張海濤：Cell和Nature破解心血管疾病藥物靶標結構

　　一直以來，科學家們都希望能夠設計出新一代的藥物來對抗一系列致命的疾病。理解細胞表面的一類特殊蛋白（即藥物靶點）是實現這一目標的關鍵挑戰之一。

　　4月5日，發表在Nature雜志上題為“Structural basis for selectivity and diversity in angiotensin II receptors”的研究解密了一個非常有前途的藥物靶點——AT2R。具體來說，該研究應用最新的自由電子激光技術（XFEL）和同步輻射，首次解析了AT2R與兩種先導藥物的復合物晶體三維結構。

　　美國南加州大學Vadim Cherezov教授和Vsevolod Katritch教授是該論文的共同通訊作者。浙江大學藥學院“80后”博導張海濤研究員是該研究的第一作者。在接受生物探索采訪時，張海濤研究員詳細介紹了這一研究成果及其意義，并透露了下一步研究計劃。

　　1

　　1篇Cell、1篇Nature，揭秘AT1R與AT2R的“不同之處”

　　G蛋白偶聯受體（GPCR）調節了人體內眾多的生理和病理功能，也是目前最主要的藥物靶標。內源激素——血管緊張素II（angiotensin II）的效應由兩種GPCR亞型受體調控——AT1R和AT2R：AT1R主要負責調節血壓，其阻斷劑在臨床上被廣泛用作降血壓藥物；AT2R與血壓調節、神經生長、疼痛控制以及心肌再生有關。靶向AT2R的藥物具有潛在的改善心血管功能、緩解神經性疼痛等作用。

　　2015年，張海濤研究員以第一作者的身份在Cell雜志（論文題目：Structure of the Angiotensin Receptor Revealed by Serial Femtosecond Crystallography）報道了AT1R與降血壓藥物的復合物晶體結構。他說：“現在這篇Nature論文工作是之前Cell論文工作的延續。”

　　通過對這兩種亞型受體的結構進行比較，張海濤研究員發現，AT1R與AT2R跨膜區和配體結合區都存在顯著的結構差異。此外，該研究系統闡明了不同亞型血管緊張素II受體的配體選擇性和功能多樣性的結構基礎，從而為基于結構的AT1R/AT2R靶向藥物研究提供了關鍵信息。

　　這項研究成果還發現，AT2R處于一種“類激活”構象，其羧基末端的螺旋VIII與之前報道的其它GPCR結構截然不同。它結合在AT2R胞內區G蛋白和β阻遏蛋白的位點。分子動力學研究表明，螺旋VIII穩定了AT2R的類激活態構象，同時阻礙了G蛋白和β阻遏蛋白的偶聯。該發現為研究AT2R的生理學和病理學功能提供了重要的結構信息。

　　對此，Nature雜志同期發表了英國劍橋MRC分子生物學實驗室的Christopher G. Tate對該研究的評論文章（題目：Structural biology: A receptor that might block itself）。文章稱，AT2R的結構揭示了一種潛在的自抑制機制，因此，該晶體結構非常富有啟發性。AT2R非同尋常的藥理學性質已經困擾人們很多年，該結構第一次提供了支持這個非同尋常行為的見解。

　　這項研究成果的意義可以簡單歸結為兩個方面：一是為精準靶向AT1R和AT2R的亞型選擇性藥物設計提供了關鍵的結構信息；同時也揭示了AT1R和AT2R功能差異性的結構基礎，從而為心血管疾病的病理機制研究奠定了基礎。

　　2

　　創造了GPCR新結構解析的“世界紀錄”

　　張海濤研究員告訴生物探索：“我在之前研究AT1R的時候就發現AT2R有許多很有意思的、與眾不同的功能，所以，在解析AT1R結構后，我就提出要做AT2R結構研究。當時很多人認為這兩個亞型受體的氨基酸序列相似度很高，配體選擇性很低，這意味著兩者的結構相似性會很高，完全可以通過計算機模擬，沒有解析結構的必要。但我認為，不同于其他GPCR亞型的功能相似性，AT1R與AT2R幾乎擁有完全相反的功能，而功能是由結構決定的，因此，AT2R的結構很可能與AT1R有很大差異。解析AT2R的結構有望解釋這兩種亞型受體的功能多樣性和配體選擇性。”

　　默沙東主動提出合作

　　在Cell雜志上發表AT1R結構后不久，美國制藥巨頭默沙東公司（Merck & Co.）就主動要求與張海濤研究員合作，希望他開展AT2R的結構研究。原來，默沙東已研究AT2R藥物多年，但因為缺少AT2R的三維結構，其研發的藥物選擇性不好，容易引起副作用。基于AT1R結構通過計算機模擬得到的AT2R結構模型也無法解釋其原因。

　　有了之前研究AT1R的經驗，張海濤研究員在合作開始后短短1個月的時間內就獲得了AT2R的初始晶體；之后，利用又2個月的時間對晶體生長進行優化了，最后，應用自由電子激光和同步輻射技術，在不到100天內里就解析了3個AT2R的高分辨率晶體結構。這可以說是GPCR新結構解析的“世界紀錄”了。

