黏附類受體結(jié)構(gòu)示意圖 受訪者供圖
■本報記者 張雙虎
G蛋白偶聯(lián)受體（GPCR）就像細(xì)胞膜上的“信號兵”，接收并將外來信號（如小分子、激素、光子、蛋白質(zhì)等）傳遞到細(xì)胞內(nèi)，“告訴”細(xì)胞應(yīng)該做出什么反應(yīng)，并以此調(diào)控人體各類生命活動。這一過程也被稱為信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。
近日，中國科學(xué)院上海藥物研究所研究員吳蓓麗、趙強研究組聯(lián)合上海科技大學(xué)研究員水雯箐研究組，在孤兒受體信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機制研究方面取得突破。該聯(lián)合團(tuán)隊成功解析兩種黏附類GPCR（ADGRD1和ADGRF1）分別與G蛋白結(jié)合的復(fù)合物三維結(jié)構(gòu)，并開展了功能相關(guān)性研究，首次闡明這類孤兒受體自發(fā)激活的分子機制，為研究該類受體的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機理和未來藥物設(shè)計提供了重要依據(jù)。
4月13日，相關(guān)研究在《自然》發(fā)表。
受體研究是藥物研發(fā)的“源泉”
在正常生理狀態(tài)下，受體把信號傳遞到細(xì)胞內(nèi)，行使其生物學(xué)功能：在心血管系統(tǒng)中調(diào)節(jié)血壓，在神經(jīng)系統(tǒng)中調(diào)節(jié)神經(jīng)元。比如在心血管系統(tǒng)中發(fā)揮作用的腎上腺素受體，在神經(jīng)系統(tǒng)中發(fā)揮功能的多巴胺受體，包括人們看到顏色、嗅到氣味都需要通過受體識別、傳導(dǎo)信息才能實現(xiàn)。
“我們以前研究過一些和血栓性疾病相關(guān)的受體。它發(fā)揮作用后，血小板就會凝集，這可以用來防御血管損傷。”吳蓓麗對《中國科學(xué)報》說，“如果在非正常狀態(tài)下，受體在不該‘活躍’的時候‘活躍’了，就會在血管里形成栓塊，引發(fā)血栓性疾病。”
因此，研究GPCR的結(jié)構(gòu)和功能，對新藥研發(fā)意義重大。在治療疾病時，人們可以利用藥物分子跟靶點受體結(jié)合，激活或抑制受體，從而發(fā)揮治療作用。
吳蓓麗解釋說，在新藥研發(fā)方面，要確認(rèn)受體是否是某種疾病的藥物靶點，首先要明確它是否參與或?qū)е录膊“l(fā)生、在疾病出現(xiàn)和發(fā)展過程中發(fā)揮怎樣的作用。然后針對這種疾病，決定是激活受體的功能，還是抑制它的作用。
GPCR在細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中發(fā)揮重要作用，并與眾多疾病密切相關(guān)，因此，它成為最大的藥物靶標(biāo)蛋白家族，圍繞GPCR的藥物研發(fā)也成為國際醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)的競爭高地。目前有超過40%的上市藥物通過與這些受體作用發(fā)揮療效，但仍有大量該家族的靶向藥物處于研發(fā)階段。孤兒受體作為潛在藥物靶標(biāo)的“源泉”，給創(chuàng)新藥物研發(fā)帶來機遇。
7年沒有“正反饋”
GPCR是個龐大的蛋白家族，目前人們已知的有800多種，其中約100多種是“孤兒受體”。
“所謂‘孤兒受體’，就是與它結(jié)合的配體、信號和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路都不清楚，人們對這類受體的功能了解非常少。”吳蓓麗介紹說，“目前，黏附類受體共33種，針對其中個別受體的研究發(fā)現(xiàn)，某些受體可能與精神分裂癥、多動癥或癌癥相關(guān)。”
到目前為止，科學(xué)家只是發(fā)現(xiàn)在某種疾病發(fā)生時，有受體通過某些方式參與其中，但它究竟如何導(dǎo)致疾病發(fā)生，在疾病發(fā)展中又起到什么作用，尚不清楚。
和其他GPCR相比，黏附類受體的分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜且構(gòu)成不穩(wěn)定。不管是空間結(jié)構(gòu)還是氨基酸序列，不同黏附類受體之間的相似性很低，“如果單從氨基酸序列上，很難想象這類受體到底通過什么方式發(fā)揮作用”。
此外，在結(jié)構(gòu)和功能研究中，受體的配體（和受體結(jié)合的蛋白、化合物等）也非常重要。人們解析受體結(jié)構(gòu)過程中，需要用配體分子來穩(wěn)定受體，但孤兒受體的配體至今仍不清楚，并且信號通路不明，在什么情況下處于活化狀態(tài)也未知，這讓孤兒受體研究“缺少必要的手段”。
