滑）受體多結構域三維結構上獲得的成果。前兩項成果於北京時間5月18日凌晨在國際頂級學術期刊《自然》（Nature）上同時在線發表，後一項成果於北京時間5月17日傍晚在知名學術期刊《自然·通訊》（Nature Communications）上發表。復旦大學藥學院是上述三項科研成果的主要合作單位。

部分主要項目參與人員合影。後排左起分別為劉志傑、Raymond C. Stevens、蔣華良、吳蓓麗、徐菲和王明偉，前排左一為宋高潔。

攝影：孫文智

iHuman研究所創始所長Raymond C. Stevens在發布會上說：「糖尿病是世界上發病率上升最快的疾病之一，而過去10年在中國這種致死性的疾病增長勢頭引領世界。一個世紀以來，世界其他地區的肥胖人群數量不斷慢慢增長， 而在中國，生活水平的提高使得人們的發胖更加明顯。由於肥胖是糖尿病的重要成因，針對糖尿病和肥胖的基礎研究和新葯開發都變得非常關鍵。而且，我們還需要理解研究糖尿病和肥胖症獲得的新葯在世界範圍人群（比如在中國）是否有同樣的效果。」

解析全長GCCR蛋白結構

胰高血糖素受體（glucagon receptor, GCGR)和胰高血糖素樣肽-1受體（glucagon-like peptide-1 receptor, GLP-1R）正是維持人體血糖平衡的兩個重要「調節器」：在飢餓狀態下，GCGR通過與胰高血糖素（glucagon）結合來提高人體血糖水平；而GLP-1R主要在攝食後發揮作用，通過與胰高血糖素樣肽-1（glucagon-like peptide-1）結合，刺激胰島素分泌，使餐後血糖降低並維持在正常水平。

然而，獲得穩定和高質量的全長GCGR蛋白難度極大，這不僅限制了人們對GCGR與其天然配體和小分子拮抗劑相互作用機制的理解，也影響了靶向該受體的藥物研發——目前尚無上市藥物。在美國Scripps研究所Raymond C. Stevens團隊與中科院上海藥物研究所王明偉課題組、蔣華良課題組的前期研究基礎上，中科院上海藥物所的科研團隊聯合國際夥伴成功解析了全長GCGR蛋白與一種小分子別構調節劑以及一個拮抗性抗體的複合物晶體結構，解析度達到3.0埃（1埃=10-10米）。研究發現，GCGR連接胞外結構域和跨膜結構域的肽段通過其構象變化在受體活化調控中扮演關鍵角色。隨後，該研究團隊運用多種技術手段開展了一系列功能研究，充分驗證了GCGR不同結構域之間的作用模式及其動態改變，闡明了這些構象變化對受體功能的影響和意義。該項目負責人吳蓓麗研究員表示：「該連接肽雖然只含12個氨基酸，卻發揮著至關重要的作用，即充當『開關』進而調控受體功能，其精細和高效令人驚嘆」。

上述重大成果以「Structure of the full-length glucagon class B G-protein-coupled receptor」為題，以長文（Article）的形式在《自然》上發表，中科院上海藥物所研究員吳蓓麗，復旦大學藥學院院長、中科院上海藥物所研究員王明偉，中科院上海藥物所研究員、所長蔣華良為共同通訊作者（三位均為上科大生命科學與技術學院特聘教授），中科院上海藥物所研究生張浩楠、喬安娜，王明偉組副研究員楊德華，藥物所原研究生楊琳琳為共同第一作者，中科院上海藥物所為第一完成單位。參與該項研究的還有復旦大學藥學院、上科大iHuman研究所、美國Scripps研究所、美國亞利桑那州立大學以及中科院北京高能物理研究所等。

GCGR三維結構動畫由吳蓓麗課題組提供

解析GLP-1R七次跨膜區結構

胰島素分泌功能缺陷是引發糖尿病的主要原因，因此，促進胰島素分泌便成為治療糖尿病的主攻方向之一。胰高血糖素樣肽-1受體（glucagon-like peptide-1 receptor, GLP-1R）是國際公認的2型糖尿病治療靶標，目前已有多個靶向該受體的多肽藥物上市，它們的年銷售總額超過100億美元。但是，由於多肽藥物必須注射使用的缺陷，靶向GLP-1R的小分子口服藥物一直是國際醫藥產業關注的熱點，但科學家始終未能獲得突破，三維結構的缺失是其中的原因之一。

