近日，美國《科學(xué)》雜志—美國科學(xué)促進會在上海召開新聞發(fā)布會，介紹該領(lǐng)域取得的重大突破性進展——由中國科學(xué)院上海藥物研究所和美國Scripps研究所的科學(xué)家組成的研究團隊，成功解析了CCR5蛋白質(zhì)分子的高分辨率三維結(jié)構(gòu)，并據(jù)此解釋了抗艾滋病毒感染的藥物馬拉維若是如何作用于該受體分子進而阻斷病毒入侵的分子機制，相關(guān)研究成果于2013年9月12日發(fā)表在雜志《科學(xué)》上。

科學(xué)家的困擾

*，艾滋病是由人免疫缺陷病毒（HIV）感染引發(fā)的。自1981年美國發(fā)現(xiàn)*艾滋病患者以來，該病已導(dǎo)致約三千萬人死亡。艾滋病毒感染人體細(xì)胞的*步是病毒與細(xì)胞的膜融合，這一過程由病毒表面糖蛋白gp120與細(xì)胞表面的受體CD4以及共受體CCR5或CXCR4共同作用完成。多年以來，為了闡明艾滋病毒侵入細(xì)胞的分子機制，科學(xué)家們進行了大量的研究。

在研究的zui初階段，研究人員普遍認(rèn)為艾滋病毒CD4受體是致使人們感染艾滋病的元兇。一直到了1996年，才有科學(xué)家通過研究發(fā)現(xiàn)除了CD4受體，艾滋病毒感染還需要共受體的共同作用，這個共受體通常是指CCR5。CCR5是一種位于細(xì)胞表面的受體蛋白質(zhì)，在大多數(shù)種類艾滋病毒感染人體免疫細(xì)胞時發(fā)揮重要作用，例如CCR5發(fā)生某些特定的突變以后，人感染艾滋病的幾率以及感染后的病程進度明顯降低或減緩。于是CCR5引起了研究人員的重視，并且近年來CCR5受體成為了新型抗艾滋病毒藥物研發(fā)中zui受關(guān)注的靶點之一?？茖W(xué)家們希望可以據(jù)此研發(fā)出抗艾滋病毒感染的藥物，通過與CCR5的競爭性結(jié)合或使CCR5受體分子處于非活性狀態(tài)而阻斷艾滋病毒的入侵，并且目前已有少量此類抑制劑被研制成功。但是由于共受體CCR5和CXCR4屬于G蛋白偶聯(lián)受體（GPCR）膜蛋白家族，其三維結(jié)構(gòu)解析挑戰(zhàn)性，因此這艾滋病毒感染人體細(xì)胞的分子機制長久以來一直困擾著國內(nèi)外科學(xué)家。由于缺少CCR5受體分子的高分辨率結(jié)構(gòu)，藥物設(shè)計一直無法實現(xiàn)。

“攻關(guān)”突破“瓶頸”

該研究論文的通訊作者、中國科學(xué)院上海藥物研究所與中國科學(xué)院受體結(jié)構(gòu)與功能重點實驗室研究員吳蓓麗博士回憶自己的科研生涯表示，早在六年前，她就已經(jīng)開始了相關(guān)的工作。那是2007年，她加入Scripps研究所（Scripps研究所是目前世界上zui大的私立非盈利性研究機構(gòu)之一，主要致力于生物醫(yī)學(xué)方面的研究。Scripps研究所因其在科研和人類健康領(lǐng)域做出的重要貢獻(xiàn)而享譽，其科研成果為癌癥、類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎、血友病等多種疾病的治療奠定了基礎(chǔ)。）Stevens教授的研究組從事博士后研究，致力于艾滋病毒的兩種共受體CCR5和CXCR4的結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究。在Stevens教授的支持下，吳蓓麗于2010年成功解析了人源CXCR4受體蛋白與兩種配體的復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)，相關(guān)研究成果發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。Stevens教授評價她時說：“從一開始她的目標(biāo)就是解析這兩種艾滋病毒共受體的結(jié)構(gòu)并據(jù)此闡釋其功能，這一明確目標(biāo)一直激勵著她的研究工作。”先前的工作為她今天的成果奠定了基礎(chǔ)。

