繼5月份上?？苿?chuàng)中心張江核心區(qū)G蛋白偶聯(lián)受體（GPCR）研究集群的多項(xiàng)重大科研成果集中亮相后，上?？萍即髮W(xué)iHuman研究所的科研團(tuán)隊(duì)再獲重大突破，成功解析了人源大麻素受體CB₁（human Cannabinoid Receptor 1, CB₁）與激動(dòng)劑——四氫大麻酚（THC）類(lèi)似物復(fù)合物的三維精細(xì)結(jié)構(gòu)，揭示了大麻素受體在激動(dòng)劑調(diào)控下的結(jié)構(gòu)特征和激活機(jī)制。北京時(shí)間7月6日凌晨，該項(xiàng)成果以“Crystal structuresof agonist-bound human cannabinoid receptor CB₁”為題在國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊《Nature》上發(fā)表，并作為重點(diǎn)文章推介。該研究是iHuman研究所繼去年10月首次發(fā)表大麻素受體CB₁與拮抗劑復(fù)合物的高分辨率三維結(jié)構(gòu)之后的又一重大突破，是GPCR結(jié)構(gòu)功能研究領(lǐng)域的又一項(xiàng)高水平、系統(tǒng)性的研究成果。

該項(xiàng)研究由iHuman研究所副所長(zhǎng)、教授劉志杰課題組，創(chuàng)始所長(zhǎng)、特聘教授Raymond Stevens課題組，iHuman研究所PI、生命學(xué)院助理教授趙素文課題組及其它合作單位共同完成。劉志杰、趙素文是論文的共同通訊作者，劉志杰課題組博士研究生華甜（與中科院生物物理研究所聯(lián)合培養(yǎng)）是論文第一作者，上科大是第一完成單位。

GPCR是人體內(nèi)最大的細(xì)胞膜表面受體家族，在細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程中發(fā)揮核心作用。GPCR也是藥物研發(fā)領(lǐng)域的“寵兒”，目前有近40%的上市藥物以GPCR為作用靶點(diǎn)。GPCR家族成員具有非常保守的七次跨膜螺旋結(jié)構(gòu)，配體與受體結(jié)合后，通過(guò)跨膜區(qū)的構(gòu)象變化，將信息傳遞到細(xì)胞內(nèi)。配體的性質(zhì)決定GPCR的狀態(tài)：起激活作用的配體（激動(dòng)劑）使受體活化，而起抑制作用的配體（拮抗劑）則抑制受體活性的發(fā)揮，受體與這兩類(lèi)配體結(jié)合后呈現(xiàn)的三維結(jié)構(gòu)可以說(shuō)是這個(gè)受體的“陰陽(yáng)雙面”。針對(duì)不同的GPCR，激動(dòng)劑或拮抗劑配體具有不同的藥物開(kāi)發(fā)價(jià)值。

大麻素受體CB₁是人體中樞神經(jīng)系統(tǒng)表達(dá)量最高的GPCR之一，它對(duì)人的精神和情緒調(diào)節(jié)至關(guān)重要。去年10月，iHuman研究所團(tuán)隊(duì)率先在《Cell》上發(fā)表了人源大麻素受體CB₁與拮抗劑小分子AM6538復(fù)合物的高分辨率三維結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)揭示了CB₁在非活化狀態(tài)下的構(gòu)象以及拮抗劑小分子與受體之間的作用模式，對(duì)設(shè)計(jì)更加特異、副作用更小的拮抗劑類(lèi)藥物，比如肥胖、及肥胖引起的代謝類(lèi)疾病，肝纖維化及尼古丁成癮等疾病，具有極大的促進(jìn)作用。

大麻素受體CB₁的激動(dòng)劑在疼痛、炎癥、多發(fā)性硬化癥及神經(jīng)退行性疾病等的治療中有非常大的潛力，但激動(dòng)劑小分子，例如大麻里的主要精神類(lèi)成分THC，是如何與CB₁相互作用以及受體的活化機(jī)制等尚不清楚。

