解析甲状旁腺激素受体三维结构登上《科学》杂志
位于细胞膜上的G蛋白偶联受体是联通外界与细胞内部的一把把信号之“锁”。谁能摸清“锁”的样子，谁就有机会为这把“锁”配上一把专用的“钥匙”。因此，G蛋白偶联受体是迄今为止研究最多、也是最为重要的药物靶点。
4月12日的《科学》杂志刊登长文宣布，以中国科学家主导的4支科研团队联手，解析了1型人源甲状旁腺激素受体与Gs蛋白复合物的三维结构，揭示了其长效激活状态下的分子动力学机制。
甲状旁腺激素受体是一种在骨细胞和肾脏细胞中出现较多的B类G蛋白偶联受体，与体内钙磷代谢关系密切，因此被公认为是骨质疏松症治疗靶点。随着其三维结构的解析完成，将对创制治疗骨质疏松症、甲状旁腺功能减退症和恶病质等疾病的小分子新药奠定坚实的基础。
完成该项研究的这4支科研团队分别是：中国科学院上海药物研究所徐华强团队和王明伟团队、浙江大学基础医学院张岩团队，以及美国匹兹堡大学医学院Jean-Pierre Vilardaga团队。徐华强课题组赵丽华副研究员和博士研究生马山山、浙江大学沈丹丹博士和美国匹兹堡大学Ieva Sutkeviciute博士为该论文的共同第一作者。
“科研曾经历过最为艰难的时刻，甚至到了放弃的边缘。但我们选择了坚持不懈、勇往直前，才有了今天的成果。”王明伟在新闻发布会上充满激情地说，“宁可在领跑的道路上粉身碎骨地惨烈失败，也不愿意在惬意的跟跑道路上不战而胜。”
藏在甲状腺内的甲状旁腺形如蚕豆，是一个重要的内分泌器官。早在近100年前，研究人员就已经发现，用牛的甲状腺提取物，可以改变狗在甲状旁腺切除后出现的痉挛症状，并使得狗的血钙水平升高。由甲状旁腺分泌的甲状旁腺激素，随后被确定为调节血钙水平的关键因子，对维持机体离子稳态和骨骼健全至关重要。
科学家发现，甲状旁腺激素主要针对骨细胞和肾脏细胞发挥作用。这是因为在这两类细胞上，富含一个能与甲状旁腺激素特异性结合的B类G蛋白偶联受体——甲状旁腺激素受体。当甲状旁腺激素与受体结合之后，就会激活下游信号通路，调节血钙和磷酸盐的浓度。有趣的是，这种调节是双向的：一方面，信号被激活之后，细胞会吸收血钙；另一方面，信号被长时间激活之后，细胞又会向外释放钙离子。
众多周知，钙的含量与骨密度呈正相关。在全球，每两人里就有一个人面临低骨密度或骨质缺乏的问题，而恶化为骨质疏松症的患者数量超过2亿，是当代人类最为常见的疾病之一。我国卫健委在2018年10月19日发布的首个中国骨质疏松症流行病学调查显示：中国50岁以上男性骨质疏松症患病率为6%，女性患病率则是32.1%，65岁以上女性更是达到51.6%；城市化、老龄化和不健康生活方式使得我国骨质疏松症的防控形势日益严峻，并成为我国中老年人群的重要健康问题。
科学家们很早就意识到，甲状旁腺激素与受体的信号通路是治疗骨质疏松症的有效靶点。早在2005年，重组甲状旁腺激素就作为第一个靶向甲状旁腺激素受体的药物，用于治疗骨质疏松症。2010年之后，甲状旁腺激素多肽药物问世，但由于多肽药物只能注射，不能口服，不仅治疗过程不方便，而且价格昂贵。
如今，要开发一款能够口服的小分子化合物药物，首先需要对靶点进行更为精准地解析，以方便后续的化合物设计或减少筛查的时间。用通俗的话来说，为了配一把能用的“钥匙”，就要先画出“锁芯”的样子。
在1年多的时间里，中美两国科学家强强联手、资源共享，画出了世界上最为精准的治疗骨质疏松症之“锁”——1型甲状旁腺激素受体的真容。
