黏附類受體結構示意圖   受訪者供圖

■本報記者 張雙虎

G蛋白偶聯(lián)受體（GPCR）就像細胞膜上的“信號兵”，接收并將外來信號（如小分子、激素、光子、蛋白質等）傳遞到細胞內，“告訴”細胞應該做出什么反應，并以此調控人體各類生命活動。這一過程也被稱為信號轉導。

近日，中國科學院上海藥物研究所研究員吳蓓麗、趙強研究組聯(lián)合上海科技大學研究員水雯箐研究組，在孤兒受體信號轉導機制研究方面取得突破。該聯(lián)合團隊成功解析兩種黏附類GPCR（ADGRD1和ADGRF1）分別與G蛋白結合的復合物三維結構，并開展了功能相關性研究，首次闡明這類孤兒受體自發(fā)激活的分子機制，為研究該類受體的信號轉導機理和未來藥物設計提供了重要依據(jù)。

4月13日，相關研究在《自然》發(fā)表。

受體研究是藥物研發(fā)的“源泉”

在正常生理狀態(tài)下，受體把信號傳遞到細胞內，行使其生物學功能：在心血管系統(tǒng)中調節(jié)血壓，在神經(jīng)系統(tǒng)中調節(jié)神經(jīng)元。比如在心血管系統(tǒng)中發(fā)揮作用的腎上腺素受體，在神經(jīng)系統(tǒng)中發(fā)揮功能的多巴胺受體，包括人們看到顏色、嗅到氣味都需要通過受體識別、傳導信息才能實現(xiàn)。

“我們以前研究過一些和血栓性疾病相關的受體。它發(fā)揮作用后，血小板就會凝集，這可以用來防御血管損傷。”吳蓓麗對《中國科學報》說，“如果在非正常狀態(tài)下，受體在不該‘活躍’的時候‘活躍’了，就會在血管里形成栓塊，引發(fā)血栓性疾病。”

因此，研究GPCR的結構和功能，對新藥研發(fā)意義重大。在治療疾病時，人們可以利用藥物分子跟靶點受體結合，激活或抑制受體，從而發(fā)揮治療作用。

吳蓓麗解釋說，在新藥研發(fā)方面，要確認受體是否是某種疾病的藥物靶點，首先要明確它是否參與或導致疾病發(fā)生、在疾病出現(xiàn)和發(fā)展過程中發(fā)揮怎樣的作用。然后針對這種疾病，決定是激活受體的功能，還是抑制它的作用。

GPCR在細胞信號轉導中發(fā)揮重要作用，并與眾多疾病密切相關，因此，它成為最大的藥物靶標蛋白家族，圍繞GPCR的藥物研發(fā)也成為國際醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)的競爭高地。目前有超過40%的上市藥物通過與這些受體作用發(fā)揮療效，但仍有大量該家族的靶向藥物處于研發(fā)階段。孤兒受體作為潛在藥物靶標的“源泉”，給創(chuàng)新藥物研發(fā)帶來機遇。

7年沒有“正反饋”

GPCR是個龐大的蛋白家族，目前人們已知的有800多種，其中約100多種是“孤兒受體”。

“所謂‘孤兒受體’，就是與它結合的配體、信號和信號轉導通路都不清楚，人們對這類受體的功能了解非常少。”吳蓓麗介紹說，“目前，黏附類受體共33種，針對其中個別受體的研究發(fā)現(xiàn)，某些受體可能與精神分裂癥、多動癥或癌癥相關。”

到目前為止，科學家只是發(fā)現(xiàn)在某種疾病發(fā)生時，有受體通過某些方式參與其中，但它究竟如何導致疾病發(fā)生，在疾病發(fā)展中又起到什么作用，尚不清楚。

和其他GPCR相比，黏附類受體的分子結構復雜且構成不穩(wěn)定。不管是空間結構還是氨基酸序列，不同黏附類受體之間的相似性很低，“如果單從氨基酸序列上，很難想象這類受體到底通過什么方式發(fā)揮作用”。

此外，在結構和功能研究中，受體的配體（和受體結合的蛋白、化合物等）也非常重要。人們解析受體結構過程中，需要用配體分子來穩(wěn)定受體，但孤兒受體的配體至今仍不清楚，并且信號通路不明，在什么情況下處于活化狀態(tài)也未知，這讓孤兒受體研究“缺少必要的手段”。