目前已解析的GPCR三維結(jié)構(gòu)中大部分是與拮抗劑配體的復(fù)合物，與激動(dòng)劑結(jié)合的活化狀態(tài)的GPCR構(gòu)象非?；钴S且不穩(wěn)定，解析其復(fù)合物結(jié)構(gòu)的難度相對(duì)較大。為獲得大麻素受體CB₁與激動(dòng)劑復(fù)合物的三維結(jié)構(gòu)，iHuman研究團(tuán)隊(duì)與美國(guó)東北大學(xué)的Makriyannis實(shí)驗(yàn)室合作，基于THC設(shè)計(jì)并篩選了一系列特異性高，結(jié)合力強(qiáng)的激動(dòng)劑小分子。經(jīng)過(guò)多輪蛋白純化及結(jié)晶條件的篩選和優(yōu)化后，成功解析了CB₁與兩種新型激動(dòng)劑小分子AM11542和AM841的三維精細(xì)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)不僅揭示了激動(dòng)劑小分子與CB1的相互作用模式，更重要的是，研究者發(fā)現(xiàn)，這與之前解析的CB₁-拮抗劑小分子復(fù)合物結(jié)構(gòu)相比，發(fā)生了很大的構(gòu)象變化。其中結(jié)合口袋體積發(fā)生了53%的變化（激動(dòng)劑的結(jié)合口袋體積：383埃³，拮抗劑的結(jié)合口袋體積：821埃³，1埃= 10^-10米），受體的整體結(jié)構(gòu)變化包括蛋白的N端以及七次跨膜螺旋的構(gòu)象的顯著變化（均方根偏差為3.5埃）是在以往解析的GPCR結(jié)構(gòu)中變化最大的。這些結(jié)構(gòu)特征也從分子水平解釋了為什么大麻素受體CB₁可以與多種不同類(lèi)型的配體相互作用，參與和調(diào)控人體中多種非常重要的生理活動(dòng)，同時(shí)也為今后針對(duì)GPCR的藥物設(shè)計(jì)提供了新的思路。

該研究的另一重要發(fā)現(xiàn)是，首次從三維結(jié)構(gòu)上觀(guān)測(cè)到兩個(gè)氨基酸（Phe200^3.36/ Trp356^6.48）在受體激活過(guò)程中的協(xié)同構(gòu)象變化，相當(dāng)于“雙耦合開(kāi)關(guān)”（twin toggle switch），這一協(xié)同變化效應(yīng)可能與CB₁的活化機(jī)制密切相關(guān)。此外，通過(guò)與iHuman研究所趙素文課題組及北京計(jì)算科學(xué)研究中心劉海廣教授課題組合作，基于該晶體結(jié)構(gòu)對(duì)不同類(lèi)型CB₁激動(dòng)劑進(jìn)行分子對(duì)接及動(dòng)力學(xué)模擬分析，得到了不同配體的結(jié)合模式并進(jìn)行了功能性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。為設(shè)計(jì)針對(duì)CB₁的激動(dòng)劑類(lèi)藥物分子以及探究CB₁受體的活化機(jī)制提供了非常重要的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

“掌握了CB₁與激動(dòng)劑和拮抗劑復(fù)合物的三維結(jié)構(gòu)信息，或者說(shuō)看清了這個(gè)受體的‘陰陽(yáng)雙面’，不僅對(duì)于內(nèi)源性大麻素系統(tǒng)的功能機(jī)制研究極其重要，對(duì)一系列疾病，如炎癥、疼痛和多發(fā)性硬化癥等的藥物研發(fā)有重要的指導(dǎo)意義。同時(shí)，由于大麻濫用及合法化等問(wèn)題，該研究也有非常重要的社會(huì)價(jià)值。我們很高興能取得了這個(gè)歷史性突破”，劉志杰教授說(shuō)。

值得一提的是，這也是博士研究生華甜繼去年10月發(fā)表在《Cell》后，作為第一作者取得的第二項(xiàng)重大科研成果，“其實(shí)這項(xiàng)研究在去年向《Cell》投稿前后就開(kāi)始了，是同步進(jìn)行的，為了及時(shí)攻克CB₁與激動(dòng)劑復(fù)合物的晶體結(jié)構(gòu)，我主動(dòng)把博士畢業(yè)的時(shí)間延后了一年?！比A甜說(shuō)。華甜的導(dǎo)師、劉志杰教授表示，華甜的成功并不意外，她十分刻苦，幾乎每天在實(shí)驗(yàn)室工作17個(gè)小時(shí)，春節(jié)只回家?guī)滋炀痛掖亿s回上海的實(shí)驗(yàn)室。

