上海发布重大科研成果:解析人体关键蛋白结构,找到糖尿病、肿瘤治疗新线索
环球科学 · 2017/05/19
G蛋白偶联受体(G protein-coupled receptor, GPCR)是人体内最大的膜蛋白质家族,全部826个成员均包含七个跨膜螺旋。GPCR在细胞信号转导中发挥非常关键的作用,能响应细胞周围环境中的光信号或化学物质(如氨基酸、激素、神经递质和趋化因子等),激活细胞内的一系列转导通路。

报道 | 《环球科学》实习记者 秦琪凯

审校 | 上海科技大学iHuman研究所

复旦大学药学院 中科院上海药物研究所

G蛋白偶联受体(G protein-coupled receptor, GPCR)是人体内最大的膜蛋白质家族,全部826个成员均包含七个跨膜螺旋。GPCR在细胞信号转导中发挥非常关键的作用,能响应细胞周围环境中的光信号或化学物质(如氨基酸、激素、神经递质和趋化因子等),激活细胞内的一系列转导通路。

GPCR与人类疾病关系密切,是最大的药物靶标蛋白家族,目前40%以上的上市药物都以GPCR为靶点。然而,由于天然GPCR蛋白表达量低、性质不稳定,其高分辨率三维结构难以被解析,严重制约了相关药物的研发。

日前,上海的科研团队通过一系列手段,成功解析了人源胰高血糖素受体全长蛋白、人源胰高血糖素样肽1受体七次跨膜区和人源平滑受体多结构域的三维结构,为2型糖尿病和肿瘤治疗药物的设计研发提供了新的线索。

文中视频由吴蓓丽课题组、刘志杰课题组、徐菲课题组提供。对本文报道的研究有任何问题、想法,都可以在评论区留言,我们将邀请研究人员进行解答。

北京时间2017年5月17日,上海科创中心科研团队的多项G蛋白偶联受体(GPCR)重大科研成果集中亮相,相关新闻发布会在上海科技大学报告厅举行。

此次发布会介绍了中科院上海药物研究所领衔的科研团队在人源胰高血糖素受体(GCGR)全长蛋白的三维结构解析方面所取得的成果和上海科技大学iHuman研究所领衔的科研团队在人源胰高血糖素样肽1受体(GLP-1R)七次跨膜区晶体结构以及人源Smoothened(平滑)受体多结构域三维结构上获得的成果。前两项成果于北京时间5月18日凌晨在国际顶级学术期刊《自然》(Nature)上同时在线发表,后一项成果于北京时间5月17日傍晚在知名学术期刊《自然·通讯》(Nature Communications)上发表。复旦大学药学院是上述三项科研成果的主要合作单位。


部分主要项目参与人员合影。后排左起分别为刘志杰、Raymond C. Stevens、蒋华良、吴蓓丽、徐菲和王明伟,前排左一为宋高洁。

摄影:孙文智

iHuman研究所创始所长Raymond C. Stevens在发布会上说:“糖尿病是世界上发病率上升最快的疾病之一,而过去10年在中国这种致死性的疾病增长势头引领世界。一个世纪以来,世界其他地区的肥胖人群数量不断慢慢增长, 而在中国,生活水平的提高使得人们的发胖更加明显。由于肥胖是糖尿病的重要成因,针对糖尿病和肥胖的基础研究和新药开发都变得非常关键。而且,我们还需要理解研究糖尿病和肥胖症获得的新药在世界范围人群(比如在中国)是否有同样的效果。”

解析全长GCCR蛋白结构

胰高血糖素受体(glucagon receptor, GCGR)和胰高血糖素样肽-1受体(glucagon-like peptide-1 receptor, GLP-1R)正是维持人体血糖平衡的两个重要“调节器”:在饥饿状态下,GCGR通过与胰高血糖素(glucagon)结合来提高人体血糖水平;而GLP-1R主要在摄食后发挥作用,通过与胰高血糖素样肽-1(glucagon-like peptide-1)结合,刺激胰岛素分泌,使餐后血糖降低并维持在正常水平。

