张海涛：Cell和Nature破解心血管疾病药物靶标结构

　　一直以来，科学家们都希望能够设计出新一代的药物来对抗一系列致命的疾病。理解细胞表面的一类特殊蛋白（即药物靶点）是实现这一目标的关键挑战之一。

　　4月5日，发表在Nature杂志上题为“Structural basis for selectivity and diversity in angiotensin II receptors”的研究解密了一个非常有前途的药物靶点——AT2R。具体来说，该研究应用最新的自由电子激光技术（XFEL）和同步辐射，首次解析了AT2R与两种先导药物的复合物晶体三维结构。

　　美国南加州大学Vadim Cherezov教授和Vsevolod Katritch教授是该论文的共同通讯作者。浙江大学药学院“80后”博导张海涛研究员是该研究的第一作者。在接受生物探索采访时，张海涛研究员详细介绍了这一研究成果及其意义，并透露了下一步研究计划。

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　　1篇Cell、1篇Nature，揭秘AT1R与AT2R的“不同之处”

　　G蛋白偶联受体（GPCR）调节了人体内众多的生理和病理功能，也是目前最主要的药物靶标。内源激素——血管紧张素II（angiotensin II）的效应由两种GPCR亚型受体调控——AT1R和AT2R：AT1R主要负责调节血压，其阻断剂在临床上被广泛用作降血压药物；AT2R与血压调节、神经生长、疼痛控制以及心肌再生有关。靶向AT2R的药物具有潜在的改善心血管功能、缓解神经性疼痛等作用。

　　2015年，张海涛研究员以第一作者的身份在Cell杂志（论文题目：Structure of the Angiotensin Receptor Revealed by Serial Femtosecond Crystallography）报道了AT1R与降血压药物的复合物晶体结构。他说：“现在这篇Nature论文工作是之前Cell论文工作的延续。”

　　通过对这两种亚型受体的结构进行比较，张海涛研究员发现，AT1R与AT2R跨膜区和配体结合区都存在显著的结构差异。此外，该研究系统阐明了不同亚型血管紧张素II受体的配体选择性和功能多样性的结构基础，从而为基于结构的AT1R/AT2R靶向药物研究提供了关键信息。

　　这项研究成果还发现，AT2R处于一种“类激活”构象，其羧基末端的螺旋VIII与之前报道的其它GPCR结构截然不同。它结合在AT2R胞内区G蛋白和β阻遏蛋白的位点。分子动力学研究表明，螺旋VIII稳定了AT2R的类激活态构象，同时阻碍了G蛋白和β阻遏蛋白的偶联。该发现为研究AT2R的生理学和病理学功能提供了重要的结构信息。

　　对此，Nature杂志同期发表了英国剑桥MRC分子生物学实验室的Christopher G. Tate对该研究的评论文章（题目：Structural biology: A receptor that might block itself）。文章称，AT2R的结构揭示了一种潜在的自抑制机制，因此，该晶体结构非常富有启发性。AT2R非同寻常的药理学性质已经困扰人们很多年，该结构第一次提供了支持这个非同寻常行为的见解。

　　这项研究成果的意义可以简单归结为两个方面：一是为精准靶向AT1R和AT2R的亚型选择性药物设计提供了关键的结构信息；同时也揭示了AT1R和AT2R功能差异性的结构基础，从而为心血管疾病的病理机制研究奠定了基础。

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　　创造了GPCR新结构解析的“世界纪录”

　　张海涛研究员告诉生物探索：“我在之前研究AT1R的时候就发现AT2R有许多很有意思的、与众不同的功能，所以，在解析AT1R结构后，我就提出要做AT2R结构研究。当时很多人认为这两个亚型受体的氨基酸序列相似度很高，配体选择性很低，这意味着两者的结构相似性会很高，完全可以通过计算机模拟，没有解析结构的必要。但我认为，不同于其他GPCR亚型的功能相似性，AT1R与AT2R几乎拥有完全相反的功能，而功能是由结构决定的，因此，AT2R的结构很可能与AT1R有很大差异。解析AT2R的结构有望解释这两种亚型受体的功能多样性和配体选择性。”

　　默沙东主动提出合作

　　在Cell杂志上发表AT1R结构后不久，美国制药巨头默沙东公司（Merck & Co.）就主动要求与张海涛研究员合作，希望他开展AT2R的结构研究。原来，默沙东已研究AT2R药物多年，但因为缺少AT2R的三维结构，其研发的药物选择性不好，容易引起副作用。基于AT1R结构通过计算机模拟得到的AT2R结构模型也无法解释其原因。

　　有了之前研究AT1R的经验，张海涛研究员在合作开始后短短1个月的时间内就获得了AT2R的初始晶体；之后，利用又2个月的时间对晶体生长进行优化了，最后，应用自由电子激光和同步辐射技术，在不到100天内里就解析了3个AT2R的高分辨率晶体结构。这可以说是GPCR新结构解析的“世界纪录”了。