上科大iHuman研究所宋高潔博士聯合科研團隊成員突破了GLP-1R在天然狀態下異常不穩定、重組表達產量低的瓶頸，藉助小分子拮抗劑進一步穩定受體蛋白，首次獲得了該受體七次跨膜區（非活化狀態）的晶體結構，解析度達到2.7埃。該結構顯示，兩個小分子拮抗劑均結合在GLP-1R的第六個跨膜螺旋（TM6）的外圍， 但具體結合模式各不相同，突變實驗驗證了二者結合細節上的不同。在三維結構的基礎上，科研人員運用分子對接方法，構建了一個激動劑與GLP-1R結合的初步模型。該模型表明，拮抗劑和激動劑的結合位點存在部分重疊，後續的突變實驗證實了這一點。在上述結果基礎上，研究者推測了GLP-1R所屬的B型G蛋白偶聯受體家族可能的活化方式。這些發現為研發靶向GLP-1R的小分子口服藥物提供了重要線索。

上述解析GLP-1R三維結構的重大成果以「Human GLP-1 receptor transmembrane domain structure in complex with allosteric modulators」為題，與前述GCGR研究成果在《自然》雜誌上同時發表。上科大iHuman研究所創始所長、特聘教授、復旦大學藥學院國際兼職教授、南加州大學教授Raymond C. Stevens，復旦大學藥學院院長、中科院上海藥物所研究員、上科大生命學院特聘教授王明偉，上科大iHuman研究所副所長、生命學院教授劉志傑是共同通訊作者，劉志傑組副研究員宋高潔是第一作者，上科大是第一完成單位。其他合作單位包括國家新葯篩選中心、荷蘭阿姆斯特丹自由大學、復旦大學藥學院、美國南加州大學、中科院上海藥物研究所以及GPCR國際研究聯盟等。

GLP-1R三維結構動畫由劉志傑課題組提供

GCGR全長蛋白與抗體及小分子別構調節劑複合物晶體結構（左）和GLP-1R跨膜區與別構調節小分子複合物的晶體結構（右）

「這兩項工作彰顯了多學科交叉、多技術融合和『大兵團』協作的優勢，對於未來開展世界前沿科學研究，搶佔國際競爭制高點具有很高的借鑒價值」，中科院上海藥物所所長蔣華良評論道。

「GLP-1R 結構的解析，是我25年從事GPCR結構生物學研究的重要成果之一，該工作也是繼2016年成功解析人源大麻素受體CB1晶體結構之後，iHuman研究所科研團隊在人體細胞信號轉導研究領域的另一項重大突破」，上科大iHuman研究所所長Raymond C. Stevens自豪地說。

GLP-1R論文第一作者宋高潔在記者會發言中介紹到：「解析GLP-1R的結構之難，正在於其構象很不穩定。在做了300多個克隆構建，百餘次的洗膜、純化和晶體篩選後，我們才聯合小分子配體以及使用多個點突變使蛋白穩定下來並得到晶體。」

「GCGR全長結構的揭示不但加深了我們對GPCR信號轉導機制的理解，而且對靶向B型GPCR的藥物研發具有重要的指導意義。接下來，我們將基於既往的研究成果，進一步開展靶向GCGR和GLP-1R的新葯創製，爭取從源頭髮力，持續突破」，復旦大學藥學院院長王明偉強調說。

解析Smoothened受體結構

與此同時，上科大iHuman研究所科研團隊及其合作者在F型GPCR研究方面也取得了重要進展。作為F型GPCR家族成員之一，Smoothened受體是Hedgehog信號通路中的關鍵因子，在胚胎髮育、成體幹細胞調控及腫瘤發生髮展過程中起著關鍵作用，是抗腫瘤藥物研發的重要靶標。除了典型的七次跨膜螺旋結構域以外，Smoothened受體還有富含半胱氨酸的胞外結構域。

科研人員創造性地設計能穩定受體多結構域的小分子用於結晶實驗，成功解析了Smoothened受體全長蛋白的多結構域三維結構，解析度達到2.9埃。該研究解密了Smoothened受體各結構域之間相互作用的結構基礎，發現了具有成為藥物作用靶點潛力的鉸鏈區（Hinge domain），為相關抗腫瘤藥物研發提供了寶貴的線索。上科大iHuman研究所PI、生命學院助理教授徐菲，上科大iHuman研究所副研究員（PI）陶厚朝，復旦大學藥學院副研究員譚文福是共同通訊作者，上科大研究生張賢君是論文第一作者，上科大是第一完成單位。

Smoothened受體三維結構動畫由徐菲課題組提供

Smoothened（平滑）受體全長蛋白與小分子複合物的晶體結構。

6年來，這個以中科院上海藥物研究所、上科大iHuman研究所為主體，與復旦大學藥學院、國家新葯篩選中心密切合作的GPCR研究集群的科研團隊共成功解析11個GPCR結構，在《細胞》（Cell）、《自然》和《科學》（Science）等頂級學術期刊上發表了12篇論文，開發出4個相關候選藥物。原創科研、成果轉化和學術交流相互促進，一個GPCR研究高地正在上海科創中心建設的核心區崛起。

GCGR論文鏈接：

http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature22363.html

GLP-1R論文鏈接：

http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature22378.html

Smoothened論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/ncomms15383

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