蛋白質3D照片有望為眼部治療繪製新「戰略圖」——上科大研究團隊揭示首個捲曲受體三維結構成果再登《Nature》

近日，上海科技大學iHuman研究所的科研團隊在人體細胞信號轉導研究領域再獲重大突破，成功解析了首個人源捲曲受體（Frizzled-4）三維精細結構，揭示了捲曲受體在無配體結合情況下特有的「空口袋」結構特徵，及其有別於以往解析的GPCR的激活機制。北京時間8月23日凌晨，該成果以「Crystal structure of Frizzled 4 receptor in ligand-freestate」為題，在國際頂尖學術期刊《Nature》上在線發表。值得一提的是，該研究是上海科技大學iHuman研究所繼2016年、2017年、2018年年初在國際上首次發表大麻素受體（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受體三維結構（2018年2月《Cell》）之後在GPCR結構功能研究領域的又一項高水平、系統性的研究成果。

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

人體細胞表面分布著許多G蛋白偶聯受體（GPCR），其功能相當於細胞的「信號兵」。這些「信號兵」負責細胞間的信息交流，進而廣泛參與人體生理或病理狀態的調節。它們與人們的日常生活密切相關——比如眼睛能看到燦爛的陽光，鼻子能聞到花朵的芬芳，舌頭能嘗到食物的酸甜苦辣，其失調將導致疾病的發生。因此，GPCR是藥物研發領域的「寵兒」，目前市場上超過30%的在售藥物都以GPCR為靶點。

捲曲受體（Frizzled）由於結構上具有七次跨膜螺旋的保守性被通常認為是一類非典型的GPCR，包括了Frizzled1~10十個成員，負責介導細胞中控制發育的基本信號通路——Wnt信號通路。因此，捲曲受體與組織內穩態、胚胎髮育、血腦屏障的生成密切相關，其異常表達調控與多種人類疾病包括癌症有關，是一類新興的癌症治療靶點。其中Frizzled4對維持血腦屏障/血眼屏障的完整性發揮至關重要的作用，調控Frizzled4/Norrin通路中相關蛋白的表達能調節血腦/血眼屏障的開關，這為藥物小分子進出大腦提供了精密的調控方案。「當時選擇Frizzled4受體來研究，就是因為這個受體的結構獨特性和重要生物學功能吸引了我，尤其是在眼部視網膜病變等病理過程中的關鍵作用。」楊仕璠說，「我的微信頭像是一個漂亮的眼球圖案，就是代表了我做的研究」。

近年來新報道的GPCR結構層出不窮，為相關生物學功能研究和藥物設計帶來了重要的發展。然而對十個捲曲受體跨膜結構域的了解仍然是空白，而這一結構域正是受體參與激活信號通路和藥物針對位點的核心區域。

該項工作的主要困難和挑戰在於：以往發表的GPCR結構通常都有一個或多個配體分子用於穩定受體的活躍位點，使得蛋白更加穩定易於結晶；而該研究中的捲曲受體Frizzled4缺乏這樣一個能夠用來穩定蛋白的配體分子，因此要想獲得穩定的蛋白和高質量的晶體就非常困難。「為此，我們花了近三年時間反覆篩選蛋白的表達載體和結晶條件」，徐菲說，「這一難點恰恰也成為了我們這個研究工作的一個亮點，我們報道的這個捲曲受體結構成為已知的第一個真正意義上空口袋（即結合口袋裡沒有配體）的受體結構（apo結構）。這為基於結構的藥物設計提供了重要的研究基礎。」

2017年初，面對三年探索後仍然苦無進展的課題，以及博士後出站時間將近的壓力，論文第一作者楊仕璠必須作出艱難的抉擇：是繼續苦戰一年可能依然一無所得，還是選擇放棄？他堅定地選擇了堅持。他的堅持是值得的，在不懈的努力、嘗試、失敗、和創新中，課題進展很快峰迴路轉，終於在2017年7月看到了接近2埃解析度的漂亮的晶體衍射圖案。之後的結構解析、論文撰寫等過程順利展開。「論文的評審過程並不順利」，論文經歷了兩次大的修改包括大量新的實驗數據的補充。「這一過程中，我要特別感謝我們的合作者的大力支持以及對論文修改的建議」，徐菲說。