　　之后，默沙東基于張海濤研究員解析的AT1R和AT2R結構進行了藥物設計和構效關系研究，從而解決了兩種亞型受體的配體選擇性問題，經過優化的AT2R藥物也獲得了更好的活性。

　　AT1R（右）和AT2R（左）的配體結合口袋比較

　　印象最深刻的事情

　　“最令我印象深刻的事是，當我第一次向默沙東的合作者們展示AT2R晶體結構時他們吃驚的表情。前一秒鐘大家非常困惑（Are you really sure about this structure？你真的確定結構是這樣的嗎？），后一秒鐘很多人已經反應過來并露出笑容（That explains everything.現在所有的事都能解釋得通了。）。因為我解析的結構表明，AT2R確實與AT1R有顯著性的結構差異。這種差異能夠解釋兩種亞型受體的配體選擇性和功能多樣性的根本原因。這也是結構生物學研究最吸引人的魅力所在，它能讓人們眼見為實地看清一個蛋白分子的三維結構。”張海濤研究員說。

　　下一步研究計劃

　　談及下一步研究計劃，張海濤研究員表示，重要的科學發現往往是解釋了一個問題，而又提出更多新的問題。在Cell和Nature上發表關于AT1R和AT2R結構的文章后，他開始思考這些研究成果提出的許多新問題：

　　1）AT1R不止是存在失活和激活這兩種狀態，還以偏向性激活下游G蛋白或β阻遏蛋白的活性狀態發揮作用，而G蛋白和β阻遏蛋白又存在多種不同的亞型。那么，AT1R是如何選擇性地激活下游不同信號蛋白的不同亞型的呢？2）AT2R是否也有這樣的功能？3）AT1R和AT2R可以形成異源二聚體，異源二聚體又是怎么發揮功能的？4）能否設計分子探針調控異源二聚體中的其中一個受體的活性來達到對另一個受體活性的異位調節？這些都是張海濤研究員課題組將要研究的內容。

　　3

　　五獲諾獎，G蛋白偶聯受體依然很迷人

　　2011年于中國科學院上海藥物研究所獲得藥理學博士學位后，張海濤博士先后在美國Scripps研究所以及南加州大學從事博士后研究。2016年，張海濤博士加入了浙江大學藥學院，并入選浙江大學“百人計劃”。

　　目前，張海濤研究員課題組主要針對GPCR的結構與功能開展研究。GPCR是人類基因組中最大的膜蛋白家族，在視覺、嗅覺、味覺以及神經傳遞等人類各項生理代謝活動過程中發揮著重要的作用。關于GPCR的研究極大改變了我們對生命活動的認識以及革新了現代醫藥研究。與GPCR有關的研究已經獲得了5次諾貝爾獎。最近的一次是2012年諾貝爾化學獎。美國科學家Robert J. Lefkowitz以及Brian K. Kobilka分享了這一獎項。

　　張海濤研究員告訴生物探索，他與GPCR的淵源是從Brian K. Kobilka教授的一次報告開始。他說：“2011年，Kobilka教授在中科院上海生化細胞所做了關于β2腎上腺素受體與G蛋白復合物結構的報告。那時，我意識到，這是諾獎級別的成果。同時，我也在思考，下一個諾獎級別的研究會是什么？我的答案是：GPCR與β阻遏蛋白的復合物結構。但β2腎上腺素受體并不是能與β阻遏蛋白形成最穩定復合物的GPCR，血管緊張素II受體AT1R才是。”

　　“就在幾天之后，GPCR結構生物學領域的另一位大牛Raymond Stevens教授到上海藥物所做報告。他就是在2007年與Kobilka教授合作解析了第一個β2腎上腺素受體結構的人。報告后，我請蔣華良所長把我引薦給Stevens教授。我現在還清楚地記得，當我說想做AT1R與β阻遏蛋白復合物結構的那一刻， Stevens教授眼前一亮。我當時就意識到我選對了課題，也選對了博后導師。我們一拍即合。”

　　AT2R論文發表之后，Lefkowitz教授評價該工作“獲得了原創的結論，解釋了AT2R非信號轉導性質的分子機制。”

　　張海波研究員強調，與人們印象中癌癥是導致死亡最多的疾病不同，心血管疾病才是全球致死的頭號殺手。張海濤研究員課題組目前所研究的血管緊張素II受體AT1R和AT2R就是心血管疾病的重要藥物靶標。

　　采訪的最后，張海濤研究員告訴生物探索：“我們為自己設定的‘初級目標’是‘精準靶標’——闡明血管緊張素II受體的結構與功能；‘終極目標’是‘精準靶向藥物’——設計靶向血管緊張素II受體不同亞型、不同信號通路、不同構象、不同用途的藥物，將基礎研究成果推向應用研究，把科研論文轉化成可為老百姓所用的好藥。”

　　關于張海濤研究員

　　張海濤博士是浙江大學“百人計劃”研究員、課題組長、博士生導師，長期從事結構生物學和分子藥理學研究，在靶向糖尿病、腫瘤、高血壓等人類重大疾病的藥物研究中取得了多項重要成果，在Nature、Cell、Nature Struct & Mol Biol、J Biol Chem、J Mol Biol、 PLOS ONE等國際主流學術刊物上發表了多篇研究論文。