生命科学及材料学等领域取得重大进展学术资讯

来源：iNature

趋化因子及其受体介导细胞迁移，从而影响多种基本的生物学过程和疾病状况，例如炎症和癌症。尽管已经对趋化因子受体的结构研究和受体-趋化因子识别进行了充分的努力，但对内源性趋化因子诱导的受体激活和G蛋白偶联的了解还很少。2020年7月1日，上海科技大学刘志杰及华甜共同通讯在Nature 在线发表题为“Structural basis of CXC chemokine receptor 2 activation and signalling”的研究论文，该研究报告白细胞介素8（IL8，也称为CXCL8）激活的人类CXC趋化因子受体2（CXCR2）与Gi蛋白复合的冷冻电子显微镜结构，以及设计的变构拮抗剂结合的CXCR2晶体结构。该研究结果揭示了CXCL8和CXCR2之间以及CXCR2–Gi蛋白相互作用的独特的结合模式。对CXCR2的非活跃状态和活跃状态的进一步结构分析揭示了一个独特的激活过程以及趋化因子受体的竞争性小分子拮抗作用。此外，本研究为内源性蛋白质分子如何激活G蛋白偶联受体（GPCR）提供了新见解，这将有助于针对趋化因子系统的疗法的合理开发，以获得更好的药理作用。另外，2020年5月22日，上海科技大学饶子和、王权及中国科学院武汉病毒研究所龚鹏共同通讯在Cell 在线发表题为“Structural basis for RNA replication by the SARS-CoV-2 polymerase”的研究论文，该研究解析了RNA聚合酶及其辅助因子与RNA和抗病毒候选药物瑞德西韦复合体2.9 Å的三维结构，揭示了新型冠状病毒聚合酶复合体催化过程中“转位前”和“转位后”两个生理状态的构象特征。2020年4月29日，清华大学祁海、上海科技大学胡霁、清华大学钟毅共同通讯在Nature 在线发表题为“Brain control of humoral immune responses amenable to behavioural modulation”的研究论文，该研究发现了第一条由神经信号传递（非内分泌激素介导）的中枢神经对适应性免疫应答进行调控的解剖学明确的通路，该研究揭示了大脑对适应性免疫的控制，并提出了通过行为干预增强免疫能力的可能性。2020年4月29日，普渡大学窦乐添、Brett Savoie和上海科技大学于奕共同通讯在Nature 在线发表题为“Two-dimensional halide perovskite lateral epitaxial heterostructures”的研究论文，该研究在新型半导体异质结研究中取得重要进展，首次成功制备并表征了二维卤化物钙钛矿横向外延异质结。这些发现为卤化钙钛矿半导体的固定化和稳定化提供了见识，并展示了用于复杂和分子薄的超晶格，器件和集成电路的材料平台。2020年4月24日，上海科技大学Raymond C. Stevens及密歇根大学Roger D. Cone共同通讯在Science 在线发表题为“Determination of the melanocortin-4 receptor structure identifies Ca2+ as a cofactor for ligand binding”的研究论文，该研究首次解析人源黑皮质素-4-受体（MC4R）与环形多肽配体SHU9119复合物2.8埃分辨率的晶体结构。该研究首次观察到功能性Ca2+与GPCR的结合模式，发现Ca2+有助于稳定受体-候选药物复合物，并使内源性激动剂α-黑素细胞刺激激素的亲和力和效力得到了极大的提高。总而言之，该成果对于开发针对此受体的肥胖症药物有重要的参考价值。最后，Science 发表了题为“Calcium as a biased cofactor”的点评文章，系统总结了该研究成果。2020年4月23日，上海科技大学，南开大学，清华大学，中科院生物物理所，伯明翰大学等多单位合作，饶子和，王权，李俊及Gurdyal S. Besra及共同通讯在Science 在线发表题为“Structures of cell wall arabinosyltransferases with the anti-tuberculosis drug ethambutol”的研究论文，该研究确定了分枝杆菌EmbA-EmbB和EmbC-EmbC配合物在其糖基供体和受体底物以及乙胺丁醇存在下的冷冻电子显微镜和X射线晶体结构。该研究工作为理解生化功能和抑制阿拉伯糖基转移酶以及开发新的抗结核药物提供了结构基础。
2020年4月22日，中国科学院上海药物研究所柳红/许叶春，上海科技大学杨海涛及中国科学院武汉病毒所张磊砢共同通讯在Science 在线发表题为”Structure-based design of antiviral drug candidates targeting the SARS-CoV-2 main protease“的研究论文，该研究设计并合成了两种针对 Mpro的先导化合物（11a和11b）。两者均表现出优异的抑制活性和有效的抗SARS-CoV-2感染活性。SARS-CoV-2Mpro与11a或11b形成复合物的X射线晶体结构均以1.5分辨率测定，表明11a和11b的醛基共价键合到Mpro的Cys145。两种化合物在体内均显示出良好的PK特性，而11a的毒性也较低，表明这些化合物是有前途的候选药物。2020年4月10日，清华大学饶子和，娄智勇及上海科技大学王权共同通讯在Science 题为“Structure of the RNA-dependent RNA polymerase from COVID-19 virus”的研究论文，该研究报告了SARS-Cov-2辅助因子nsp7和nsp8与全长nsp12的cryo-EM结构，分辨率为2.9埃。除了病毒聚合酶家族的聚合酶核心的保守结构和冠状病毒RdRp中特有的与Nido RdRp相关的核苷酸转移酶（NiRAN）域外，nsp12在其N末端还拥有一个新鉴定的β-发夹结构域。观察到病毒复制和转录的关键残基。该研究还提供了比较分析，以显示瑞德昔韦如何与该聚合酶结合。这种结构提供了对冠状病毒复制/转录机制的核心组成部分的见解，并为设计针对病毒RdRp的新型抗病毒治疗药物提供了思路。2020年4月9日，上海科技大学饶子和，杨海涛及中科院上海药物所蒋华良共同通讯在Nature 在线发表题为“Structure of Mpro from COVID-19 virus and discovery of its inhibitors”的研究论文，该研究解析了新型冠状病毒关键药物靶点——主蛋白酶（Mpro）的高分辨率三维空间结构，并综合利用三种不同的药物发现策略，找到针对新冠病毒的潜在药物。2020年2月19日，上海科技大学徐菲，上海交通大学雷鸣和武健共同通讯在Nature 在线发表题为“Structural basis of ligand recognition and self-activation of orphan GPR52”的研究论文，该研究介绍了人类GPR52在无配体和Gs耦合状态下的高分辨率结构。结构表明，细胞外环2占据了正构结合袋，并作为内置的激动剂起作用，赋予GPR523高水平的基础活性。当在没有外部激动剂的情况下将Gs偶联至GPR52时，将达到完全激活状态。该受体还具有配体结合的侧袋。对GPR52的结构和功能的这些见解可以增进我们对其他自激活GPCR的理解，能够鉴定内源和工具配体，并指导靶向GPR52的药物发现工作。2020年1月30日，上海科技大学刘志杰及华甜共同通讯在Cell 在线发表题为“Activation and Signaling Mechanism Revealed by Cannabinoid Receptor-Gi Complex Structures”的研究论文，该研究揭开了大麻素受体CB1和CB2分别处于拮抗状态、中间态及激活态的神秘面纱，对大麻素系统的认知又迈出了坚实的一大步。”华甜副研究员说。该研究发现，虽然在激动剂调控下CB1和CB2与下游Gi蛋白的接头方式非常相似，但是两个受体的激活机制却各不相同。另外，他们还首次发现胆固醇分子对CB1的别构调节功能，为靶向CB1受体的特异性药物设计提供了新思路。同时，该研究还揭示了CB2受体获得高选择性配体的分子机制，为针对CB2的免疫类新药设计提供了更加精确的分子模型和理论基础。2020年1月15日，同济大学戈宝学及上海科技大学饶子和共同通讯在Nature 在线发表题为“Host-mediated ubiquitination of a mycobacterial protein suppresses immunity”的研究论文，该研究发现宿主E3泛素连接酶ANAPC2（后期促进复合物/环体的核心亚基）与分枝杆菌蛋白Rv0222相互作用，并促进赖氨酸11连接的泛素链对Rv0222的赖氨酸76的附着，从而抑制促炎细胞因子的表达。总而言之，该研究发现确定了结核分枝杆菌用来抑制宿主免疫力的一种以前未被认识的机制，并提供了与开发针对结核分枝杆菌的有效免疫调节剂有关的见解。

