又1篇Nature！上海科大再發突破成果：人源大麻素受體「陰陽雙面」均獲解析

本文轉載自「上海科技大學」，原標題：人源大麻素受體「陰陽雙面」均獲解析——上科大GPCR團隊《Nature》再發重要成果。

繼5月份上海科創中心張江核心區G蛋白偶聯受體（GPCR）研究集群的多項重大科研成果集中亮相後，上海科技大學iHuman研究所的科研團隊再獲重大突破（5月Nature成果報道：中國科學家2篇Nature！研發2型糖尿病新葯有重要突破），成功解析了人源大麻素受體CB1（human Cannabinoid Receptor 1, CB1）與激動劑——四氫大麻酚（THC）類似物複合物的三維精細結構，揭示了大麻素受體在激動劑調控下的結構特徵和激活機制。北京時間7月6日凌晨，該項成果以「Crystal structuresof agonist-bound human cannabinoid receptor CB1」為題在國際頂尖學術期刊《Nature》上發表，並作為重點文章推介。該研究是iHuman研究所繼去年10月首次發表大麻素受體CB1與拮抗劑複合物的高解析度三維結構之後的又一重大突破，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。

該項研究由iHuman研究所副所長、教授劉志傑課題組，創始所長、特聘教授Raymond Stevens課題組，iHuman研究所PI、生命學院助理教授趙素文課題組及其它合作單位共同完成。劉志傑、趙素文是論文的共同通訊作者，劉志傑課題組博士研究生華甜（與中科院生物物理研究所聯合培養）是論文第一作者，上科大是第一完成單位。

iHuman研究團隊部分成員合影。從左至右：濮夢辰，吳屹然，劉志傑，華甜，Raymond Stevens,曲露，丁康

GPCR是人體內最大的細胞膜表面受體家族，在細胞信號轉導過程中發揮核心作用。GPCR也是藥物研發領域的「寵兒」，目前有近40%的上市藥物以GPCR為作用靶點。GPCR家族成員具有非常保守的七次跨膜螺旋結構，配體與受體結合後，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後呈現的三維結構可以說是這個受體的「陰陽雙面」。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。

大麻素受體CB1是人體中樞神經系統表達量最高的GPCR之一，它對人的精神和情緒調節至關重要。去年10月，iHuman研究所團隊率先在《Cell》上發表了人源大麻素受體CB1與拮抗劑小分子AM6538複合物的高解析度三維結構，該結構揭示了CB1在非活化狀態下的構象以及拮抗劑小分子與受體之間的作用模式，對設計更加特異、副作用更小的拮抗劑類藥物，比如肥胖、及肥胖引起的代謝類疾病，肝纖維化及尼古丁成癮等疾病，具有極大的促進作用。

大麻素受體CB1的激動劑在疼痛、炎症、多發性硬化症及神經退行性疾病等的治療中有非常大的潛力，但激動劑小分子，例如大麻里的主要精神類成分THC，是如何與CB1相互作用以及受體的活化機制等尚不清楚。

目前已解析的GPCR三維結構中大部分是與拮抗劑配體的複合物，與激動劑結合的活化狀態的GPCR構象非常活躍且不穩定，解析其複合物結構的難度相對較大。為獲得大麻素受體CB1與激動劑複合物的三維結構，iHuman研究團隊與美國東北大學的Makriyannis實驗室合作，基於THC設計並篩選了一系列特異性高，結合力強的激動劑小分子。經過多輪蛋白純化及結晶條件的篩選和優化後，成功解析了CB1與兩種新型激動劑小分子AM11542和AM841的三維精細結構。該結構不僅揭示了激動劑小分子與CB1的相互作用模式，更重要的是，研究者發現，這與之前解析的CB1-拮抗劑小分子複合物結構相比，發生了很大的構象變化。其中結合口袋體積發生了53%的變化（激動劑的結合口袋體積：383埃3，拮抗劑的結合口袋體積：821埃3，1埃= 10-10米），受體的整體結構變化包括蛋白的N端以及七次跨膜螺旋的構象的顯著變化（均方根偏差為3.5埃）是在以往解析的GPCR結構中變化最大的。這些結構特徵也從分子水平解釋了為什麼大麻素受體CB1可以與多種不同類型的配體相互作用，參與和調控人體中多種非常重要的生理活動，同時也為今後針對GPCR的藥物設計提供了新的思路。

