上科大iHuman研究所团队攻克人源大麻素受体CB2结构

来源：上海科技大学

2019新年伊始，上海科技大学iHuman研究所科研团队在人体细胞信号转导研究领域再获重大突破，成功解析了人源大麻素另一个受体CB2 (Human cannabinoid receptor 2)的三维精细结构，揭示了小分子拮抗剂与CB2的结合及调控方式。

刘志杰课题组博士研究生,也是上科大首届博士研究生，李潇婷和iHuman研究所副研究员华甜为论文共同第一作者，iHuman研究所执行所长、生命学院教授刘志杰为通讯作者，上科大为第一完成单位。

桑科大麻属植物大麻（学名：Cannabis sativa L.）被用于医药、宗教和娱乐已有数千年历史，我国早期的药书《神农本草经》及《本草纲目》中就有关于大麻的医药和保健用途的大量记载。近年来，其药用属性也得到越来越广泛的认识和应用，例如2018年分别被欧盟EMA和美国FDA批准上市治疗儿童癫痫病的新药“Epidiolex”中的主要有效成份就是大麻中的主要成份大麻二酚（Cannabidiol, CBD)。

人体内源性大麻素系统含有CB1和CB2两个受体，它们均是大麻中的致幻成份——四氢大麻酚（Δ9-tetrahydrocannabinol, THC）的作用靶点。CB1分布于全身且是中枢神经系统中分布最广的G蛋白偶联受体（G-Protein Coupled Recptor, GPCR），而CB2则主要存在于人的免疫系统中，中枢神经系统中也有少量分布。CB2是治疗免疫调节类疾病、炎性神经痛、神经性炎症和神经退行性疾病等的重要靶点，最近的研究显示，CB2的拮抗剂在治疗肾纤维化、延缓肿瘤发展等方面具有较好疗效。尽管CB1与CB2之间的氨基酸序列同源度高达44%，两个受体无论在体内分布还是在调控的生理功能上均存在较大差异。揭示CB2的三维精细结构及与配体分子的相互作用机制，以及其与CB1在协同调节人体内源性大麻素系统中的相互关系既是非常重要的科学问题，也对众多疾病的新药研发具有重要意义。

在过去5年中，刘志杰课题组一直聚焦大麻素受体的系统性研究，试图理解其调控的重要生理功能和其结构基础。目前他们已分别发表了CB1与拮抗剂AM6538复合物的晶体结构（Cell, 2016）、CB1分别与激动剂AM841及AM11542复合物的晶体结构（Nature, 2017）。在前期工作的基础上，为攻克CB2受体结构及调控机制，刘志杰团队与美国东北大学的Alexandros Makriyannis教授团队合作并设计了CB2的新型拮抗剂AM10257。研究团队通过理性突变位点预测和大量实验筛选，最终获得了高质量的CB2蛋白样品并成功解析了CB2与AM10257复合物2.8埃分辨率的晶体结构。该结构清晰展示了拮抗剂AM10257与CB2的相互作用模式，通过与CB1三维结构的比对分析，发现同处于拮抗状态下的CB2与CB1不但结构差别极大，拮抗状态的CB2-AM0257结构反而与激动剂结合的CB1-AM11542结构具有更高的相似性。受此启发，该团队检测了AM10257对CB1的调控作用，不出意外地发现，AM10257对CB1确实表现出了弱激动剂的功能。 “一种配体对同一GPCR家族中不同成员具有相反调控作用的例子非常罕见， ”刘志杰教授说，“CB1和CB2两种受体间的这种阴阳平衡关系是否对人体生理功能的精确调控具有特殊的生理意义，是值得我们深入研究的重要科学问题”。

 “能够作为上科大第一批研究生，与上科大共同努力、成长是我的荣幸。希望我们对大麻素受体结构生物学的系列研究能够促进新型药物的设计和研发”，李潇婷说。华甜副研究员评价道：“人体的内源性大麻素系统是一个非常神奇的调控系统，它参与很多生理过程的调控且与众多疾病密切相关。我们在研究过程中不断发现它令人意外的奇妙特性。目前我们的研究已经深入到更加复杂的下游信号转导机制和相关的药物研发上。非常希望我们的努力能为人类健康做一份贡献”。

参与该项研究的还有iHuman研究所创始所长Raymond Stevens教授课题组、iHuman研究所研究员、生命学院助理教授赵素文课题组及美国东北大学、美国斯克利普斯研究所、美国南加州大学、美国国立卫生研究院和俄罗斯莫斯科物理技术学院等单位科研人员。iHuman研究所基因克隆平台、真核细胞表达平台、蛋白纯化平台、功能研究平台的工作人员为该项研究提供了强大的技术支持。同时，该项目也获得了国家自然科学基金委、科技部及上海市政府的经费支持。

北京时间1月11日凌晨，该成果以“Crystal Structure of the Human Cannabinoid Receptor CB2”为题，在国际顶尖学术期刊《Cell》上在线发表。作为一个国际化高水平的研究机构，上海科技大学iHuman研究所（ihuman.shanghaitech.edu.cn）聚集了一批从事人体细胞信号转导的国内外知名学者，通过系统整合多种研究方法，聚焦跨尺度多模态的整合结构生物学研究，在不到3年的时间里共发表了3篇《Cell》和3篇《Nature》。

CB1和CB2的相关文章链接:

CB1（Cell, 2016）:

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(16)31385-X

CB1（Nature, 2017）：

https://www.nature.com/articles/nature23272

CB2（Cell, 2019）：

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(18)31625-8

图1 不同配体对CB1和CB2受体阴阳平衡的调控关系及对应的疾病

图2 与小分子AM10257结合的大麻素受体CB2和CB1，

及其外周免疫细胞和神经细胞的艺术展现图，以展示其对神经和免疫系统的精准调控

该图由Julie Liu设计并绘制

图3 本文共同第一作者：李潇婷（上科大第一届研究生）