近日，上?？萍即髮W(xué)iHuman研究所的科研團(tuán)隊(duì)在人體細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)研究領(lǐng)域再獲重大突破，成功解析了首個(gè)人源卷曲受體（Frizzled-4）三維精細(xì)結(jié)構(gòu)，揭示了卷曲受體在無(wú)配體結(jié)合情況下特有的“空口袋”結(jié)構(gòu)特征，及其有別于以往解析的GPCR的激活機(jī)制。北京時(shí)間8月23日凌晨，該成果以“Crystal structure of Frizzled 4 receptor in ligand-freestate”為題，在國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊《Nature》上在線(xiàn)發(fā)表。值得一提的是，該研究是上海科技大學(xué)iHuman研究所繼2016年、2017年、2018年年初在國(guó)際上首次發(fā)表大麻素受體（2016年10月《Cell》、2017年7月《Nature》）、人源胰高血糖素樣肽-1受體（2017年5月《Nature》）及五羥色胺2C受體三維結(jié)構(gòu)（2018年2月《Cell》）之后在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。

該研究由iHuman研究所PI、生命學(xué)院助理教授徐菲課題組以及iHuman研究所趙素文課題組、美國(guó)VanAndel研究所等合作單位共同完成。徐菲為論文通訊作者，徐菲課題組博士后楊仕璠為論文第一作者，上科大為第一完成單位。

人體細(xì)胞表面分布著許多G蛋白偶聯(lián)受體（GPCR），其功能相當(dāng)于細(xì)胞的“信號(hào)兵”。這些“信號(hào)兵”負(fù)責(zé)細(xì)胞間的信息交流，進(jìn)而廣泛參與人體生理或病理狀態(tài)的調(diào)節(jié)。它們與人們的日常生活密切相關(guān)——比如眼睛能看到燦爛的陽(yáng)光，鼻子能聞到花朵的芬芳，舌頭能?chē)L到食物的酸甜苦辣，其失調(diào)將導(dǎo)致疾病的發(fā)生。因此，GPCR是藥物研發(fā)領(lǐng)域的“寵兒”，目前市場(chǎng)上超過(guò)30%的在售藥物都以GPCR為靶點(diǎn)。

卷曲受體（Frizzled）由于結(jié)構(gòu)上具有七次跨膜螺旋的保守性被通常認(rèn)為是一類(lèi)非典型的GPCR，包括了Frizzled1~10十個(gè)成員，負(fù)責(zé)介導(dǎo)細(xì)胞中控制發(fā)育的基本信號(hào)通路——Wnt信號(hào)通路。因此，卷曲受體與組織內(nèi)穩(wěn)態(tài)、胚胎發(fā)育、血腦屏障的生成密切相關(guān)，其異常表達(dá)調(diào)控與多種人類(lèi)疾病包括癌癥有關(guān)，是一類(lèi)新興的癌癥治療靶點(diǎn)。其中Frizzled4對(duì)維持血腦屏障/血眼屏障的完整性發(fā)揮至關(guān)重要的作用，調(diào)控Frizzled4/Norrin通路中相關(guān)蛋白的表達(dá)能調(diào)節(jié)血腦/血眼屏障的開(kāi)關(guān)，這為藥物小分子進(jìn)出大腦提供了精密的調(diào)控方案?！爱?dāng)時(shí)選擇Frizzled4受體來(lái)研究，就是因?yàn)檫@個(gè)受體的結(jié)構(gòu)獨(dú)特性和重要生物學(xué)功能吸引了我，尤其是在眼部視網(wǎng)膜病變等病理過(guò)程中的關(guān)鍵作用?！睏钍谁[說(shuō)，“我的微信頭像是一個(gè)漂亮的眼球圖案，就是代表了我做的研究”。

近年來(lái)新報(bào)道的GPCR結(jié)構(gòu)層出不窮，為相關(guān)生物學(xué)功能研究和藥物設(shè)計(jì)帶來(lái)了重要的發(fā)展。然而對(duì)十個(gè)卷曲受體跨膜結(jié)構(gòu)域的了解仍然是空白，而這一結(jié)構(gòu)域正是受體參與激活信號(hào)通路和藥物針對(duì)位點(diǎn)的核心區(qū)域。

該項(xiàng)工作的主要困難和挑戰(zhàn)在于：以往發(fā)表的GPCR結(jié)構(gòu)通常都有一個(gè)或多個(gè)配體分子用于穩(wěn)定受體的活躍位點(diǎn)，使得蛋白更加穩(wěn)定易于結(jié)晶；而該研究中的卷曲受體Frizzled4缺乏這樣一個(gè)能夠用來(lái)穩(wěn)定蛋白的配體分子，因此要想獲得穩(wěn)定的蛋白和高質(zhì)量的晶體就非常困難?！盀榇耍覀兓私陼r(shí)間反復(fù)篩選蛋白的表達(dá)載體和結(jié)晶條件”，徐菲說(shuō)，“這一難點(diǎn)恰恰也成為了我們這個(gè)研究工作的一個(gè)亮點(diǎn)，我們報(bào)道的這個(gè)卷曲受體結(jié)構(gòu)成為已知的第一個(gè)真正意義上空口袋（即結(jié)合口袋里沒(méi)有配體）的受體結(jié)構(gòu)（apo結(jié)構(gòu)）。這為基于結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計(jì)提供了重要的研究基礎(chǔ)。”

