G蛋白偶联受体的结构生物学研究

G蛋白偶联受体(G protein-coupled receptor, GPCR)在细胞信号传导过程中发挥关键作用,其三维结构的解析对于深入理解GPCR的结构与功能关系具有重要意义。2000年以前,GPCR的高分辨率结构解析一直是困扰科学家们的一个难题。近年来,GPCR的结构生物学研究实现了飞跃式的发展。本文简要综述了GPCR结构解析的方法与创新点,并以CCR5和P2Y1R两种受体的结构解析为例阐述GPCR结构对于功能研究和药物研发的重要性。     

G蛋白偶联受体的共同激活机制

G蛋白偶联受体(G protein-coupled receptor, GPCR)构成人体中最庞大的膜蛋白家族,也是最重要的一类药物靶 标。随着GPCR结构解析技术的突破,目前已破解八十余个受体的400多个结构,揭示出GPCR复杂多样的配体结合模式和 跨膜信号转导机制。近年来,残基相互作用计算已实现对GPCR构象变化的精细描述,揭示出A家族GPCR存在共同的激活 机制。文章简要回顾GPCR激活机制研究的方法和创新点,并对A家族GPCR共同激活机制如何推动功能研究和药物研发进行展望。     

G蛋白偶联受体及其生物信息学研究

G蛋白偶联受体(G-protein-coupled receptor, GPCR)是一类具有7个跨膜螺旋的跨膜蛋白受体. GPCR的结构特征和在信号传导中的重要作用决定了其可以作为很好的药物靶标. 目前世界药物市场上有三分之一的小分子药物是GPCR的激活剂(agonist)或拮抗剂(antagonist), 这说明该类受体和它们的配基在药物开发和设计中占有极其重要的地位. 以公开数据库中已有的基因组序列和EST序列作数据源, 利用生物信息学手段寻找新的GPCR编码基因(新的药物靶标), 并构建GPCR分子生物学数据库, 一直是GPCR研究领域中的热点. 综合利用生物信息学和高通量配基筛选方法, 寻找可以用作新的药物靶标的GPCR, 进而鉴定出它们的特异性或非特异性配基, 是GPCR研究和药物开发的一个重要方向.     

嘌呤能受体蛋白结构与抗血栓药物

[本刊讯]中国科学院上海药物研究所张丹丹、吴蓓丽、赵强等首次测定出嘌呤能受体P2Y₁R蛋白的高分辨率三维结构,揭示了P2Y₁R抑制剂分子的作用机理,为研究治疗血栓性疾病的新型药物提供了重要依据,开启了G蛋白偶联受体（GPCR）药物研发的新方向。研究成果于2015年3月30日在线发表于Nature。血栓性疾病包括中风、冠心病、肺栓塞等,是严重威胁人类生命的一类     

本期内容简介

<正>目前,人工智能的浪潮汹涌澎湃。人工智能在视觉图像识别、语音识别、文本处理等诸多方面已经达到或者超越人类水平,在视觉艺术、程序设计方面也开始崭露头角,令人惊叹不已。我刊特邀请顾险峰教授撰文,介绍人工智能的简要历史、发展现状和未来的潜力。本期专题为"气候变化",夏军院士等分别介绍了气候变化对中国东部季风区水循环及水资源影响,气候变化对中国洪涝灾害风险的影响,气候变化对华北农业水资源影响,气候变化预测预估的不确定性等内容。此外,近年来G蛋白偶联受体(GPCR)的结构生物学研究实现了飞跃式的发展,我刊邀请吴蓓丽研究员撰文,介绍了GPCR结构解析的方法和创新点,以及GPCR结构解析对功能研究和药物研发     

抗结核药物靶点的结构研究进展

结核病(tuberculosis)是一种严重威胁人类生命健康的传染性疾病,主要由结核分枝杆菌( Mycobacteriumtuberculosis )感染引起。当前结核病的耐药性问题突出,新药的研发刻不容缓。研究抗结核药物靶点的结构将助力药物的开发工作。文章总结了在结核杆菌细胞壁合成和能量代谢这两个重要生理过程中关键药物靶点的最新结构研究进展,分析了这些膜蛋白及其复合物的结构与功能的关系和已知药物分子作用于靶点的精确作用方式,以及对于抗结核新药设计的重要价值。     