然而,获得稳定和高质量的全长GCGR蛋白难度极大,这不仅限制了人们对GCGR与其天然配体和小分子拮抗剂相互作用机制的理解,也影响了靶向该受体的药物研发——目前尚无上市药物。在美国Scripps研究所Raymond C. Stevens团队与中科院上海药物研究所王明伟课题组、蒋华良课题组的前期研究基础上,中科院上海药物所的科研团队联合国际伙伴成功解析了全长GCGR蛋白与一种小分子别构调节剂以及一个拮抗性抗体的复合物晶体结构,分辨率达到3.0埃(1埃=10-10米)。研究发现,GCGR连接胞外结构域和跨膜结构域的肽段通过其构象变化在受体活化调控中扮演关键角色。随后,该研究团队运用多种技术手段开展了一系列功能研究,充分验证了GCGR不同结构域之间的作用模式及其动态改变,阐明了这些构象变化对受体功能的影响和意义。该项目负责人吴蓓丽研究员表示:“该连接肽虽然只含12个氨基酸,却发挥着至关重要的作用,即充当‘开关’进而调控受体功能,其精细和高效令人惊叹”。

上述重大成果以“Structure of the full-length glucagon class B G-protein-coupled receptor”为题,以长文(Article)的形式在《自然》上发表,中科院上海药物所研究员吴蓓丽,复旦大学药学院院长、中科院上海药物所研究员王明伟,中科院上海药物所研究员、所长蒋华良为共同通讯作者(三位均为上科大生命科学与技术学院特聘教授),中科院上海药物所研究生张浩楠、乔安娜,王明伟组副研究员杨德华,药物所原研究生杨琳琳为共同第一作者,中科院上海药物所为第一完成单位。参与该项研究的还有复旦大学药学院、上科大iHuman研究所、美国Scripps研究所、美国亚利桑那州立大学以及中科院北京高能物理研究所等。


GCGR三维结构动画由吴蓓丽课题组提供

解析GLP-1R七次跨膜区结构

胰岛素分泌功能缺陷是引发糖尿病的主要原因,因此,促进胰岛素分泌便成为治疗糖尿病的主攻方向之一。胰高血糖素样肽-1受体(glucagon-like peptide-1 receptor, GLP-1R)是国际公认的2型糖尿病治疗靶标,目前已有多个靶向该受体的多肽药物上市,它们的年销售总额超过100亿美元。但是,由于多肽药物必须注射使用的缺陷,靶向GLP-1R的小分子口服药物一直是国际医药产业关注的热点,但科学家始终未能获得突破,三维结构的缺失是其中的原因之一。

上科大iHuman研究所宋高洁博士联合科研团队成员突破了GLP-1R在天然状态下异常不稳定、重组表达产量低的瓶颈,借助小分子拮抗剂进一步稳定受体蛋白,首次获得了该受体七次跨膜区(非活化状态)的晶体结构,分辨率达到2.7埃。该结构显示,两个小分子拮抗剂均结合在GLP-1R的第六个跨膜螺旋(TM6)的外围, 但具体结合模式各不相同,突变实验验证了二者结合细节上的不同。在三维结构的基础上,科研人员运用分子对接方法,构建了一个激动剂与GLP-1R结合的初步模型。该模型表明,拮抗剂和激动剂的结合位点存在部分重叠,后续的突变实验证实了这一点。在上述结果基础上,研究者推测了GLP-1R所属的B型G蛋白偶联受体家族可能的活化方式。这些发现为研发靶向GLP-1R的小分子口服药物提供了重要线索。