黑皮质素-4-受体（MC4R）在能量稳态控制中起着核心作用。因此，它是综合症和饮食性肥胖症的主要治疗靶标。MC4R在下丘脑，脑干和神经系统的其他部位表达，可协调食物摄入和能量消耗。例如，多种杂合功能丧失突变，包括减少异三聚体刺激性G蛋白（Gs）偶联的突变，如I1022.62T和M2185.54T病态的早期肥胖综合症，而增加受体活性的功能获得性突变则与瘦弱有关。

MC4R具有药理学意义，它具有许多不同寻常的特性，其中包括：（i）异三聚体GTP结合蛋白（G蛋白）偶联受体（GPCR）很少见的基因剂量效应；（ii）既受内源性激动剂肽[三肽α-黑素细胞刺激激素（α-MSH）]的调节，又受内源性拮抗剂或偏向性激动剂，称为刺鼠相关蛋白（AgRP）的调节；（iii）通过同源调节剂黑皮质素2受体（MC2R）辅助蛋白2的调控; （iv）与离子通道Kir7.1偶联的能力，独立于G蛋白功能。也许由于这个原因，药物开发特别具有挑战性。

该受体是肽药物setmelanotide（一种合成的环状α-MSH配体）的靶标，该药物已成功治疗罕见的单基因和综合征肥胖症，但未治疗饮食性肥胖症。更有效的小分子和肽类MC4R激动剂由于常见的饮食肥胖症而在临床试验中失败。因此，针对MC4R的药物开发方法将需要深入了解MC4R的这些非同寻常的特性。

GPCR可以结合多种细胞外配体，包括生理阳离子。生物学和药理学研究先前已暗示Zn2+和Ca2+都参与了黑皮质素受体家族多个成员的功能。尽管在高分辨率的A类GPCR结构中已描述了Na+结合位点的结构和稳定作用，但人们对阳离子与GPCR跨膜结构域相互作用的结构和功能作用了解甚少。

文章作者：Raymond C. Stevens、于静、赵素文

该研究报告了拮抗剂SHU9119绑定人类MC4R在2.8埃分辨率的结构。Ca2+被鉴定为与来自受体和肽配体的残基复合的辅因子。细胞外Ca2+使MC4R处的内源性激动剂α-黑素细胞刺激激素的亲和力和效力分别增加37倍和600倍。MC4R结晶构建体与离子通道Kir7.1偶联的能力，同时缺乏单磷酸腺苷的刺激，突显了这种信号传导方式的异三聚体GTP结合蛋白（G蛋白）独立机制。 MC4R被揭示为结构差异的G蛋白偶联受体（GPCR），与脂质GPCR相比，与同源肽GPCR的相似性更高。

总而言之，某些MC4R带有基因突变的个体会患早发性肥胖症，针对MC4R结构与功能的研究及药物研发一直充满挑战。该成果对于开发针对此受体的肥胖症药物有重要的参考价值。

来源：Plant_ihuman iNature

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