植物异三聚体G蛋白调控系统研究进展

动物异三聚体G蛋白由α,β和γ3个亚基组成,通过G蛋白偶联受体(GPCR)感受外部刺激将信号转化为离子通道、酶和其他作用蛋白进而影响一系列的细胞行为.近10年对模式植物水稻(Oryza sativa)和拟南芥(Arabidopsis thaliana)G蛋白的研究发现了植物有别于动物G蛋白信号传导途径的新机理.植物G蛋白与动物一样也含有α,β和γ3个亚基,但是植物Ga亚基能自发地进行GTP与GDP的交换,使得G蛋白能够自我激活,这也使得植物不需要所以也就不存在GPCR.此外,植物还有不同于动物的大型Gα亚基和非典型Gγ亚基.水稻非典型Gγ亚基表现出C端抑制N端的自我抑制机制,并显著影响产量性状.本文着重介绍模式植物拟南芥和水稻G蛋白信号调控、效应和功能的相关研究进展,总结植物与动物G蛋白信号传导的异同,讨论通过G蛋白提高农作物产量的可能性.     

植物受体激酶的结构与功能研究进展

作为多细胞营固着生长的生命体,植物需要对外界多变的环境及内部不同组织细胞之间协调发育的多样信号做出精确的反应.与多细胞动物主要通过数量巨大的GPCR等受体蛋白参与细胞与环境及细胞之间的交流不同,植物主要靠数目庞大的植物受体激酶来完成相应功能.通过30多年的深入研究,植物受体激酶的功能研究取得了极大的进展,研究发现,植物受体激酶参与植物多种多样的生理病理过程,包括生长发育、气孔发育、分生组织发育、抗病、花粉管吸引和自交不亲和等.这些受体激酶的结构生物学研究在近10年取得了一系列重要的成果,使我们对各种受体激酶的配体识别及活化机制有了系统的认识.2017年国家自然科学奖二等奖授予"油菜素内酯等受体激酶的结构与功能研究",也是对这些成果的肯定.本综述对参与不同过程的受体激酶结构进行总结描述,随后对受体激酶的识别及活化规律进行总结,最后对该领域尚未解决的问题及研究方向提出展望.     

分选链接蛋白家族研究进展

分选链接蛋白(sorting nexins,SNXs)是一类含有吞噬细胞氧化酶同源性结构域(Phoxhomology domain,PX domain)蛋白的统称,在哺乳动物中有33个成员,其PX结构域易与定位于早期内涵体的磷脂酰肌醇-3-磷酸(phosphatidylinositol-3-phosphate Ptd Ins(3)P)结合,参与蛋白跨膜过程中货物分子接头蛋白与膜锚定蛋白的结合等蛋白间的相互作用,故SNXs在细胞内吞、蛋白分选、细胞信号转导、膜运输、膜重塑和细胞器运动等方面均起重要作用.不同SNXs尚含差别较大的其他结构域,据差异结构域的不同,可进一步分为3大类.其中某些成员参与肿瘤、阿尔茨海默症、神经疾病和心脏病等人类重大疾病的发生.本文概述其发现、基因定位、结构、分类、功能及相关疾病等的研究现状,并展望其相关动向.     

