鉴定关键“信号兵”并揭示其工作机制 为研发哮喘靶向药物提供新思路

发布时间 / 2021-12-25 18:16:47 文章来源 / 365体育网站 0

哮喘是全球常见的慢性疾病之一,患病率逐年增加。有数据显示,哮喘在各个国家发病率为1%-18%。全球已有哮喘患者逾4亿人,我国20岁及以上哮喘患者人数已达4570万。


然而在现有的治疗策略下,哮喘的临床控制仍不理想。因此,针对哮喘发病机制、病理过程以及新治疗靶点的研究亟待突破。


浙江大学医学院附属第二医院沈华浩/应颂敏团队与365体育网站张岩团队经过科研攻关,利用冷冻电镜技术,在国际上首次解析了人源趋化因子受体CCR1的精细三维结构,阐明了该受体的内源性配体识别与偏向性信号激活机制,为今后靶向CCR1受体的药物研发奠定了基础。


2021年12月23日,Nature Chemical Biology在线发表了这项研究成果。


 

强强联手找到新靶点 

 

沈华浩/应颂敏团队多年来一直致力于哮喘发病机制与治疗研究,经过长期努力明确了趋化因子受体CCR1的激活在哮喘炎症中的关键作用。


但是,近二十年来,所有针对哮喘治疗的靶向趋化因子受体的小分子药物开发,在临床II期实验中均告失败。因此,从分子层面解析CCR1如何识别内源性配体并激活下游通路机制,对理解趋化因子-趋化因子受体相互作用及靶向该受体的新药研发具有重大意义。


沈华浩结合团队近十五年来研究另一趋化因子受体CCR3的经验与教训,提出:“从发病机制看,趋化因子受体CCR1及其配体在哮喘发病中起着关键作用,但一直没有成功研发出药物,因此团队决心要在CCR1的结构药理学方向进行探索,寻找药物开发失败的关键因素。”


CCR1属于A类G蛋白偶联受体(GPCR)。GPCR充当细胞的“信号兵”,负责感知外界信号,实现细胞间以及细胞与环境的信息交流,是人体中最大的细胞跨膜信号转导受体和最重要的药物靶标。张岩课题组长期从事GPCR信号转导和结构药理研究,解析过多个重要药物靶点的信号转导机制。


于是,沈华浩/应颂敏团队和张岩团队强强联手,利用冷冻电镜技术首次成功解析了CCR1及其G蛋白复合物的高分辨率冷冻电镜结构。

 

发现激活CCR1的关键角色

 

结合基于结构的功能研究和计算机模拟结果,本研究还首次阐述了Tyr2917.43在GPCR的配体识别和信号转导中的关键作用。


炎症状态下,人体内金属酶的分泌增加,会切割趋化因子CCL15的N端氨基酸,形成多种N端长度不同的CCL15。该研究发现:不同的CCL15可以激活受体CCR1产生不同的下游信号。


根据下游信号和N端长度的不同,研究人员将CCL15分为三类——CCL15LCCL15MCCL15S(图1)。这三类CCL15激活CCR1后产生相似的G蛋白信号,但CCL15S激活β-arrestin信号通路的能力显著弱于CCL15LCCL15M,即发生了偏向性信号转导。


也就是说,CCR1这个“信号兵”接收到不同的指令,走出了“南辕北辙”的路径。

图1 趋化因子CCL15的三种亚型


为了探究该现象发生的机制,研究团队采用单颗粒冷冻电镜技术,首次解析了三个高分辨率的趋化因子受体CCR1与Gi蛋白的复合物结构(2.6~2.8埃):分别是结合CCL15LCCL15M和未结合配体的CCR1受体信号转导复合物结构(图2)。


 

图2 CCR1偶联Gi蛋白复合物的冷冻电镜结构


电镜密度显示,位于CCR1正构结合口袋底部的Tyr2917.43氨基酸侧链在不同配体作用下表现为截然不同的构象(图3)。突变该氨基酸后,受体下游偏向性信号转导特性几乎完全消失,提示Tyr2917.43是介导CCL15CCR1的偏向性激活的关键氨基酸位点。

图3 CCR1正构结合口袋内的Tyr2917.43构象


张岩介绍:“弄清楚信号分子如何激活CCR1,也就明确了下一步如何去阻碍它发挥作用,之后的哮喘药物研发可能就会考虑如何把Tyr2917.43‘封印’。”

 

助力靶向GPCR偏向性药物发现

 

有趣的是,研究者对所有人类GPCR进行序列比对,发现Tyr2917.43在90余种A类GPCR中高度保守,如阿片类受体(μOR, κOR)、血管紧张素受体(AT1R)等。


偏向性信号转导机制的研究对于靶向GPCR的药物发现有着重要意义:G蛋白和β-arrestin信号通路通常具有不同的生理功能和药理学应用,特异性激活或抑制某一条信号通路可以有效避免药物副反应,获得高活性低副作用的理想化合物。


例如阿片类受体μOR的G蛋白偏向性激动剂TRV130,被证明具有与吗啡相似的止痛功效以更低的副作用,已获得FDA批准上市。因此,该研究系统探索了Tyr2917.43位点在受体响应外部信号激活中的作用,为未来靶向GPCR的偏向性药物发现指明了道路。


浙江大学医学院附属第二医院呼吸与危重症医学科2017级直博生邵喆婳、365体育网站/浙江大学医学院博士后沈庆亚、浙江大学医学院2019级直博生姚冰鹏为该论文共同第一作者。沈华浩、张岩、应颂敏为该论文共同通讯作者。


张岩课题组诚聘药物设计、药理学、生物物理学等专业的特聘研究员、博士后以及科研助理,待遇从优,欢迎对信号转导调控和药物发现感兴趣的有志青年加入。


更多工作详见:http://person.hotelhaciendadeguadalupe.com/zhangyan。