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中科院最新Nature!解析维持血糖平衡重要蛋白结构,助推糖尿病新药研发

2018/01/04 来源:澎湃新闻/贺梨萍
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导读
中国科学院上海药物研究所吴蓓丽研究员和赵强研究员在蛋白质结构解析方面再次斩获成果:首次测定了胰高血糖素受体全长蛋白与多肽配体复合物的三维结构,揭示了胰高血糖素受体对细胞信号分子的特异性识别及其活化调控机制。相关论文于北京时间1月4日凌晨发表在国际顶级学术期刊《自然》。
本文转载自“澎湃新闻”,原标题:中国学者解析维持血糖平衡重要蛋白结构,助推糖尿病新药研发。

蛋白质作为生命活动的承载体及功能执行者,科学家们对其“真面目”始终保持好奇。在X射线衍射、核磁共振及近年来大火的冷冻电镜等技术的不断进步之下,蛋白质结构解析也日益成为科学界的“宠儿”。

最近,中国科学院上海药物研究所吴蓓丽研究员和赵强研究员在蛋白质结构解析方面再次斩获成果:首次测定了胰高血糖素受体(Glucagon receptor, GCGR)全长蛋白与多肽配体复合物的三维结构,揭示了胰高血糖素受体对细胞信号分子的特异性识别及其活化调控机制。相关论文于北京时间1月4日凌晨发表在国际顶级学术期刊《自然》(Nature)。


吴蓓丽在接受澎湃新闻(www.thepaper.cn)采访时表示,“我们解析的蛋白是B型G蛋白偶联受体(GPCR),这种蛋白比较大,结构解析相对来说比较难,这项工作也是对去年5月份成果的深入推进。”此前的2017年5月,吴蓓丽课题组同样在《自然》发文,报道了首个全长B型G蛋白偶联受体晶体结构。

值得注意的是,这是吴蓓丽课题组近年来在《自然》、《科学》(Science)这样的顶级学术期刊上主导发表的第六篇论文。吴蓓丽于2006年获清华大学生物物理专业博士学位,2007年至2011年在美国Scripps研究所进行博士后工作。2011年回国加入中国科学院上海药物研究所,并于同年入选中国科学院“百人计划”。现任中科院上海药物研究所研究员、课题组长。

2011年回国以来,吴蓓丽长期从事G蛋白偶联受体结构生物学的研究工作。曾解析了艾滋病病毒(HIV)共受体CXCR4和CCR5的结构,同时开展基于CCR5结构的药物研发,目前已获得药效显著优于上市药物的候选药物。此外,还解析了抗血栓药物靶标P2Y1R和P2Y12R的结构,首次发现位于受体分子外表面的全新配体结合位点。


中国科学院上海药物研究所吴蓓丽研究员

高度模拟受体蛋白功能状态

G蛋白偶联受体是人体内最大的膜受体蛋白家族,在细胞信号转导中发挥重要作用。这一蛋白家族与人体疾病关系密切,目前有40%以上的上市药物以该类受体蛋白为靶点。

根据其相似性,G蛋白偶联受体可分为A、B、C和F等四种类型。其中,B型G蛋白偶联受体包括胰高血糖素等多种重要的受体蛋白,识别并结合多肽类激素,对于维持体内激素平衡至关重要。

吴蓓丽对澎湃新闻表示,“胰高血糖素受体蛋白是治疗2型糖尿病药物的一个重要靶点,在人体内参与调解血糖平衡,在人体处于饥饿状态下,这个受体蛋白可以提高人体血液内的血糖浓度。”然而,其结构信息的缺失严重制约了对该受体信号识别和转导机制的认识,这也直接导致了目前尚无靶向胰高血糖素受体的药物上市。

实际上,去年5月份在《自然》刊发论文同样是解析了胰高血糖素受体蛋白的结构。不同之处在于,因前后两次结合的配体不同,受体蛋白活化状态产生了变化。

“之前我们解析的是胰高血糖素受体蛋白同时与一种抗体和一种小分子配体结合的复合物结构,这里面的抗体和小分子配体都是受体蛋白的抑制剂,所以整个受体蛋白是处于非激活状态的,也就意味着没有活性没有功能。”

吴蓓丽解释,“G蛋白偶联受体发挥它的功能,主要是要识别人体内不同的细胞信号分子,并与之相互结合。”为探究这一生物学功能状态下的受体构象,课题组解析了和此前不一样的复合物晶体结构,这一复合物除了胰高血糖素受体蛋白,还包括了一种多肽类配体NNC1702。

“B型G蛋白偶联受体识别的信号分子就是多肽,而且我们结构里的多肽配体实际上就是它要识别的天然信号分子的一个高度类似物。所以这个结构就能比较直接地告诉我们,这个受体蛋白是如何识别细胞信号的。”吴蓓丽对此评价,“这确实是我们取得的一次比较重要的进展。”