論文通訊作者吳蓓麗

2011年，吳蓓麗博士加入中國科學(xué)院上海藥物研究所組建自己的研究團隊，在藥物所的支持下繼續(xù)深入該項研究，進一步探索CCR5的三維結(jié)構(gòu)。但由于GPCR蛋白表達(dá)難度大，獲得足夠量的用于結(jié)構(gòu)研究的蛋白質(zhì)樣品非常困難；并且，由于GPCR蛋白構(gòu)象不穩(wěn)定，獲得可用于Ｘ射線衍射的蛋白質(zhì)晶體也挑戰(zhàn)。因此與其它結(jié)構(gòu)已知的G蛋白偶聯(lián)受體相比，CCR5的結(jié)構(gòu)解析更具挑戰(zhàn)性。但是CXCR4結(jié)構(gòu)測定的成功經(jīng)驗給予了她足夠的幫助，吳蓓麗領(lǐng)導(dǎo)的年輕團隊進行了大量的篩選和優(yōu)化工作，利用一種新的融合蛋白穩(wěn)定了CCR5蛋白的構(gòu)象。與此同時，她還與上海藥物所的其他研究員的課題組在計算機模擬、化合物合成和藥理功能篩選等方面進行合作；zui終獲得了高質(zhì)量的蛋白質(zhì)晶體，成功解析了CCR5與一種抗艾滋病毒藥物——馬拉維若復(fù)合物的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。 “我們認(rèn)為馬拉維若能夠?qū)CR5的構(gòu)象鎖定在一種非活性狀態(tài)，希望能夠在高分辨率分子水平‘看’到這種構(gòu)象，”吳蓓麗解釋說。

兩個重大發(fā)現(xiàn)

根據(jù)上述研究，吳蓓莉研究團隊獲取了兩個重要的發(fā)現(xiàn)。

首先，解析CCR5和CXCR4這兩種共受體的結(jié)構(gòu)有助于深入理解艾滋病毒感染人體細(xì)胞的分子機制，以及決定病毒蛋白gp120結(jié)合的各種因素。大多數(shù)種類的艾滋病毒在侵染人體細(xì)胞初期以CCR5為共受體，但是經(jīng)過一段時間后，病毒共受體轉(zhuǎn)化為CXCR4，使得人體中更多類型的細(xì)胞被感染，加劇了病毒在人體內(nèi)的進一步擴散、加速了疾病的發(fā)展，zui終導(dǎo)致艾滋病的發(fā)生和患者死亡。而在人體內(nèi)，即使是極少數(shù)氨基酸的不同，也可能顯著影響蛋白質(zhì)結(jié)合區(qū)域的形狀和分子識別能力。因此艾滋病毒對于共受體的選擇性可能就是由CCR5和CXCR4這兩種共受體的結(jié)構(gòu)在形狀及電荷分布等方面的細(xì)微差異造成的，這可能是艾滋病毒對共受體具有選擇性的主要原因。目前，吳蓓麗的研究團隊正進一步深入，希望通過解析CCR5和CXCR4與艾滋病毒表面蛋白gp120以及CD4的復(fù)合物結(jié)構(gòu)，為研究病毒感染機制提供更多信息。

