生物物理所等在大麻素受體的結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究中獲重要成果

開啟輔助訪問設(shè)為首頁贊助得金幣注冊(cè)指南網(wǎng)站導(dǎo)航

請(qǐng) 登錄后使用快捷導(dǎo)航
沒有賬號(hào)？注冊(cè)新賬號(hào)

曉木蟲

生物物理所等在大麻素受體的結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究中獲重要成果

摘要: 　　中國科學(xué)院生物物理學(xué)習(xí)所劉志杰課題組與合作者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 ...

　　中國科學(xué)院生物物理學(xué)習(xí)所劉志杰課題組與合作者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 structures of agonist-bound human cannabinoid receptor CB1 為題在國際學(xué)術(shù)期刊自然（Nature）上發(fā)表，并作為重點(diǎn)文章推介。
　　G蛋白偶聯(lián)受體（G protein-coupled receptor， 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。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發(fā)價(jià)值。
　　大麻素受體CB1是人類中樞神經(jīng)系統(tǒng)表達(dá)量最高的GPCR之一，其配體（包括激動(dòng)劑和拮抗劑）可用于治療疼痛、炎癥、神經(jīng)退行性疾病、肥胖癥以及肝纖維化等。去年10月，劉志杰課題組率先在細(xì)胞（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藥物具有極大的促進(jìn)作用。而激動(dòng)劑小分子，例如大麻里的主要精神類成分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。
　　目前已經(jīng)解析的GPCR三維結(jié)構(gòu)中大局部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)象非常活躍而且不穩(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)，劉志杰課題組與美國東北大學(xué)的Makriyannis實(shí)驗(yàn)室合作，基于THC，設(shè)計(jì)和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)過多輪蛋白純化及結(jié)晶條件篩選和優(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，與之前解析的CB1與拮抗劑小分子復(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)合口袋體積的變化53%（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）以及受體的整體結(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（RMSD （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。
　　該學(xué)習(xí)的另一重要發(fā)現(xiàn)是，首次從三維結(jié)構(gòu)上觀測到兩個(gè)氨基酸（Phe2003.36 and Trp3566.48）在受體激活過程中的協(xié)同構(gòu)象變化，學(xué)習(xí)人員將其稱之為“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，通過基于該晶體結(jié)構(gòu)與不同類型CB1激動(dòng)劑的分子對(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)。
　　中科院生物物理所博士學(xué)習(xí)生華甜是該文的第一作者，學(xué)習(xí)員劉志杰是該文的共同通信作者。參與該學(xué)習(xí)工作的合作單位包括：上�？萍即髮W(xué)iHuman學(xué)習(xí)所、美國東北大學(xué)(Northeastern University)、南加州大學(xué)(the University of Southern California)、Scripps學(xué)習(xí)所(The Scripps Research Institute， Florida)、北京計(jì)算科學(xué)學(xué)習(xí)中心和GPCR學(xué)習(xí)聯(lián)盟(GPCR Consortium)。
　　該學(xué)習(xí)得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部、上海市政府、美國NIH的資助和支持。