該項研究報道了首個捲曲受體（Frizzled4）跨膜結構域的精細結構，填補了這一空白。有趣的是，研究者發現解析的這個結構中的配體結合口袋是空的；經一系列結構分析和分子動力學模擬研究，證明這個口袋異於典型的GPCR，這顛覆了傳統意義上對GPCR的認識，因此，研究團隊提出，針對捲曲受體的藥物設計需要尋找新的切入點。進一步地，研究者通過長微秒尺度的分子動力學模擬和一系列突變與信號通路功能實驗，提出了大膽的假設：即Frizzled4以及其他的捲曲受體可能不是通過典型的GPCR激活構象變化來傳遞信號，其激活機理值得進一步探索。

該項工作從開始到發表歷時四年，由徐菲課題組的博士後楊仕璠完成Frizzled4晶體結構解析的主要工作，他同時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構分析、論文討論等相關方面的工作。吳屹然助理研究員通過分子動力學模擬等方法深入分析了Frizzle4的口袋結構特徵並預測了同家族其他捲曲受體的共有特徵，吳屹然是本論文的第二作者。美國Van Andel研究所的合作者Karsten Melcher和Eric Xu團隊提供了重要的功能實驗數據支持和關於捲曲受體及Wnt信號通路生物學方面的有益探討。該項研究同時獲得了國家自然科學基金委、科技部及上海市政府的經費支持。

iHuman研究所執行所長劉志傑教授對該成果的獲得十分欣喜：「該項研究成果完全由徐菲等青年PI領銜完成，表明上科大iHuman研究所培養年輕人才的生態系統已初見成效。同時，研究所在過去3年中能夠連續發表高影響力的研究成果，得益於研究所高水平公共服務平台的鼎力支持」。

2016年4月15日，國務院發布上海科創中心建設方案，明確指出上科大在上海張江綜合性國家科學中心建設中承擔重要任務。目前，學校正與中科院上海分院科研院所等單位合作，負責或參與建設軟X射線自由電子激光用戶裝置、活細胞結構和功能成像等線站工程、超強超短激光實驗裝置、上海光源二期線站工程，牽頭硬X射線自由電子激光裝置的建設，並承擔多項科創中心建設重點工作。截至2018年8月，學校的五個學院、三個研究所已經建立了157個研究組，科研工作全面開展，例如研發出基於電子晶體學的手性確認新方法（2017年5月，《Nature Materials》）、五羥色胺2C受體三維結構解析（2018年2月，《Cell》）、人源大麻素受體結構解析（2017年7月，《Nature》;2016年10月，《Cell》）、人源胰高血糖素樣肽-1受體晶體結構解析（2017年5月，《Nature》）、利用光能在室溫下把甲烷一步轉化為液態產品（2018年7月，《Science》）這樣的高水平科研成果正在不斷湧現，值得一提的是，建校五年來，隨著良好科研氛圍的逐步形成、高水平科研平台的建設和海內外優秀人才的匯聚，上科大的科研工作正在呈現「加速度」產出的態勢。2018年已以第一完成單位在《Cell》、《Nature》、《Science》上都有重要成果發表，這些科研突破也是上海科創中心在基礎科學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受體結構側視圖以及狹窄的配體結合口袋展示

iHuman研究所青年PI，生命科學與技術學院助理教授徐菲

Frizzled4蛋白浮於眼球視網膜表面的藝術展現圖，以展示Frizzled4在視網膜血管再生，以及維持血眼屏障完整性方面的重要生物學功能。

該圖由Julie Liu設計並繪製。

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