此外，CCR5的結(jié)構(gòu)揭示了藥物馬拉維若在受體分子中的結(jié)合位點，該結(jié)合位點與*的gp120結(jié)合位點不同，因此，馬拉維若可能是通過間接機制抑制CCR5與艾滋病毒的結(jié)合，即不直接與病毒競爭結(jié)合CCR5，但通過其與CCR5的結(jié)合改變CCR5的分子構(gòu)象，使其處于艾滋病毒非敏感狀態(tài)，從而實現(xiàn)阻斷CCR5與病毒結(jié)合的功效。CCR5與配體的相互作用模式，及CXCR4晶體結(jié)構(gòu)信息，為研發(fā)抵抗不同類型艾滋病毒感染的新型藥物打下了堅實的基礎(chǔ)。NIH綜合醫(yī)學(xué)研究所的Peter Preusch博士這樣評論該項研究：“蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)信息可揭示蛋白質(zhì)與藥物分子的相互作用機制，并且有助于新型治療藥物的研發(fā)。這一研究成果揭示了馬拉維若與抗艾滋病毒藥物靶點CCR5的相互作用模式，可以幫助人們在分子水平理解該類藥物的作用機理，有助于在生物學(xué)角度進一步研究艾滋病毒，并促進此類作用模式的靶向藥物研究。”

抗艾滋病毒藥物馬拉維若通過與CCR5結(jié)合將其鎖定在非活性狀態(tài)，從而抵制艾滋病毒侵染人體細(xì)胞

加強合作

美國Scripps研究所分子生物學(xué)系與化學(xué)系教授、上?？萍即髮W(xué)iHuman研究所首任所長Raymond Stevens 博士在新聞發(fā)布會上指出，GPCR相關(guān)研究雖然已經(jīng)得到了飛速發(fā)展，然而，GPCR家族非常龐大，包括826個成員，其中與人類疾病相關(guān)的重要藥物靶點至少有300余種，目前超過40%的上市藥物以GPCR為靶點。以目前的科研水平，如果要全面地了解這個人體內(nèi)zui大蛋白質(zhì)家族，至少需要幾十年。開展GPCR結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究及基于此的藥物研發(fā)工作耗資巨大，僅靠一個國家的科研機構(gòu)和科研經(jīng)費支持無法完成，因此大力開展合作對未來該領(lǐng)域的發(fā)展至關(guān)重要。目前，GPCR結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究領(lǐng)域保持著良好、緊密的協(xié)作關(guān)系，可以在范圍內(nèi)進行協(xié)調(diào)，避免重復(fù)浪費的科研力量投入。

論文*作者譚秋香

Raymond Stevens 博士

據(jù)悉，該研究項目除了吳蓓麗研究員和Raymone C. Stevens教授以外，參與者還包括中國科學(xué)院上海藥物所的譚秋香、朱亞和來自吳蓓麗、趙強、柳紅、蔣華良、謝欣等研究組的多名研究人員，以及美國Scripps研究所的Gye Won Han、Gustavo Fenanlti、Vadim Cherezov和加州大學(xué)圣地亞哥分校的Irina Kufareva。 該項研究獲得了包括科技部“973計劃”（2012CB518000、2012CB910400）、美國國立衛(wèi)生研究院（R01 AI100604、U54 GM094618及其中美生物醫(yī)藥合作研究補充項目）、國家自然科學(xué)基金委（31270766、81161120425、81025017）和上海市科委（11JC1414800、12PJ1410500）的資助。

配體結(jié)合位點上的微小差異對于相近受體蛋白識別病毒等分子的機制研究至關(guān)重要，因此在未來，利用*技術(shù)平臺以及良好的合作基礎(chǔ)，科研人員將側(cè)重于研究CCR5和CXCR4這兩種相近受體之間的細(xì)微異同之處。 CXCR4和CCR5的高純度蛋白樣品的獲得為運用其它生物物理手段進一步研究艾滋病毒感染機制鋪平了道路。兩種艾滋病毒共受體的三維結(jié)構(gòu)的解析，為相關(guān)藥物研發(fā)奠定了基礎(chǔ)，新一代抗艾滋病毒藥物的研究將很有可能取得突破性進展。目前，上海藥物研究所業(yè)已組織團隊聯(lián)合攻關(guān)，根據(jù)解析的CCR5結(jié)構(gòu)開展藥物設(shè)計，已獲得抗病毒活性更好的化合物。（轉(zhuǎn)自 生物探索）