AFM单分子力谱技术测量膜蛋白力学特性的研究进展

膜蛋白在细胞生理活动中起着关键性的作用,是大部分药物的作用靶点.对膜蛋白进行研究不仅对理解生命活动的本质有着重要的价值,还可为疾病治疗和医药研发带来帮助.原子力显微镜(AFM)的出现为研究膜蛋白的结构提供了一种新的技术手段.AFM不仅可以对单个天然态膜蛋白分子的形貌结构进行高分辨率成像,同时还可通过将配体分子修饰到AFM针尖,利用单分子力谱(SMFS)技术对膜蛋白生理功能与活动行为(如配体结合、解折叠)中的力学特性进行直接测量,使得人们可以从分子生物力学方面来认识膜蛋白的结构和功能,是对传统结构生物学方法得到的蛋白质静态三维结构的重要补充.SMFS技术在测量膜蛋白力学特性方面取得了巨大的成功,为生命科学和医药卫生领域相关问题的解决提供了新的思路.本文结合作者在AFM病理瘤细胞表面抗体-抗原相互作用力测量方面的研究工作,介绍了SMFS技术的原理与方法,总结了近年来应用SMFS技术研究膜蛋白力学特性的进展,讨论了SMFS技术面临的挑战.     

小分子蛋白互作调节剂的研究进展

蛋白质-蛋白质相互作用(protein-protein interactions, PPIs)是生命活动的基本单元,在所有生物体的生理和病理过程中发挥核心作用. PPI功能的失调是多种疾病的基础,包括癌症、传染病、免疫疾病和神经退行性疾病等,故PPI是非常直接有效的药物作用靶点.然而,对PPI靶蛋白动力学的复杂性、稳定性与PPI结合模式的认知局限导致靶向PPI药物,特别是应用于临床的小分子蛋白互作调节药物(small molecule PPI modulators, smPPIMs)的开发,面临巨大挑战.虽然如此,目前已有部分药物分子成功上市或进入不同的临床研究阶段,证明了该研究方向的可行性,同时也表明,该领域尚存在许多值得探索的机遇.针对以上机遇和挑战,本文讨论了包括分子胶(molecular glues, MGs)在内的4种不同smPPIM调控机制,汇总了常见的smPPIM开发策略,并在介绍目前比较热门的PPI靶点基础上,给出对smPPIM后续研发的展望.     

SPG3A基因的一个新突变导致重症遗传性痉挛性截瘫

在一个重症、病情进展迅速的西藏遗传性痉挛性截瘫(HSP)家系的SPG3A基因中发现了一个以前未报道的致病性新突变, c.1228G > A (p.G410R). 这一突变发生在进化上高度保守的碱基上, 且在家系中与疾病表型共传递; 但在对照组中阙如. 蛋白质结构预测表明, 该p.G410R的改变发生在atlastin分子中鸟苷酸蛋白结合域与跨膜螺旋区的联结部位, 并且位于一个α 螺旋的起始点. 这一突变很可能破坏了这一跨膜螺旋结构, 并引起该分子内跨膜区整体结构的改变. 研究结果表明, SPG3A基因的突变可引起重症HSP, atlastin分子中鸟苷酸蛋白结合域与跨膜螺旋区间的联结部位可能在决定疾病的严重性上起重要作用. 本研究为SPG3A引起的HSP在表型严重性与atlastin分子结构改变程度之间可能存在的关系提供了证据.     

埃博拉病毒入侵:人TIM分子的结构与结合PS的分子基础

研究表明,人T细胞免疫球蛋白黏蛋白(human T-cell immunoglobulin and mucin domain,h TIM)受体分子能够促进包括埃博拉病毒在内的很多囊膜病毒的入侵.h TIM介导的病毒入侵过程高度依赖于位于受体分子胞外区远膜端的免疫球蛋白V区(immunoglobulin variable(Ig V)-like)结构域与病毒囊膜中磷脂酰丝氨酸(phosphotidylserine,PS)的特异性相互作用.人类TIM家族共有3个成员:h TIM-1,h TIM-3和h TIM-4.虽然相应的小鼠TIM分子的结构已经解析,但h TIM分子的Ig V结构特征及其识别PS的分子基础仍然未知.同时,有研究表明,引起西非大规模埃博拉疫情爆发的2014-扎依尔-埃博拉病毒可能较其先前流行株具有更强的致病能力.但目前尚未有2014-扎依尔-埃博拉病毒利用h TIM分子入侵细胞及其与1976-扎依尔-埃博拉病毒的入侵能力比较的研究报道.本研究证明了整合有1976-和2014-扎依尔-埃博拉病毒囊膜糖蛋白(glycoprotein,GP)的假病毒均可以利用h TIM-1和h TIM-4入侵细胞,并且表现出相近的入侵效率.进一步证明了h TIM分子不与埃博拉病毒GP蛋白直接相互作用,而是通过结合病毒囊膜中的PS分子而促进病毒感染.随后解析了3种h TIM分子Ig V结构域的高分辨率晶体结构以及h TIM-4与磷酸丝氨酸的复合物晶体结构.令人意外的是,3种h TIM分子的PS结合槽呈现出各自不同的局部结构特征且在目前已解析结构的小鼠同源分子中均未被观察到.这些结构特征很可能提示h TIM分子具有不同于小鼠同源分子、且彼此间亦各不相同的PS识别模式.上述结构和功能数据丰富了我们对h TIM结合PS的分子基础的认识,从而将帮助我们更深入地了解埃博拉和相关囊膜病毒利用h TIM受体入侵细胞的分子机制.     