2017年初，面對(duì)三年探索后仍然苦無(wú)進(jìn)展的課題，以及博士后出站時(shí)間將近的壓力，論文第一作者楊仕璠必須作出艱難的抉擇：是繼續(xù)苦戰(zhàn)一年可能依然一無(wú)所得，還是選擇放棄？他堅(jiān)定地選擇了堅(jiān)持。他的堅(jiān)持是值得的，在不懈的努力、嘗試、失敗、和創(chuàng)新中，課題進(jìn)展很快峰回路轉(zhuǎn)，終于在2017年7月看到了接近2埃分辨率的漂亮的晶體衍射圖案。之后的結(jié)構(gòu)解析、論文撰寫(xiě)等過(guò)程順利展開(kāi)。“論文的評(píng)審過(guò)程并不順利”，論文經(jīng)歷了兩次大的修改包括大量新的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的補(bǔ)充?！斑@一過(guò)程中，我要特別感謝我們的合作者的大力支持以及對(duì)論文修改的建議”，徐菲說(shuō)。

該項(xiàng)研究報(bào)道了首個(gè)卷曲受體（Frizzled4）跨膜結(jié)構(gòu)域的精細(xì)結(jié)構(gòu)，填補(bǔ)了這一空白。有趣的是，研究者發(fā)現(xiàn)解析的這個(gè)結(jié)構(gòu)中的配體結(jié)合口袋是空的；經(jīng)一系列結(jié)構(gòu)分析和分子動(dòng)力學(xué)模擬研究，證明這個(gè)口袋異于典型的GPCR，這顛覆了傳統(tǒng)意義上對(duì)GPCR的認(rèn)識(shí)，因此，研究團(tuán)隊(duì)提出，針對(duì)卷曲受體的藥物設(shè)計(jì)需要尋找新的切入點(diǎn)。進(jìn)一步地，研究者通過(guò)長(zhǎng)微秒尺度的分子動(dòng)力學(xué)模擬和一系列突變與信號(hào)通路功能實(shí)驗(yàn)，提出了大膽的假設(shè)：即Frizzled4以及其他的卷曲受體可能不是通過(guò)典型的GPCR激活構(gòu)象變化來(lái)傳遞信號(hào)，其激活機(jī)理值得進(jìn)一步探索。

該項(xiàng)工作從開(kāi)始到發(fā)表歷時(shí)四年，由徐菲課題組的博士后楊仕璠完成Frizzled4晶體結(jié)構(gòu)解析的主要工作，他同時(shí)也是本論文的唯一第一作者。iHuman研究所的趙素文和水雯箐課題組參與了結(jié)構(gòu)分析、論文討論等相關(guān)方面的工作。吳屹然助理研究員通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬等方法深入分析了Frizzle4的口袋結(jié)構(gòu)特征并預(yù)測(cè)了同家族其他卷曲受體的共有特征，吳屹然是本論文的第二作者。美國(guó)Van Andel研究所的合作者Karsten Melcher和EricXu團(tuán)隊(duì)提供了重要的功能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持和關(guān)于卷曲受體及Wnt信號(hào)通路生物學(xué)方面的有益探討。該項(xiàng)研究同時(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。

iHuman研究所執(zhí)行所長(zhǎng)劉志杰教授對(duì)該成果的獲得十分欣喜：“該項(xiàng)研究成果完全由徐菲等青年P(guān)I領(lǐng)銜完成，表明上科大iHuman研究所培養(yǎng)年輕人才的生態(tài)系統(tǒng)已初見(jiàn)成效。同時(shí)，研究所在過(guò)去3年中能夠連續(xù)發(fā)表高影響力的研究成果，得益于研究所高水平公共服務(wù)平臺(tái)的鼎力支持”。

2016年4月15日，國(guó)務(wù)院發(fā)布上海科創(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2018年8月，學(xué)校的五個(gè)學(xué)院、三個(gè)研究所已經(jīng)建立了157個(gè)研究組，科研工作全面開(kāi)展，例如研發(fā)出基于電子晶體學(xué)的手性確認(rèn)新方法（2017年5月，《Nature Materials》）、五羥色胺2C受體三維結(jié)構(gòu)解析（2018年2月，《Cell》）、人源大麻素受體結(jié)構(gòu)解析（2017年7月，《Nature》;2016年10月，《Cell》）、人源胰高血糖素樣肽-1受體晶體結(jié)構(gòu)解析（2017年5月，《Nature》）、利用光能在室溫下把甲烷一步轉(zhuǎn)化為液態(tài)產(chǎn)品（2018年7月，《Science》）這樣的高水平科研成果正在不斷涌現(xiàn)，值得一提的是，建校五年來(lái)，隨著良好科研氛圍的逐步形成、高水平科研平臺(tái)的建設(shè)和海內(nèi)外優(yōu)秀人才的匯聚，上科大的科研工作正在呈現(xiàn)“加速度”產(chǎn)出的態(tài)勢(shì)。2018年已以第一完成單位在《Cell》、《Nature》、《Science》上都有重要成果發(fā)表，這些科研突破也是上?？苿?chuàng)中心在基礎(chǔ)科學(xué)研究方面的又一批重大成果。

論文鏈接：http://dx.doi.org/10.1038/s41586-018-0447-x

Frizzled4受體結(jié)構(gòu)側(cè)視圖以及狹窄的配體結(jié)合口袋展示

iHuman研究所青年P(guān)I，生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院助理教授徐菲

Frizzled4蛋白浮于眼球視網(wǎng)膜表面的藝術(shù)展現(xiàn)圖，以展示Frizzled4在視網(wǎng)膜血管再生，以及維持血眼屏障完整性方面的重要生物學(xué)功能。

該圖由Julie Liu設(shè)計(jì)并繪制。