吴蓓丽组突破抗肥胖药物靶点，神经肽Y受体Y1R的三维结构揭示药物分子作用机制

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责编丨迦 溆

最近一两年里，中科院上海药物所领衔的科研团队连续在多项G蛋白偶联受体（GPCR）研究中取得重要突破。

2017年5月，来自中科院上海药物所吴蓓丽、王明伟和蒋华良领衔的科研团队以及上科大iHuman研究所Raymond C. Stevens、刘志杰等领导的团队成功解析了两个B类GPCR晶体结构（Nature集中发表中国科学家多项GPCR重大成果）【1，2】。2017年 7月，中科院上海药物所徐华强研究员领衔国际交叉团队在Cell杂志上以封面文章的形式发表论文，利用世界上最强X射线激光，成功解析磷酸化视紫红质（Rhodopsin）与阻遏蛋白（Arrestin）复合物的晶体结构，攻克了细胞信号转导领域的重大科学难题【3】（徐华强团队Cell：破解GPCR信号转导的磷酸化密码）。2018年1月4日，吴蓓丽和赵强领衔的研究团队在Nature上发表论文，首次测定了胰高血糖素受体GCGR全长蛋白与多肽配体复合物的三维结构，揭示了该受体对细胞信号分子的特异性识别及其活化调控机制【4】（B型GPCR信号转导机制，该成果有望加速2型糖尿病治疗新药的开发）。

4月19日，吴蓓丽课题组与德国莱比锡大学Annette G. Beck-Sickinger教授和德国雷根斯堡大学Max Keller博士联合在Nature上发表了题为 Structural basis of ligand binding modes at the neuropeptide Y Y1receptor 的论文，在抗肥胖药物靶点的结构和功能研究方面取得重要进展，首次测定了神经肽Y受体Y1R分别与两种抑制剂结合的高分辨率三维结构，揭示了该受体与多种药物分子的相互作用机制，为治疗肥胖和糖尿病等疾病的药物研发提供了重要的依据。

G蛋白偶联受体（G protein-coupled receptor, GPCR）是人体内最大的膜受体蛋白家族（超过800个），参与调控人体内几乎所有生理活动，目前上市药物中有超过40%以GPCR为作用靶点。肥胖是当今世界面临的严重的公共健康问题，目前全球每年有数以百万计的人死于与肥胖相关的疾病，如糖尿病、心血管疾病等。

神经肽Y是最重要的神经肽类物质之一，在细胞内通过与其受体结合调节食物摄取、能量平衡和血管收缩等重要生理功能。神经肽Y受体属于GPCR的视紫红质家族，在人体内包括Y1R、Y2R、Y4R和Y5R等四种亚型。神经肽Y是人体内最有效的刺激食欲的物质，主要通过激活Y1R行使这一功能，因此Y1R是研发抵抗肥胖和糖尿病药物的重要靶点。目前，由于Y1R的配体存在选择性差、脑屏障穿透能力差和口服生物利用率低等问题，至今尚无靶向Y1R的药物成功上市。

吴蓓丽课题组专注于GPCR的结构与功能研究，近年来先后测定了趋化因子受体CCR5【5】、嘌呤能受体P2Y12R【6】、P2Y1R【7】和胰高血糖素受体GCGR全长蛋白与不同配体结合的多个复合物结构【1,4】，为针对艾滋病、血栓和糖尿病等人体重大疾病的药物研发提供了新的线索。

在最新的这项研究中，吴蓓丽科研团队联手国际伙伴，通过多学科的紧密合作与艰苦攻关，成功测定了Y1R分别与小分子抑制剂UR-MK299和BMS-193885结合的复合物晶体结构，在原子水平上阐明了Y1R与这两种抑制剂的精细结合模式，为靶向该受体的药物设计提供了高精度的结构模板。基于Y1R与抑制剂的结合模式，研究人员设计了一系列Y1R氨基酸突变体，并检测这些突变体与多种抑制剂的结合能力及其对于不同抑制剂的抑制活性和受体活化的影响，揭示了Y1R对不同类型药物分子的特异性识别机制和不同神经肽Y受体对配体的选择性机制。