从未被发现的“连接肽作用”

获得高质量的复合物蛋白之后,吴蓓丽课题组借助X射线晶体衍射技术,获得了分辨率为 3.0 Å的高精度全长蛋白结构。

一般来说,B型G蛋白偶联受体包含胞外结构域(ECD)和跨膜结构域(TMD),两者共同参与识别细胞信号。研究团队在以往的研究中曾发现,胰高血糖素受体中连接胞外结构域和跨膜结构域的肽段,通过与受体蛋白其他区域的相互作用在受体活化调控中扮演关键角色。

在此番研究中,吴蓓丽及其同事分析了胰高血糖素受体与多肽配体NNC1702结合的复合物结构,并与以往解析的全长胰高血糖素受体结构进行比较。吴蓓丽提到,“我们这次的工作集中在,这个蛋白受体如何识别细胞信号?怎么通过受体自身的构象变化对这个信号进行调控?”

研究人员发现,上面提到扮演关键角色的连接肽段在受体结合多肽配体时发生了显著的构象变化。其蛋白质二级结构由β折叠转变为α螺旋,并伴随结构的迁移,使胰高血糖素受体的胞外结构域和跨膜结构域之间的相对取向发生了巨大变化,从而促进胰高血糖素受体与多肽配体NNC1702的紧密结合,导致胰高血糖素受体激活。

此外,该连接肽通过与多肽配体中段区域的相互作用对受体跨膜结构域的构象进行精细调节,进而调控受体活化。


全长GCGR结构示意图:GCGR参与调节体内血糖稳态,是治疗2型糖尿病药物的重要靶点。左图为全长GCGR蛋白与小分子变构调节剂NNC0640以及拮抗性抗体mAb1结合的复合物晶体结构;右图为全长GCGR蛋白与多肽配体NNC1702结合的复合物晶体结构。两个结构以飘带图和表面图表示,GCGR的跨膜结构域为蓝色,胞外结构域为橙色,连接肽为绿色,第一个胞外环区为紫红色,NNC1702为红色(右图),NNC0640为黄色(左图),抗体mAb1为蓝绿色(左图)。细胞膜以灰色区域表示。

赵强表示,“虽然只含12个氨基酸,但这个连接肽却发挥着如此重要的作用,这在过去的G蛋白偶联受体结构研究中从未被发现过,使我们对B型G蛋白偶联受体的信号调控机制有了更为深入的认识”。

基于胰高血糖素受体与NNC1702结合的复合物结构,该团队还运用受体配体竞争结合、计算机模拟和双电子共振等多种技术手段开展了一系列功能性研究,阐明了胰高血糖素受体在不同功能状态下构象的动态变化,并对受体活化的调控机制进行了深入的探究。

已开展药物研发

信号转导及调控机制解决后,终极目标在于2型糖尿病的新药研发。实际上,蛋白质结构解析正是药物研发的关键一步。

吴蓓丽课题组此番获得的进展对药物研发究竟意味着什么?“我们针对这个胰高血糖素受体蛋白进行药物研发的话,就是要找到这个受体蛋白的抑制剂,把受体功能抑制住,降低血糖浓度,这样就可以治疗2型糖尿病了。”

吴蓓丽表示,“这次复合物结构里的配体分子和天然的多肽信号分子是高度相似的,根据我们解析的这个结构就知道这个信号分子是怎样和受体蛋白相互作用,设计的药物要在人体内发挥作用,最直接的是能抑制这个受体蛋白和信号分子间的相互作用,那也就可以抑制这个受体的功能了。”

值得一提的是,论文中提到,此前已有研究人员解析了三种B型G蛋白偶联受体和多肽配体复合物的结构,但受限于分辨率不高,多肽配体和B型G蛋白偶联受体结合的特殊分子间相互作用依然很模糊。

吴蓓丽称,“精度低的话就会严重影响药物设计的可靠性,会为药物研发带来很多困难。精度一旦提上去以后就可以为药物设计提供精度比较高的模板,用这个模板来有针对性地设计化合物。”

据了解,中科院上海药物研究所目前已组织团队联合攻关,开展2型糖尿病新药的研发工作。

此外,针对胰高血糖素受体完整的信号调控机制尚未被明确阐明的现状,吴蓓丽表示,“目前我们的研究主要集中在胞外结构域和连接肽部分的构象变化,然而这个区域的构象变化是如何传导到细胞内的?也就是说整个构象的联动过程目前还不清楚。受体蛋白也不可能分区域割裂开来,它是一个整体,构象调控一环扣一环,还是要放在一个整体来研究,未来会在信号转导机制方面进一步深入。”

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