上述解析GLP-1R三维结构的重大成果以“Human GLP-1 receptor transmembrane domain structure in complex with allosteric modulators”为题,与前述GCGR研究成果在《自然》杂志上同时发表。上科大iHuman研究所创始所长、特聘教授、复旦大学药学院国际兼职教授、南加州大学教授Raymond C. Stevens,复旦大学药学院院长、中科院上海药物所研究员、上科大生命学院特聘教授王明伟,上科大iHuman研究所副所长、生命学院教授刘志杰是共同通讯作者,刘志杰组副研究员宋高洁是第一作者,上科大是第一完成单位。其他合作单位包括国家新药筛选中心、荷兰阿姆斯特丹自由大学、复旦大学药学院、美国南加州大学、中科院上海药物研究所以及GPCR国际研究联盟等。


GLP-1R三维结构动画由刘志杰课题组提供


GCGR全长蛋白与抗体及小分子别构调节剂复合物晶体结构(左)和GLP-1R跨膜区与别构调节小分子复合物的晶体结构(右)

“这两项工作彰显了多学科交叉、多技术融合和‘大兵团’协作的优势,对于未来开展世界前沿科学研究,抢占国际竞争制高点具有很高的借鉴价值”,中科院上海药物所所长蒋华良评论道。

“GLP-1R 结构的解析,是我25年从事GPCR结构生物学研究的重要成果之一,该工作也是继2016年成功解析人源大麻素受体CB1晶体结构之后,iHuman研究所科研团队在人体细胞信号转导研究领域的另一项重大突破”,上科大iHuman研究所所长Raymond C. Stevens自豪地说。

GLP-1R论文第一作者宋高洁在记者会发言中介绍到:“解析GLP-1R的结构之难,正在于其构象很不稳定。在做了300多个克隆构建,百余次的洗膜、纯化和晶体筛选后,我们才联合小分子配体以及使用多个点突变使蛋白稳定下来并得到晶体。”

“GCGR全长结构的揭示不但加深了我们对GPCR信号转导机制的理解,而且对靶向B型GPCR的药物研发具有重要的指导意义。接下来,我们将基于既往的研究成果,进一步开展靶向GCGR和GLP-1R的新药创制,争取从源头发力,持续突破”,复旦大学药学院院长王明伟强调说。

解析Smoothened受体结构

与此同时,上科大iHuman研究所科研团队及其合作者在F型GPCR研究方面也取得了重要进展。作为F型GPCR家族成员之一,Smoothened受体是Hedgehog信号通路中的关键因子,在胚胎发育、成体干细胞调控及肿瘤发生发展过程中起着关键作用,是抗肿瘤药物研发的重要靶标。除了典型的七次跨膜螺旋结构域以外,Smoothened受体还有富含半胱氨酸的胞外结构域。

科研人员创造性地设计能稳定受体多结构域的小分子用于结晶实验,成功解析了Smoothened受体全长蛋白的多结构域三维结构,分辨率达到2.9埃。该研究解密了Smoothened受体各结构域之间相互作用的结构基础,发现了具有成为药物作用靶点潜力的铰链区(Hinge domain),为相关抗肿瘤药物研发提供了宝贵的线索。上科大iHuman研究所PI、生命学院助理教授徐菲,上科大iHuman研究所副研究员(PI)陶厚朝,复旦大学药学院副研究员谭文福是共同通讯作者,上科大研究生张贤君是论文第一作者,上科大是第一完成单位。


Smoothened受体三维结构动画由徐菲课题组提供


Smoothened(平滑)受体全长蛋白与小分子复合物的晶体结构。

6年来,这个以中科院上海药物研究所、上科大iHuman研究所为主体,与复旦大学药学院、国家新药筛选中心密切合作的GPCR研究集群的科研团队共成功解析11个GPCR结构,在《细胞》(Cell)、《自然》和《科学》(Science)等顶级学术期刊上发表了12篇论文,开发出4个相关候选药物。原创科研、成果转化和学术交流相互促进,一个GPCR研究高地正在上海科创中心建设的核心区崛起。

GCGR论文链接:

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

GLP-1R论文链接:

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

Smoothened论文链接:

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

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