該研究的另一重要發現是，首次從三維結構上觀測到兩個氨基酸（Phe2003.36/ Trp3566.48）在受體激活過程中的協同構象變化，相當於「雙耦合開關」（twin toggle switch），這一協同變化效應可能與CB1的活化機制密切相關。此外，通過與iHuman研究所趙素文課題組及北京計算科學研究中心劉海廣教授課題組合作，基於該晶體結構對不同類型CB1激動劑進行分子對接及動力學模擬分析，得到了不同配體的結合模式並進行了功能性實驗驗證。為設計針對CB1的激動劑類藥物分子以及探究CB1受體的活化機制提供了非常重要的結構基礎。

CB1與激動劑複合物的三維結構（a）；激動劑與拮抗劑小分子結合方式及結合口袋比較

（b-d, 藍色: 與拮抗劑AM6538結合的受體；橙色: 與激動劑AM11542結合的受體）

「掌握了CB1與激動劑和拮抗劑複合物的三維結構信息，或者說看清了這個受體的『陰陽雙面』，不僅對於內源性大麻素系統的功能機制研究極其重要，對一系列疾病，如炎症、疼痛和多發性硬化症等的藥物研發有重要的指導意義。同時，由於大麻濫用及合法化等問題，該研究也有非常重要的社會價值。我們很高興能取得了這個歷史性突破」，劉志傑教授說。

值得一提的是，這也是博士研究生華甜繼去年10月發表在《Cell》後，作為第一作者取得的第二項重大科研成果，「其實這項研究在去年向《Cell》投稿前後就開始了，是同步進行的，為了及時攻克CB1與激動劑複合物的晶體結構，我主動把博士畢業的時間延後了一年。」華甜說。華甜的導師、劉志傑教授表示，華甜的成功並不意外，她十分刻苦，幾乎每天在實驗室工作17個小時，春節只回家幾天就匆匆趕回上海的實驗室。

華甜表示，機遇和努力同樣重要。「非常幸運來到上科大，」華甜說，「劉志傑老師和Stevens教授都非常關心鼓勵我，在這裡，我們經常和來自世界各地的專家學者分享交流，和國際一流的科研無縫銜接，我相信iHuman研究所是世界上最好的GPCR研究平台之一」。據悉，iHuman研究所每年舉行人體細胞信號轉導領域的學術年會，每周和中科院上海藥物研究所、南加州大學等國內外合作單位一起召開遠程國際組會，在該領域的學術影響力持續提升。

當被問及博士畢業後的打算時，華甜說：「我的志向是沿著從結構解析到藥物研發的路徑往前探索，研發基於GPCR的新型藥物，為人類造福。畢業後我將留在iHuman研究所，藉助上科大的優勢研究資源和前期研究成果，立即啟動藥物研發課題，希望在最短的時間內獲得具有高度專一性和無副作用的候選藥物分子」。為抓住目前的良好發展勢頭，iHuman研究所與上科大免疫化學研究所等單位合作，已啟動了多個針對重要疾病相關GPCR的藥物研發項目。「iHuman研究所的願景就是通過對人體細胞信號轉導的基礎和轉化研究，發現治療疾病的創新藥物從而促進人類健康；同時通過高水平的科技創新，培養新一代的科技創業者。我們全力支持華甜啟動基礎科研成果的轉化研究，幫助她實現用創新型藥物回饋社會的志向」，劉志傑教授說。

該項研究由iHuman研究所聯合美國東北大學、美國斯克利普斯研究所、美國南加州大學、北京計算科學研究中心和GPCR聯盟等單位科研人員合作完成，同時獲得了國家自然科學基金委、科技部及上海市政府的經費支持。

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