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
21.10.2016 14:06
本文来源: 科学技术委员会
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。(作者 黄海华） 【来源】上海观察
本文来源: 科学技术委员会
21.10.2016 14:06