浙江大学百人学者张海涛:Nature文章解开二十年谜题

【字体: 时间:2017年05月22日 来源:生物通

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  一组研究人员发表了题为“Structural basis for selectivity and diversity in angiotensin II receptors”的文章,利用一种称为X射线自由电子激光(X-ray free electron laser,XFEL)的设备,通过发光元件分析了一种有潜力的药物靶标。这一研究成果公布在4月5日的Nature杂志上。

  

生物通报道:科学家们的一大目标就是为一系列的致命疾病设计新型药物。但是这并不容易,不仅开发成本高,而且费时费力,甚至有时是徒劳的,其中一个关键挑战在于理解一类特殊的蛋白,这也就是大多数药物的靶标。

来自亚利桑那州立大学,浙江大学,由张海涛(Haitao Zhang)研究员,Wei Liu以及Vadim Cherezov等人领导的研究组发表了题为“Structural basis for selectivity and diversity in angiotensin II receptors”的文章,利用一种称为X射线自由电子激光(X-ray free electron laser,XFEL)的设备,通过发光元件分析了一种有潜力的药物靶标。这一研究成果公布在4月5日的Nature杂志上。

研究人员指出一种关键的细胞受体:AT2R未来将会发挥重要的作用,这一研究组的研究成果也将会加速新型化合物的开发,针对心血管疾病,神经性疼痛和组织生长提出新的治疗方法。

AT2R属于著名的GPCR(G蛋白偶联受体)细胞受体家族,这是人类基因组中最大的膜蛋白家族,包含约800-1000个成员,在视觉、嗅觉、味觉以及神经传递等人类各项生理代谢活动过程中发挥着重要的作用。而且与GPCR相关的疾病为数众多,目前的处方药中有50%以上的药物靶点是GPCR,因此这一家族也是新药靶标的重点范围。

人体内有超过800个GPCR,每一个都很重要,因为这些GPCR能识别到数千个细胞外元件,包括小分子,肽段,蛋白质,甚至光子。例如,光敏GPCR视紫质对视力至关重要,嗅觉受体会引起嗅觉,而咖啡中的咖啡因则需要与腺苷受体结合发挥作用等等。除此之外,GPCR还为许多人类疾病提供了药物靶点。 “就目前正在努力研发药物的几乎每种疾病而言,GPCR蛋白都有可能是潜在的药物靶标,比如HIV的趋化因子受体,阿茨海默症的血清素受体,药物成瘾和帕金森综合症的多巴胺受体。”Liu说。

但是要通过X射线衍射确定蛋白的原子结构时,首先得有大的、结构良好的蛋白质晶体。这说来容易做来难。许多蛋白质,尤其是膜蛋白,无法形成大的晶体,往往形成纳米或微米大小的晶体。在几年前,这种微小的晶体基本上被认为是没用的,因为在衍射数据记录之前它们就会受损。不过,新的技术如今也能从这些晶体上获得高质量的数据。

其中一种方法就是XFEL,X射线的脉冲非常快,因此在晶体被破坏之前就能收集衍射图像。目前这一技术发展越来越快,世界各地的拥有XFEL的研究机构也陆续发表了一些成果。最新这项研究利用阿岗国家实验室(Argonne National Laboratory)先进光子源(Advanced Photon Source),SLAC国家加速器实验室的设备,发现了血管紧张素(angiotensin)II受体AT2R的新结构细节,这一结构已经困扰了科学家们20年。AT2R是两种血管紧张素II受体之一,另外一种受体:AT1R已成功用作高血压药物的靶标。

这些最新研究揭示的信息为药物开发提供一个新的途径:紧贴在AT2R三维形状口袋处的化合物能用于对抗疼痛和炎症,或者组织再生。

南加州大学化学教授,文章作者之一Cherezov说:“与其兄弟AT1R不同,我们对AT2受体的了解并不多。通过这项研究,我们发现了关于AT2受体结构,以及它如何与化合物结合的许多重要细节,这些内容将有助于进一步研究受体功能,并为药物研发迈出了新的一步。”

问答:

生物通:AT2R的结构已经困扰了科学家们近二十年,您的研究组是如何从中找到突破点的呢?

张海涛研究员:我们的前期工作解析了AT1R的晶体结构(Cell 2015)。AT1R与AT2R是血管紧张素II受体的两个不同亚型,虽然它们功能上有很大差异,但两者的氨基酸序列有超过30%的相似性,这为我们基于AT1R的结构设计AT2R的蛋白构建体提供了重要信息。而且事实也证明,我们只设计了不到10个不同的AT2R蛋白构建体,就得到了AT2R的初始晶体,远远少于当初我们设计的超过250个AT1R蛋白构建体。除了蛋白自身的稳定性,另一个影响结晶的因素是配体。AT1R与AT2R的天然配体都是血管紧张素II,而且还共享部分小分子配体。因此,我们基于AT1R的蛋白结构和配体结构,设计了一系列AT2R的配体,其中既有选择性结合AT2R的配体,也有能同时结合AT1R和AT2R的双靶点配体。我们正是利用这些理性设计的蛋白构建体和配体,最终解析了AT2R的第一个晶体结构。

生物通:许多读者都不是很了解XFEL(X射线自由电子激光)技术,您能给我们介绍一下吗?