Li-Yorke混沌与逆极限空间的阶

机体的内部平衡及脏器结构功能的稳定有赖于细胞之间及细胞与外环境的相互作用,通过粘合与信号转导对细胞表型与行为进行社会性调控。细胞粘合的分子基础－粘合分子受体,以钙粘蛋白和整合蛋白的分布最为广泛。这类分子的跨膜的糖蛋白,其分子的胞质内域与膜内面多种蛋白质结成分子链式复合体,并与细胞骨架相连,在组织细胞间或细胞与外基质间形成具备粘合与信号转导双重功能的网络体系,参与调节组织发生和形态分化,对细胞识别,     

细胞粘合分子受体研究进展和抗癌应用前景

机体的内部平衡及脏器结构功能的稳定有赖于细胞之间及细胞与外环境的相互作用,通过粘合与信号转寻对细胞表型与行为进行社会性调控。细胞粘合的分子基础－粘合分子受体,以钙粘蛋白和整合蛋白的分布最为广泛。这类分子为跨膜的糖蛋白,其分子的胞质内域与膜内面多种蛋白质结成分子链式复合体,并与细胞骨架相连,在组织细胞间或细胞与外基质间形成具备粘合与信号转寻导双重功能的网络体系,参与调节组织发生和形态分化,对细胞识别     

基于通路关联网络研究丹酚酸B治疗心血管疾病的机理

研究候选药物治疗疾病的作用机制是药物研发过程中的一个重要步骤.目前,运用系统生物学方法对蛋白、药物和疾病相互关联网络的分析加深了对药物治疗疾病机理的理解.然而,针对这些关联网络的分析大都是从基因/蛋白的角度直接关联到疾病层面.考虑到蛋白通常通过参与生理通路实现其自身的生物功能,所以本研究提出了以生物通路关联网络的分析方法,以生物通路为研究视角来研究药物治疗疾病的机理.许多研究表明,丹参主要活性成分丹酚酸B对心血管疾病有良好的疗效.本文在运用药物-蛋白关联网络分析方法的基础上,尝试结合生物通路关联网络去分析丹酚酸B治疗心血管疾病的机理.利用分子对接方法计算得到丹酚酸B的作用靶点,同时通过文献挖掘收集实验验证的丹酚酸B治疗心血管疾病的调控蛋白及目前治疗心血管疾病的西药及靶点数据.利用药物-蛋白关联网络分析发现,丹酚酸B能够通过作用肾素-血管紧张素-醛固酮系统中血管紧张素转化酶和肾素,从而舒张血管,最终调节心血管疾病.通过生物通路关联网络分析发现,丹酚酸B可能通过作用凋亡生理过程、免疫/炎症生理过程、离子迁移生理过程和基础代谢生理过程来调节心血管疾病,并且倾向于调节免疫生理过程.因此,基于通路关联网络的分析方法能够为分析药物的治病机理提供新的视角.     

