全世界都为解析CB1三维结构而较劲,上海科技大学率先突破

科技 2016-10-21 06:31:50
来源:上观新闻 作者:黄海华
在过去10年中,国际上众多科研机构的努力均以失败告终,人们甚至怀疑,用目前的研究方法根本就解不出CB1的结构。

大麻作为药物使用已有几千年历史,人源大麻素受体(简称 CB1)作为大麻主要有效成分的作用靶点,是治疗疼痛、炎症、肥胖症以及药物滥用的潜在药物靶点。长期以来,由于人们对于CB1到底长什么样子不甚清楚,以其为靶点的新药研发项目均因严重的副作用终止。上海科技大学iHuman研究所科研团队历时3年率先成功解析了CB1的三维精细结构,从而为高特异性、低副作用的药物设计开启了新篇章,这一成果北京时间10月20日晚24点在国际顶尖学术期刊《细胞》发表。


GPCR,细胞的“信号兵”


CB1是人类中枢神经系统中表达量最高的G蛋白偶联受体(简称GPCR)之一。我们不妨先来认识一下GPCR。眼下正值深秋,桂花飘香,使人忍不住会深吸一口气……在20世纪大部分时间里,人们并不清楚人的大脑是如何感知花香并作出反应的。两位美国科学家发现,细胞表面存在着一种蛋白质,也就是GPCR,充当了“信号兵”,将这些生物信号发送到细胞。这一发现后来获得了2012年度诺贝尔化学奖。GPCR负责了80%的跨细胞膜信号的接收和转导,约40%上市药物是以GPCR为靶点。


目前解析蛋白质结构的主要方法之一是X射线晶体衍射法,这个过程就像给蛋白质分子拍摄超高清晰度的3D照片。然而,GPCR却是结构生物学研究领域里最难啃的“硬骨头”之一:它的构象很不稳定,“活泼好动”,它的表达、纯化、结晶都非常困难。虽然全世界大量科研人员进行了多年的不懈努力,到目前为止仍然只解析出了30多个独特的GPCR三维结构。因此,靶向GPCR的药物至今仍是全球新药研发的重点和难点。

 

每天在实验室工作17个小时


作为人类中枢神经系统中表达量最高的GPCR之一,CB1是大麻主要有效成分的作用靶点,与CB1特异性结合的小分子拮抗剂在治疗肥胖及相关并发症、精神性疾病、肝纤维化和尼古丁成瘾等方面显示了不俗的效果。然而,靶向CB1的药物研发并不顺利。2006年,首个CB1特异性拮抗剂药物获得了欧洲医学委员会的上市批准,用于治疗肥胖症,但因为可能引发焦虑、抑郁、自杀倾向等副作用,而被禁止使用。


因此,获得CB1-拮抗剂复合物的三维精细结构,成为一道必须要跨过去的“槛”。在过去10年中,国际上众多科研机构的努力均以失败告终,人们甚至怀疑,用目前的研究方法根本就解不出CB1的结构。


如何破解这一困局?上海科技大学iHuman研究所决定邀请国际上水平较高并与iHuman形成优势互补的几个实验室组成联合研究团队。


被大家公认为“最努力的同学”博士生华甜承担了此项攻坚课题。看上去有些弱不禁风的华甜,却非常有韧性。从2013年3月起的三年里,除了春节期间休息一周,她每天早上7点多到实验室,晚上12点之后离开,在实验室工作约17个小时。在研究过程中,不管是蛋白性质优化、晶体生长还是分辨率的提高,都存在着让人意想不到的困难。当她好不容易拿到第一个晶体,时间已经过去了一年多。但是由于晶体堆积得不好,无法进行衍射,这就意味着所有的努力都白费了,必须从头开始。去年国庆,她回家参加哥哥的婚礼,在机场得知晶体衍射结果还是不好,一个人大哭了一场,再带着笑容出现在婚礼上。“有些时候我甚至都在怀疑自己是不是适合做科研。”不过,更多的时候,华甜对这个课题有一种固执,面对一次次的失败,她擦干眼泪后又重新回到实验室。三年来,她一共做了近500种克隆,筛选了100多个小分子拮抗剂。


功夫不负。就在全世界相关实验室都想第一个解析出CB1结构之时,今年5月联合科研团队成功解析了CB1与小分子拮抗剂复合物的精细晶体结构,分辨率达到2.8埃(1埃 = 10的负10次方米),为深入理解大麻素受体家族的结构-功能关系提供了重要的信息。

CB1与小分子拮抗剂复合物的精细晶体结构

 

目标:解析全部826个GPCR结构


上海科技大学iHuman研究所副所长、这一科研成果的共同通讯作者之一刘志杰教授介绍, 该晶体结构揭示了CB1结合AM6538的复杂疏水结合口袋,使其具备了成为长效缓释药物分子的巨大潜力,该特性也是治疗成瘾障碍药物的基本要求,这为靶向CB1的药物设计奠定了坚实的基础。此外,该团队还获得了不同类型的小分子激动剂与CB1的结合方式,为靶向CB1的激动剂药物研发提供了有用的线索。


GPCR是人体内最大的蛋白质家族,家族成员有826个。上海科技大学iHuman研究所从建立之初,就提出了解析全部826个GPCR结构的宏伟目标,称之为“826计划”。2014年,iHuman研究所联合美国南加州大学、中科院上海药物研究所及9家大型跨国药企组成了GPCR研究联盟,极大推进了研究的进程。目前iHuman研究所已在几个非常重要的GPCR结构生物学研究方面获得了高水平原创突破,人源大麻素受体(CB1)正是其中之一,成为了上海科创中心建设的重要成果。

 

图中左四为iHuman研究所副所长刘志杰教授,左五为华甜,左六为创始所长、特聘教授Raymond Stevens。

 

题图来源:采访对象提供 图片编辑:雍凯

题图说明:大麻素受体CB1与拮抗剂AM6538复合物三维结构卡通图。

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