從中國科學院獲悉，中科院上海藥物研究所徐華強研究員領銜國際上28個實驗室組成的交叉團隊經(jīng)過聯(lián)合攻關，利用世界上最強X射線激光，成功解析視紫紅質(zhì)（Rhodopsin）與阻遏蛋白（Arrestin）復合物的晶體結(jié)構(gòu)，攻克了細胞信號傳導領域的重大科學難題。該項突破性成果7月22日以長文形式在線發(fā)表于國際頂級學術(shù)期刊《自然》（Nature）雜志上。
2012年，諾貝爾化學獎頒給美國科學家羅伯特·萊夫科維茨和布萊恩·科比爾卡，以表彰他們在G-蛋白偶聯(lián)受體（G-protein-coupled receptor, GPCR）信號轉(zhuǎn)導領域做出的重要貢獻。他們的研究成果揭開了人體信息交流系統(tǒng)的秘密，即身體如何感知外部世界，并將信息通過下游G-蛋白發(fā)送到細胞，具有劃時代意義。然而，GPCR信號轉(zhuǎn)導領域還有一個重大問題懸而未決，即GPCR如何激活另一條信號通路——阻遏蛋白（Arrestin）信號通路，該難題一直困擾著世界結(jié)構(gòu)生物學科學家。
圖片說明：視紫紅質(zhì)和阻遏蛋白復合物的高分辨率三維結(jié)構(gòu)。藍色所示為視紫紅質(zhì)的結(jié)構(gòu)；黃色所示為阻遏蛋白的結(jié)構(gòu)。視紫紅質(zhì)感受外界光信號，并將光信號傳導到細胞內(nèi)，產(chǎn)生視覺。阻遏蛋白參與調(diào)控視覺的產(chǎn)生過程。
G-蛋白和阻遏蛋白構(gòu)成了GPCR下游的兩條主要信號通路。“在調(diào)節(jié)GPCR功能過程中，阻遏蛋白和G-蛋白分別扮演陰和陽的角色”，徐華強研究員介紹說，即GPCR能激活G-蛋白的信號通路，而阻遏蛋白會識別被激活的GPCR并使其內(nèi)吞到細胞內(nèi)脫敏，進而阻止G-蛋白向下游傳遞信號。近年來的研究表明，阻遏蛋白還能夠作為獨立的信號轉(zhuǎn)導蛋白，廣泛參與多種細胞生理活動，調(diào)節(jié)與G-蛋白通路不同的生理功能，比如人體感官功能和神經(jīng)活動。
對于GPCR這一類膜蛋白來說，要得到晶體已經(jīng)非常困難，而獲得GPCR與阻遏蛋白復合物的晶體則“難上加難”。在過去的十年間，徐華強研究員所領導的團隊一直致力于解析視紫紅質(zhì)（Rhodopsin）和阻遏蛋白復合物的晶體結(jié)構(gòu)。視紫紅質(zhì)是一個經(jīng)典的GPCR，可以感應到光信號，激活視覺功能。
最大的挑戰(zhàn)來自獲得的復合物晶體形態(tài)較小，未能達到同步輻射光源所適合的尺寸，很難獲得高分辨率的圖像。在交叉團隊的緊密配合下，研究團隊創(chuàng)新性地利用了比傳統(tǒng)同步輻射光源強萬億倍的世界上最亮的X射線——自由電子激光（x-ray free-electron laser, XFEL）技術(shù)，用較小的晶體得到了高分辨率的視紫紅質(zhì)-阻遏蛋白復合物晶體結(jié)構(gòu)。該三維結(jié)構(gòu)展現(xiàn)了阻遏蛋白與GPCR的結(jié)合模式，與G-蛋白與GPCR相互作用截然不同，為深入理解GPCR下游信號轉(zhuǎn)導通路奠定了重要基礎。該結(jié)構(gòu)也是運用XFEL技術(shù)獲得的首個蛋白質(zhì)復合物結(jié)構(gòu)，展示了XFEL技術(shù)在結(jié)構(gòu)生物學領域的強大應用前景，將對蛋白晶體結(jié)構(gòu)生物學領域的研究帶來顛覆性變革。
該研究不僅解決了世界級的科學難題，同時為開發(fā)選擇性更高的藥物奠定了堅實的理論基礎。徐華強解釋說，“GPCR是目前最成功的藥物靶標，迄今40%左右的上市藥物是以GPCR為靶點。在藥物發(fā)現(xiàn)領域，對靶蛋白結(jié)構(gòu)與功能關系的理解認識越深刻，開發(fā)出高效低毒藥物的幾率越大。”因此，選擇性靶向其中一條信號通路的藥物，也就是激活或抑制G-蛋白或阻遏蛋白信號通路，可能具有更好的療效并有效降低毒副作用。
“這個研究項目面臨了艱巨的挑戰(zhàn)，最終在全世界眾多研究機構(gòu)的多領域?qū)＜业暮献飨峦瓿?rdquo;，徐華強研究員說。“X射線自由電子激光技術(shù)為未來解決更具挑戰(zhàn)性的蛋白質(zhì)科學難題開啟了新思路。”
“徐華強研究員團隊的研究成果對理解GPCR功能具有重大意義，”來自托馬斯杰弗遜大學的GPCR領域?qū)＜襃effrey Benovic博士認為。“視紫紅質(zhì)和阻遏蛋白復合物的晶體結(jié)構(gòu)有助于人們理解GPCR的脫敏過程，并為未來解析更多的GPCR復合物提供了新思路”。
這個項目由徐華強和美國溫安洛研究所Karsten Melcher合作主導完成。項目合作機構(gòu)遍布全球，包括中科院上海藥物所蔣華良與趙英明、上海科技大學Ray Stevens、美國南加州大學Vadim Cherozov以及其他60余名科學家分別來自于斯坦福大學同步輻射光源結(jié)構(gòu)基因組學聯(lián)合中心，SLAC國家加速器實驗室，亞利桑那州立大學，南加州大學，加州大學洛杉磯分校，德國Desy自由電子激光科學中心，新加坡大學，紐約XFEL結(jié)構(gòu)生物學中心，斯克利普斯研究所，加拿大多倫多大學，范德堡大學，NSF科學技術(shù)中心威斯康辛大學密爾沃基分校，瑞士保羅謝爾研究所，愛爾蘭都柏林圣三一學院，芝加哥大學，德國康斯坦茨大學和德國漢堡超速成像中心等。
該研究除國際項目支持外，還獲得國家“重大新藥創(chuàng)制”重大專項、973、先導專項、上海市科委等基金的資助。
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