张海涛研究员:X射线自由电子激光(XFEL)是一种X射线,但它被誉为“第四代X射线光源”,其峰值亮度比第三代同步辐射光源高9—10个量级(即10的9—10次方);成像时间尺度可达到飞秒量级(1秒的1000万亿分之一);而且相干性更好,属于相干的X射线光源。XFEL所具有的这些以往任何X射线光源都不可比拟的优点,使科学家可以在亚纳米尺度的空间分辨能力研究飞秒时间尺度的超快动力学过程,这将带来物质科学和生命科学等领域的一系列重大变革。以结构生物学为例,可用纳米尺度的“粉晶”样品来获得“单晶”衍射,并且随着研究的不断深入,结构分析将进一步从晶体向“单分子”或者“单颗粒”演变。另一方面,应用XFEL的脉冲性质,可以在飞秒的时段对分子的结构“拍”一部立体“电影”,这是对许多子物理、化学和生物学反应过程进行动态研究所必须的。如果说,第三代同步辐射光能帮助科学家拍摄“分子照片”,那么 “第四代光源”XFEL,能把生命科学带入“分子电影”时代。我们解析的AT1R和AT2R两个晶体结构都是应用XFEL获得的(Cell 2015, Nature 2017)。

生物通:作为非典型GPCRs,AT2R的结构以及作用机制与一般GPCRs有何区别?与它的兄弟受体AT1R又有什么区别呢?这些区别是否意味着AT2R的功能十分特别?

张海涛研究员:GPCR全称是G蛋白偶联受体,其经典的信号通路就是偶联G蛋白,但是AT2R功能的特殊性就在于AT2R与G蛋白的偶联作用非常弱,以至于在很多细胞中都无法检测到这个信号。这个问题困扰了科学界很多年,直到我们解析了AT2R的第一个晶体结构才发现,原来AT2R的第8个螺旋区结合在了本该结合G蛋白的位置上,也就是说,第8个螺旋区阻碍了G蛋白的的结合。这就提示,AT2R采用了一种自我抑制的方式,这在GPCR家族800多个蛋白里还是第一次被发现,是一种全新的作用机制。但是AT2R是否能被激活从而释放第8个螺旋区并且结合G蛋白?还是AT2R介导了非G蛋白的另一条信号通路?AT2R是否通过与AT1R形成异源二聚体间接地调控G蛋白信号通路?这些还需要我们进一步研究。

生物通:您认为离理性地设计AT2R靶向药物还有几步之遥?

张海涛研究员:我们已经可以基于解析的AT2R结构理性地设计AT2R配体,但是这些配体能否成为药物,还需要很多药效学的研究。现在已有AT2R配体进入临床研究用于治疗神经痛,但是这些配体如何通过AT2R发挥作用的分子机制还不清楚,这主要是由于我们对AT2R的信号转导了解太少。通常情况下,科学家都是先了解了一个蛋白的功能,才会想要解析它的三维结构。但是这次我们解析AT2R结构的工作走在了功能研究的前面,并且提出了一种全新的自我抑制的模型,为后续的功能研究提供了非常重要的方向。并且,我们可以用理性设计的AT2R配体当作分子探针,来研究AT2R信号转导,这是结构生物学发现反哺细胞生物学研究的又一次实例。

作者简介:

张海涛
职称职务:研究员、博士生导师
一、学习工作经历

2002年——2006年 广西大学生命科学与技术学院,生物技术,学士

2006年——2011年 中国科学院上海药物研究所,药理学,博士

2011年——2014年 美国Scripps研究所,结构和计算生物学,博士后

2014年——2016年 美国南加州大学,生物学和化学,博士后

2016年至今 浙江大学药学院,“****”研究员、课题组长、博士生导师

二、研究方向

G蛋白偶联受体(GPCR)是人类基因组中最大的膜蛋白家族,包含约800~1000个成员,在视觉、嗅觉、味觉以及神经传递等人类各项生理代谢活动过程中发挥着重要的作用。与GPCR相关的疾病为数众多,目前的处方药中有50%以上的药物靶点是GPCR。GPCR在信号转导过程和药物开发中占据着核心的位置,关于GPCR的研究极大改变了我们对生命活动的认识以及革新了现代医药研究。与GPCR有关的研究已经获得了5次诺贝尔奖,最近的一次是2012年诺贝尔化学奖授予GPCR发现、鉴定及结构生物学的研究。虽然对GPCR信号转导和功能的认识逐步加深,但另外现在还有许多重要问题没有解决。例如:GPCR家族中还存在许多孤儿受体,其配体未知,而已知受体可能还有未被发现的配体,阐明这些受体的配体,发现它们介导的信号转导机制具有重要的生理学意义和药理学价值;GPCR配体结合会诱导多重构象,其动态构象变化还可能有多种形式,怎样根据GPCR结构及动态构象变化信息,设计筛选出更加高效的药物;GPCR是通过怎样的动态构象变化,将膜外的信息传递到膜内的;同一GPCR怎样同时偶联几种G蛋白,并与阻遏蛋白等其他蛋白相互作用。另外,GPCR的偏向性配体已经成为GPCR药物发现的下一个研究热点。偏向性配体可能不止涵盖于不同的G蛋白和阻遏蛋白,也可包括许多未发现的蛋白,值得我们进一步深入研究和利用。在结构方面,虽然第一个G蛋白或阻遏蛋白与GPCR的复合物已经得到解析,但该结构不能完全解释GPCR对不同信号通路的选择性,还需要更多GPCR与不同信号通路蛋白的复合物结构解析。 这些知识对我们理解生命现象,阐释生命本质具有重要意义。
 

原文标题:

Structural basis for selectivity and diversity in angiotensin II receptors

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