“解析甲状旁腺激素受体结构，是一场战役。”王明伟说，而率军参战的4名领军科学家各有所长。徐华强很早就把G蛋白偶联受体作为主要研究方向之一，曾解析了甲状旁腺激素受体胞外区与多肽配体结合的三维结构。王明伟从2002年开始就把目光投向了这个受体，曾共同领导了跨膜区及全长胰高血糖素受体和胰高血糖素样肽-1受体晶体结构的确定。去年刚刚回到国内的张岩，擅长应用冷冻电镜技术解析生物大分子的立体结构，而回国后的第一个项目就是解析甲状旁腺激素受体结构。Jean-Pierre Vilardaga是甲状旁腺激素研究领域的翘楚。
研究人员相互配合，克服了甲状旁腺激素受体表达量低、稳定性差、复合物形成难等技术难题，高质量地从细胞中分离出甲状旁腺素受体及Gs蛋白复合物，并在一个适合电镜观察的人工模拟细胞膜上冷冻起来。得益于电镜高达3.0埃的原子级分辨率，甲状旁腺激素受体的三维结构第一次露出了真容。
而成千上万的复合物在低温中迅速凝固，最大程度地保留了“生前”的模样。当科研人员把不同模样的复合物图片连起来，一段栩栩如生的甲状旁腺激素与受体结合，进而激活下游蛋白的“工作画面”，首次展现在世人面前。这也是人们第一次看到处于长时激活状态下的G蛋白偶联受体的三维结构。
“在人体内，甲状旁腺激素与受体结合和分离都非常迅速，这是为了增加血钙吸收、减少血钙释放的需要。”张岩说，精准的三维结构解析将这一过程变得非常清晰：结合时，甲状旁腺激素的头部与露在细胞膜外的受体头部相连，激素尾部插入到受体的跨膜结构域中，受体被激活；在激活状态下，受体的头部不停地“扭动”，“迫不及待”地要摆脱激素头部的纠缠，很快激素头部因为“力有不逮”而首先从受体上脱离，并带动尾部也离开受体，激活状态中止。这让科学家对配体从受体上解离的过程有了进一步的认识。
作为国际学术界两大公认的顶级期刊，《自然》热衷于刊登G蛋白偶联受体结构解析的论文，而《科学》对G蛋白偶联受体不甚感冒。这一次能让《科学》对甲状旁腺激素受体结构心动，主要因为该G蛋白偶联受体对应的骨质疏松症人群庞大，更为重要的是科学家出色地解析了它的结构，但一路走来的艰难只有科研人员才深有体会。
“在最困难的时候，我想到了放弃。”赵丽华说，当时从细胞膜上提取蛋白质一直不顺利，经历了数次失败，而此时又传来了国外科学家已经获得相关蛋白的消息，让她感到万分沮丧，是王明伟“把她骂哭”而“逼成功了”。
“我们认准了这个目标，在结果出来之前一定要坚持。”王明伟对当时的场景也是记忆犹新，“我告诉她，哪怕最后惨烈地失败了，也比中途放弃要好。我们齐心协力把实验往下推进。”在他看来，当科研从跟跑走向领跑时，也意味着会面临更多的挫折与失败，但但中国已经超越了无风险地跟在别人后面做科研的阶段，到了“哪怕惨烈失败”也要领跑的时代。
值得一提的是，在G蛋白偶联受体结构解析领域，从金国章院士开始研究，到2010年徐华强建立结构生物学研究平台，再到吴蓓丽和赵强等青年科学家、Raymond C. Stevens等海外科学家加盟，以及蒋华良院士、王明伟等科研团队的密切合作，中科院上海药物所已经跻身世界一流G蛋白偶联受体研究机构行列。在15种B类G蛋白偶联受体里，药物所率先完成了其中3种受体结构的解析，并即将完成第四个。这对于中国研发从靶点开始原始创新的原研药的诞生具有极为重要的意义。