“人們對黏附類受體功能調(diào)控機制、相互作用網(wǎng)絡(luò)和藥理基礎(chǔ)等方面的認(rèn)識遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于其他 GPCR 家族，其中大部分仍然是孤兒受體。”上?？萍即髮W(xué)iHuman研究所執(zhí)行所長劉志杰說。
由于已知信息很少，國際上可借鑒的研究有限，再加上黏附類受體獨具的特異性，大大增加了該項研究的難度。
“這項研究摸索了7年，有五六年時間都不知道所走的路對不對。”吳蓓麗說，“我們做一件事時，總是需要一些‘正反饋’，哪怕只是階段性成果。但在這項研究中，我們該試的、該做的都做了，就是看不到結(jié)果。”
7年沒有“正反饋”，對一個研究團(tuán)隊，尤其是團(tuán)隊的年輕人來說非常“殘酷”。有人因此冒出放棄的念頭。吳蓓麗也一度很焦慮，她經(jīng)常反問自己“選的這個方向、這個研究側(cè)重點究竟對不對”。
“我一次次鼓勵他們，其實也是給自己‘打氣’。”吳蓓麗說，“近幾年，GPCR的結(jié)構(gòu)和功能研究，包括藥物研發(fā)方面發(fā)展非?？?，人們對這個家族的了解不斷加深，但黏附類受體是這個家族里發(fā)展最慢的，可謂是一塊‘處女地’。我們想到會有挑戰(zhàn)，但沒料到挑戰(zhàn)竟如此艱巨。”
發(fā)現(xiàn)孤兒受體的獨特性
轉(zhuǎn)機終于在2021年出現(xiàn)了。
在充滿不確定性的探索中，團(tuán)隊逐步有了自己的積累，再加上技術(shù)、方法和儀器各方面的不斷進(jìn)步，配體研究也有了長足的發(fā)展。團(tuán)隊找到一段多肽作為配體，并通過測定ADGRD1和ADGRF1分別與G蛋白結(jié)合的復(fù)合物結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)受體自身的一部分可作為內(nèi)源性激動劑。
“這個充當(dāng)激動劑的部分是位于受體胞外結(jié)構(gòu)域和跨膜結(jié)構(gòu)域之間的一段多肽。”論文共同第一作者、中國科學(xué)院上海藥物研究所博士生瞿向利說，“該區(qū)段通過與受體跨膜結(jié)構(gòu)域作用，導(dǎo)致跨膜螺旋發(fā)生構(gòu)象變化，從而激活受體，使其與G蛋白結(jié)合。這種受體自發(fā)激活方式從未在其他類型GPCR中發(fā)現(xiàn)，這體現(xiàn)了黏附類受體信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機制的獨特性。”
此外，該研究還發(fā)現(xiàn)一種天然脂分子通過與ADGRF1特異性結(jié)合對受體功能進(jìn)行調(diào)控。團(tuán)隊在ADGRF1與G蛋白的復(fù)合物結(jié)構(gòu)中，還發(fā)現(xiàn)一個脂分子與受體中G蛋白結(jié)合口袋附近的一個位點結(jié)合，而在另一個受體ADGRD1的結(jié)構(gòu)中則沒有發(fā)現(xiàn)脂分子。
研究人員利用質(zhì)譜與組學(xué)技術(shù)鑒定該脂分子的結(jié)構(gòu)為溶血磷脂膽堿（LPC）。進(jìn)一步研究表明，LPC可能通過穩(wěn)定受體胞內(nèi)側(cè)區(qū)域的構(gòu)象促進(jìn)受體激活。這是首次發(fā)現(xiàn)細(xì)胞膜的脂質(zhì)成分LPC與GPCR結(jié)合并對受體功能發(fā)揮調(diào)控作用。
“這項研究極大拓展了我們對黏附類受體信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和功能調(diào)控機制的認(rèn)知。”劉志杰說，“這對于后續(xù)功能研究和藥物研發(fā)將產(chǎn)生重要影響。”
該論文審稿人認(rèn)為，該研究深入分析受體的激活機制和對效應(yīng)蛋白的識別機制，“為理解黏附類GPCR的結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系提供了全面的信息”。
“取得上述突破性成果源于該團(tuán)隊在GPCR研究領(lǐng)域十余年來的積累和對該領(lǐng)域核心問題持之以恒的探索。”復(fù)旦大學(xué)教授徐彥輝評價說，“這些研究充分體現(xiàn)黏附類GPCR信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和調(diào)控機制的獨特性、復(fù)雜性和多樣性，促進(jìn)對這類受體分子機制的理解，為研究大量結(jié)構(gòu)、功能未知的孤兒受體提供了新思路，也為挖掘其藥物研發(fā)潛力提供了新線索。”
相關(guān)論文信息：
https://doi.org/10.1038/s41586-022-04580-w
《中國科學(xué)報》 (2022-04-14 第1版 要聞)標(biāo)簽： 孤兒受體