華甜表示，機(jī)遇和努力同樣重要?！胺浅Ｐ疫\(yùn)來(lái)到上科大，”華甜說(shuō)，“劉志杰老師和Stevens教授都非常關(guān)心鼓勵(lì)我，在這里，我們經(jīng)常和來(lái)自世界各地的專(zhuān)家學(xué)者分享交流，和國(guó)際一流的科研無(wú)縫銜接，我相信iHuman研究所是世界上最好的GPCR研究平臺(tái)之一”。據(jù)悉，iHuman研究所每年舉行人體細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)領(lǐng)域的學(xué)術(shù)年會(huì)，每周和中科院上海藥物研究所、南加州大學(xué)等國(guó)內(nèi)外合作單位一起召開(kāi)遠(yuǎn)程國(guó)際組會(huì)，在該領(lǐng)域的學(xué)術(shù)影響力持續(xù)提升。

當(dāng)被問(wèn)及博士畢業(yè)后的打算時(shí)，華甜說(shuō)：“我的志向是沿著從結(jié)構(gòu)解析到藥物研發(fā)的路徑往前探索，研發(fā)基于GPCR的新型藥物，為人類(lèi)造福。畢業(yè)后我將留在iHuman研究所，借助上科大的優(yōu)勢(shì)研究資源和前期研究成果，立即啟動(dòng)藥物研發(fā)課題，希望在最短的時(shí)間內(nèi)獲得具有高度專(zhuān)一性和無(wú)副作用的候選藥物分子”。為抓住目前的良好發(fā)展勢(shì)頭，iHuman研究所與上科大免疫化學(xué)研究所等單位合作，已啟動(dòng)了多個(gè)針對(duì)重要疾病相關(guān)GPCR的藥物研發(fā)項(xiàng)目?！癷Human研究所的愿景就是通過(guò)對(duì)人體細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的基礎(chǔ)和轉(zhuǎn)化研究，發(fā)現(xiàn)治療疾病的創(chuàng)新藥物從而促進(jìn)人類(lèi)健康；同時(shí)通過(guò)高水平的科技創(chuàng)新，培養(yǎng)新一代的科技創(chuàng)業(yè)者。我們?nèi)χС秩A甜啟動(dòng)基礎(chǔ)科研成果的轉(zhuǎn)化研究，幫助她實(shí)現(xiàn)用創(chuàng)新型藥物回饋社會(huì)的志向”，劉志杰教授說(shuō)。

該項(xiàng)研究由iHuman研究所聯(lián)合美國(guó)東北大學(xué)、美國(guó)斯克利普斯研究所、美國(guó)南加州大學(xué)、北京計(jì)算科學(xué)研究中心和GPCR聯(lián)盟等單位科研人員合作完成，同時(shí)獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部及上海市政府的經(jīng)費(fèi)支持。

2016年4月15日，國(guó)務(wù)院發(fā)布上?？苿?chuàng)中心建設(shè)方案，明確指出上科大在上海張江綜合性國(guó)家科學(xué)中心建設(shè)中承擔(dān)重要任務(wù)。目前，學(xué)校正與中科院上海分院科研院所等單位合作，負(fù)責(zé)或參與建設(shè)軟X射線(xiàn)自由電子激光用戶(hù)裝置、活細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能成像等線(xiàn)站工程、超強(qiáng)超短激光實(shí)驗(yàn)裝置、上海光源二期線(xiàn)站工程，牽頭硬X射線(xiàn)自由電子激光裝置的規(guī)劃和建設(shè)，并承擔(dān)多項(xiàng)科創(chuàng)中心建設(shè)重點(diǎn)工作。截至2017年5月，學(xué)校的四個(gè)學(xué)院、兩個(gè)研究所（包括iHuman研究所）已經(jīng)建立了133個(gè)研究組，科研工作全面開(kāi)展，人源大麻素受體三維結(jié)構(gòu)解析這樣的高水平科研成果正在不斷涌現(xiàn)，這些科研突破也正是上?？苿?chuàng)中心建設(shè)的重要成果之一。

論文鏈接：http://dx.doi.org/10.1038/nature23272

CB₁與激動(dòng)劑復(fù)合物的三維結(jié)構(gòu)（a）；激動(dòng)劑與拮抗劑小分子結(jié)合方式及結(jié)合口袋比較

（b-d, 藍(lán)色: 與拮抗劑AM6538結(jié)合的受體；橙色: 與激動(dòng)劑AM11542結(jié)合的受體）

iHuman研究團(tuán)隊(duì)部分成員合影。從左至右：濮夢(mèng)辰，吳屹然，劉志杰，華甜，Raymond Stevens,曲露，丁康