“人們對黏附類受體功能調控機制、相互作用網(wǎng)絡和藥理基礎等方面的認識遠遠落后于其他 GPCR 家族，其中大部分仍然是孤兒受體。”上海科技大學iHuman研究所執(zhí)行所長劉志杰說。

由于已知信息很少，國際上可借鑒的研究有限，再加上黏附類受體獨具的特異性，大大增加了該項研究的難度。

“這項研究摸索了7年，有五六年時間都不知道所走的路對不對。”吳蓓麗說，“我們做一件事時，總是需要一些‘正反饋’，哪怕只是階段性成果。但在這項研究中，我們該試的、該做的都做了，就是看不到結果。”

7年沒有“正反饋”，對一個研究團隊，尤其是團隊的年輕人來說非常“殘酷”。有人因此冒出放棄的念頭。吳蓓麗也一度很焦慮，她經(jīng)常反問自己“選的這個方向、這個研究側重點究竟對不對”。

“我一次次鼓勵他們，其實也是給自己‘打氣’。”吳蓓麗說，“近幾年，GPCR的結構和功能研究，包括藥物研發(fā)方面發(fā)展非�？�，人們對這個家族的了解不斷加深，但黏附類受體是這個家族里發(fā)展最慢的，可謂是一塊‘處女地’。我們想到會有挑戰(zhàn)，但沒料到挑戰(zhàn)竟如此艱巨。”

發(fā)現(xiàn)孤兒受體的獨特性

轉機終于在2021年出現(xiàn)了。

在充滿不確定性的探索中，團隊逐步有了自己的積累，再加上技術、方法和儀器各方面的不斷進步，配體研究也有了長足的發(fā)展。團隊找到一段多肽作為配體，并通過測定ADGRD1和ADGRF1分別與G蛋白結合的復合物結構，發(fā)現(xiàn)受體自身的一部分可作為內源性激動劑。

“這個充當激動劑的部分是位于受體胞外結構域和跨膜結構域之間的一段多肽。”論文共同第一作者、中國科學院上海藥物研究所博士生瞿向利說，“該區(qū)段通過與受體跨膜結構域作用，導致跨膜螺旋發(fā)生構象變化，從而激活受體，使其與G蛋白結合。這種受體自發(fā)激活方式從未在其他類型GPCR中發(fā)現(xiàn)，這體現(xiàn)了黏附類受體信號轉導機制的獨特性。”

此外，該研究還發(fā)現(xiàn)一種天然脂分子通過與ADGRF1特異性結合對受體功能進行調控。團隊在ADGRF1與G蛋白的復合物結構中，還發(fā)現(xiàn)一個脂分子與受體中G蛋白結合口袋附近的一個位點結合，而在另一個受體ADGRD1的結構中則沒有發(fā)現(xiàn)脂分子。

研究人員利用質譜與組學技術鑒定該脂分子的結構為溶血磷脂膽堿（LPC）。進一步研究表明，LPC可能通過穩(wěn)定受體胞內側區(qū)域的構象促進受體激活。這是首次發(fā)現(xiàn)細胞膜的脂質成分LPC與GPCR結合并對受體功能發(fā)揮調控作用。

“這項研究極大拓展了我們對黏附類受體信號轉導和功能調控機制的認知。”劉志杰說，“這對于后續(xù)功能研究和藥物研發(fā)將產(chǎn)生重要影響。”

該論文審稿人認為，該研究深入分析受體的激活機制和對效應蛋白的識別機制，“為理解黏附類GPCR的結構與功能關系提供了全面的信息”。

“取得上述突破性成果源于該團隊在GPCR研究領域十余年來的積累和對該領域核心問題持之以恒的探索。”復旦大學教授徐彥輝評價說，“這些研究充分體現(xiàn)黏附類GPCR信號轉導和調控機制的獨特性、復雜性和多樣性，促進對這類受體分子機制的理解，為研究大量結構、功能未知的孤兒受體提供了新思路，也為挖掘其藥物研發(fā)潛力提供了新線索。”