在测定Y1R三维结构的基础上，研究团队综合运用氨基酸互补突变、细胞信号转导、核磁共振、计算机分子对接模拟、光交联和质谱等多种技术手段研究Y1R与其天然配体神经肽Y的相互作用模式，并探索神经肽Y与Y1R结合时的结构变化。基于上述实验结果，搭建了Y1R与神经肽Y结合的复合物模型，阐明了Y1R与其天然配体的结合模式，特别是首次发现了与受体选择性密切相关的神经肽Y的N端区域在Y1R受体中的结合位点，极大促进了对于神经肽Y受体细胞信号识别机制的深入理解，对于设计高特异性的新型药物具有十分重要的指导意义。

“服用减肥药物通常伴随着神经和心血管系统的损伤，导致诸如失眠、焦虑、高血压、心悸等副作用，我们的研究阐明了Y1R与不同类型配体的精细作用机制，将有助于人们设计出药效更强、副作用更低的新型减肥药物，对于糖尿病和心血管疾病等人体重大疾病的治疗也具有十分重要的意义。”该研究的负责人吴蓓丽研究员对媒体公开表示。

神经肽Y受体Y₁R的三维结构示意图。Y₁R大量存在于人体中枢神经系统中，参与调节进食和能量代谢，是抵抗肥胖、焦虑和癌症等疾病的重要药物靶点。图中右下方Y₁R三维结构以蓝色飘带和表面图显示，小分子抑制剂UR-MK299以灰色球状模型显示。 (图片由中国科学院上海药物研究所吴蓓丽课题组提供）

据悉，研究论文的第一作者是上海药物所杨振霖博士和韩硕博士、德国雷根斯堡大学Max Keller博士、莱比锡大学Anette Kaiser博士和美国范德堡大学博士研究生Brian J. Bender。论文的通讯作者为吴蓓丽研究员、德国莱比锡大学Annette G. Beck-Sickinger教授和德国雷根斯堡大学Max Keller博士。

1、Zhang, H., Qiao, A., Yang, D., Yang, L., Dai, A., De Graaf, C., ... & Wu, B. L. (2017). Structure of the full-length glucagon class B G-protein-coupled receptor.Nature, 546(7657), 259.

2、Song, G., Yang, D., Wang, Y., de Graaf, C., Zhou, Q., Jiang, S., ... & Liu, Z. (2017). Human GLP-1 receptor transmembrane domain structure in complex with allosteric modulators.Nature, 546(7657), 312.

3、Zhou, X. E., He, Y., de Waal, P. W., Gao, X., Kang, Y., Van Eps, N., ... & Xu, Eric. (2017). Identification of phosphorylation codes for arrestin recruitment by G protein-coupled receptors.Cell, 170(3), 457-469.

4、Zhang, H., Qiao, A., Yang, L., Van Eps, N., Frederiksen, K. S., Yang, D., ... & Wu, B. (2018). Structure of the glucagon receptor in complex with a glucagon analogue.Nature, 553(7686), 106.

5、Tan, Q., Zhu, Y., Li, J., Chen, Z., Han, G. W., Kufareva, I., ... & Wu, B. (2013). Structure of the CCR5 chemokine receptor–HIV entry inhibitor maraviroc complex.Science, 341(6152), 1387-1390.

6、Zhang, J., Zhang, K., Gao, Z. G., Paoletta, S., Zhang, D., Han, G. W., ... & Zhao, Q. (2014). Agonist-bound structure of the human P2Y 12 receptor.Nature, 509(7498), 119.

7、Zhang, D., Gao, Z. G., Zhang, K., Kiselev, E., Crane, S., Wang, J., ... & Wu, B. (2015). Two disparate ligand-binding sites in the human P2Y 1 receptor.Nature, 520(7547), 317.