基于pathway谱对药物重定位的探讨

新药开发一直面临着高投入低产出的困境.药物重定位(drug repositioning)是解决这一问题的有效方法,因而成为现今药物研究的热点之一.目前流行的方法主要是基于药物小分子的相似性或关联性(化学结构、副作用、表达谱和小分子-蛋白作用关系等),预测药物的新功能.由于仅仅依赖药物-药物之间的关系,这些新功能限制在现有药物的功能空间之内.本研究中提出一种以疾病为导向,基于pathway谱的药物-疾病关联性评估方法来预测药物的新功能.考虑到药物在临床应用中除了作用于预先设定的主要治疗靶点以外,还能作用于其他一些额外的靶点,而这往往是产生副作用或是新的治疗功能的原因.该方法充分利用药物的已有靶点信息,认为药物通过作用于多条疾病相关蛋白影响的pathway,达到调节疾病的病理过程的目的.以2010年全球最热销的8个药做测试,美国食品药品监督管理局(Food and Drug Administration,FDA)批准的主治功能排在前10的位置,超过60%的预测功能可以得到文献的直接支持.它可以作为以往方法的有效补充,为药物的重定位以及毒副作用评估提供一种新的视角.     

“有助于揭示人体运行复杂细节的发现”——2012年诺贝尔化学奖简介

在药物设计方面我们希望,通过了解细胞受体的三维结构,可以开发更有针对性和更有效的药物。——布莱恩.K.科比尔卡因"G蛋白偶联受体研究"获得2012年诺贝尔化学奖的两位美国科学家,分别是北卡罗来纳州杜克大学医学中心教授、69岁的罗伯特.J.莱夫科维茨(Robert J.Lefkowitz)和加州斯坦福大学医学院教     

细菌c-di-AMP特异性磷酸二酯酶的研究进展

c-di-AMP特异性磷酸二酯酶(c-di-AMP-specific phosphodiesterase, PDE)是一类能够将c-di-AMP水解为线性pApA或AMP的酶,对维持细菌体内c-di-AMP的代谢平衡至关重要.在不同的细菌中存在着不同结构类型的PDE,其功能既具有一定的保守性,又存在特异性. c-di-AMP作为第二信使分子在包括古菌、革兰氏阳性菌及支原体、衣原体、蓝细菌等部分革兰氏阴性菌等在内的原核生物中发挥多种功能.近年来研究显示, PDE通过调节细菌中cdi-AMP水平,进而调控细菌生长、生物被膜形成、细菌耐药性、细菌毒力和宿主细胞的免疫应答等生物学过程,是预防和治疗病原菌感染的重要潜在靶点,在疫苗研发及小分子药物筛选开发领域中具有极大的潜力.本文对近年来PDE分类、结构及生物学功能等方面进行综述,旨在为相关研究人员提供参考.     

基于DNA G-四链体识别的抗肿瘤分子筛选及结构设计研究进展

以生物靶分子为基础进行抗肿瘤药物先导化合物的筛选是抗肿瘤药物研究的热点之一. DNA G-四链体结构的发现和现代分子生物学技术对其与癌症关系的揭示, 为目前抗肿瘤药物研发提供了一个新的契机. 能够诱导DNA形成G-四链体结构或者与G-四链体特异性结合并使之稳定的化合物有望抑制肿瘤细胞的生长, 从而达到抗癌的作用. 以G-四链体为抗癌药物作用靶点对化合物进行筛选和结构设计是目前化学家和生物学家的关注点. 本文旨在针对靶向G-四链体的抗肿瘤分子筛选、结构设计以及抗肿瘤药物开发三个方面的最新研究进展进行综述. 首先, 介绍两种基于G-四链体对其配体结构特异性识别而对化合物进行结构筛选的研究方法: 基于核磁共振进行抗肿瘤化合物筛选方法以及计算机虚拟筛选. 其次, 从化合物与G-四链体之间静电相互作用方面来进行G-四链体配体的结构设计, 主要包括以下4种类型: (1) 原位胺的质子化; (2) 通过杂环芳香族化合物上的N-甲基化; (3) 中心金属离子的存在; (4) 不带电荷的化合物. 最后, 对目前基于G-四链体为抗肿瘤作用靶点、已经走向临床实验的CX-3543, AS1411两个抗肿瘤药物的开发与作用机制进行介绍.