　　之后，默沙东基于张海涛研究员解析的AT1R和AT2R结构进行了药物设计和构效关系研究，从而解决了两种亚型受体的配体选择性问题，经过优化的AT2R药物也获得了更好的活性。

　　AT1R（右）和AT2R（左）的配体结合口袋比较

　　印象最深刻的事情

　　“最令我印象深刻的事是，当我第一次向默沙东的合作者们展示AT2R晶体结构时他们吃惊的表情。前一秒钟大家非常困惑（Are you really sure about this structure？你真的确定结构是这样的吗？），后一秒钟很多人已经反应过来并露出笑容（That explains everything.现在所有的事都能解释得通了。）。因为我解析的结构表明，AT2R确实与AT1R有显著性的结构差异。这种差异能够解释两种亚型受体的配体选择性和功能多样性的根本原因。这也是结构生物学研究最吸引人的魅力所在，它能让人们眼见为实地看清一个蛋白分子的三维结构。”张海涛研究员说。

　　下一步研究计划

　　谈及下一步研究计划，张海涛研究员表示，重要的科学发现往往是解释了一个问题，而又提出更多新的问题。在Cell和Nature上发表关于AT1R和AT2R结构的文章后，他开始思考这些研究成果提出的许多新问题：

　　1）AT1R不止是存在失活和激活这两种状态，还以偏向性激活下游G蛋白或β阻遏蛋白的活性状态发挥作用，而G蛋白和β阻遏蛋白又存在多种不同的亚型。那么，AT1R是如何选择性地激活下游不同信号蛋白的不同亚型的呢？2）AT2R是否也有这样的功能？3）AT1R和AT2R可以形成异源二聚体，异源二聚体又是怎么发挥功能的？4）能否设计分子探针调控异源二聚体中的其中一个受体的活性来达到对另一个受体活性的异位调节？这些都是张海涛研究员课题组将要研究的内容。

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　　五获诺奖，G蛋白偶联受体依然很迷人

　　2011年于中国科学院上海药物研究所获得药理学博士学位后，张海涛博士先后在美国Scripps研究所以及南加州大学从事博士后研究。2016年，张海涛博士加入了浙江大学药学院，并入选浙江大学“百人计划”。

　　目前，张海涛研究员课题组主要针对GPCR的结构与功能开展研究。GPCR是人类基因组中最大的膜蛋白家族，在视觉、嗅觉、味觉以及神经传递等人类各项生理代谢活动过程中发挥着重要的作用。关于GPCR的研究极大改变了我们对生命活动的认识以及革新了现代医药研究。与GPCR有关的研究已经获得了5次诺贝尔奖。最近的一次是2012年诺贝尔化学奖。美国科学家Robert J. Lefkowitz以及Brian K. Kobilka分享了这一奖项。

　　张海涛研究员告诉生物探索，他与GPCR的渊源是从Brian K. Kobilka教授的一次报告开始。他说：“2011年，Kobilka教授在中科院上海生化细胞所做了关于β2肾上腺素受体与G蛋白复合物结构的报告。那时，我意识到，这是诺奖级别的成果。同时，我也在思考，下一个诺奖级别的研究会是什么？我的答案是：GPCR与β阻遏蛋白的复合物结构。但β2肾上腺素受体并不是能与β阻遏蛋白形成最稳定复合物的GPCR，血管紧张素II受体AT1R才是。”

　　“就在几天之后，GPCR结构生物学领域的另一位大牛Raymond Stevens教授到上海药物所做报告。他就是在2007年与Kobilka教授合作解析了第一个β2肾上腺素受体结构的人。报告后，我请蒋华良所长把我引荐给Stevens教授。我现在还清楚地记得，当我说想做AT1R与β阻遏蛋白复合物结构的那一刻， Stevens教授眼前一亮。我当时就意识到我选对了课题，也选对了博后导师。我们一拍即合。”

　　AT2R论文发表之后，Lefkowitz教授评价该工作“获得了原创的结论，解释了AT2R非信号转导性质的分子机制。”

　　张海波研究员强调，与人们印象中癌症是导致死亡最多的疾病不同，心血管疾病才是全球致死的头号杀手。张海涛研究员课题组目前所研究的血管紧张素II受体AT1R和AT2R就是心血管疾病的重要药物靶标。

　　采访的最后，张海涛研究员告诉生物探索：“我们为自己设定的‘初级目标’是‘精准靶标’——阐明血管紧张素II受体的结构与功能；‘终极目标’是‘精准靶向药物’——设计靶向血管紧张素II受体不同亚型、不同信号通路、不同构象、不同用途的药物，将基础研究成果推向应用研究，把科研论文转化成可为老百姓所用的好药。”

　　关于张海涛研究员

　　张海涛博士是浙江大学“百人计划”研究员、课题组长、博士生导师，长期从事结构生物学和分子药理学研究，在靶向糖尿病、肿瘤、高血压等人类重大疾病的药物研究中取得了多项重要成果，在Nature、Cell、Nature Struct & Mol Biol、J Biol Chem、J Mol Biol、 PLOS ONE等国际主流学术刊物上发表了多篇研究论文。