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蛋白偶联受体的结构研究与药物研发

G蛋白偶联受体(G protein coupled receptors,GPCRs)是人体内最大的膜受体蛋白家族,具有保守的7次跨膜螺旋结构.GPCR可识别细胞外的各种信号分子,如激素、神经递质、离子、光、气味分子等,与之结合后发生构象改变,随后与细胞内的效应蛋白(包括G蛋白、GPCR激酶GRK和阻遏蛋白)相互作用,从而诱导各种细胞反应.作为分布最广泛的细胞表面蛋白,GPCR在所有重要的生理活动中发挥不可或缺的功能作用,是心血管疾病、神经系统疾病、炎症、代谢性疾病、癌症等多种疾病的重要药物靶点.美国食品药品监督管理局(FDA)批准的药物中约34%以GPCR为作用靶点,2011~2015年间,GPCR药物的销售份额占据全球上市药物的27%.近年来,GPCR的结构生物学研究取得了长足的发展,研究成果揭示了GPCR对配体识别和信号转导的分子机制,并为基于结构的药物研发提供了重要信息.本文详细介绍GPCR的结构研究与药物研发进展,并就GPCR结构和功能研究的未来发展方向提出建议.     

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     

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.     

G蛋白偶联受体:七次跨膜结构的超级分子——2012年诺贝尔化学奖简介

G蛋白偶联受体是人类基因组中最大也是最重要的一类蛋白质,它们几乎参与了生物体中所有的生命活动。这一类受体的发现、功能研究以及结构解析为我们了解生理调控以及疾病的发生与治疗等带来新的曙光。在此之前,G蛋白偶联受体的相关研究已经被九次授予诺贝尔奖,而2012年,诺贝尔化学奖再次授予Robert J. Lefkowitz和Brian K. Kobilka,以表彰他们在此领域,尤其是肾上腺素受体上的相关研究。文中简介了G蛋白偶联受体的研究历程,其独特的七次跨膜结构与激活机制,并对此领域的未来发展做了展望。     

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.     

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     

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.     

趋化因子受体的结构与信号转导机制

趋化因子（chemokine）及趋化因子受体（chemokine receptor）在介导细胞迁移、增殖和抵御病原体入侵过程中发挥重要作用，并且与免疫环境中炎症和癌症的发生发展密切相关。人体中有20多种趋化因子受体和近50种趋化因子。一种趋化因子可以结合多种受体，反之亦然，它们相互作用构成了复杂的趋化因子调控网络。对趋化因子及其受体的三维结构的解析，对于我们更深入理解趋化因子受体家族的激活机制与药理功能具有非常重要的意义。文章总结了已解析的与内 源性趋化因子配体或其类似物结合的趋化因子受体结构，分析了趋化因子激活相应趋化因子受体的分子机制，以及对于抗 癌药物开发设计的重要性。     

发展亲和质谱技术加速G蛋白偶联受体的配体筛选和药物发现

基于靶蛋白 配体亲合作用检测的亲和质谱技术与常规高通量筛选技术相辅相成，已发展成为药物先导化合物早期发 现流程中的关键技术之一。G蛋白偶联受体（GPCR）家族由于其特殊的生化性质，对基于亲合作用的配体筛选和配体表征 提出了巨大的技术挑战。文章主要介绍亲和质谱技术用于GPCR配体筛选的基本原理及其特点，并总结该技术用于大规模化 合物库及天然草本粗提物筛选的前沿进展。     

纳米尺度金属超分子配合物对DNA的特殊识别与功能调控新进展

配体通过靶向特殊基因,进而调节该基因所参与的生物学功能一直是生物无机化学领域十分活跃的研究课题.当前,金属配合物对DNA的结构识别以及功能调控引起了人们的高度重视,越来越多的研究表明,金属配合物能够有效地识别DNA的二级结构并影响其生物学功能.最近研究发现,一些具有纳米尺度的金属超分子配合物能够特异性识别DNA并表现出特殊的生物学效应.本文总结了纳米尺度金属超分子配合物对不同DNA二级结构的选择性识别及调控等方面的研究进展.     

人源大麻素受体的结构生物学研究

据史料记载,早在公元200年前中国已将大麻（cannabis）用于镇痛及其他疾病的治疗,随后人们在娱乐和宗教活动中也开始使用大麻。随着科学技术的不断进步,大麻中的多种活性成分被逐步鉴定出来,其中就包含具有精神活性的四氢大麻酚（Δ9 -tetrahydrocannabinol, Δ9 -THC）。这些活性成分是一类结构和功能多样的化学物质,统称为大麻素 （cannabinoid）。20世纪90年代初期,科学家们发现人体和一些动物体内存在一类内源性大麻素系统,该系统参与调控体内的多种生理过程,其中包含内源性大麻素和大麻素受体（cannabinoid receptor）。目前人体中已知的大麻素受体属于G蛋白偶联受体（G protein coupled receptor, GPCR）,主要包含大麻素受体亚型I（cannabinoid receptor type 1, CB1）和大麻素受体亚型II（cannabinoid receptor type 2, CB2）,其中CB1主要分布在中枢神经系统,而CB2在外 周免疫系统中高量表达。它们介导的信号通路与多种疾病密切相关,是非常重要的药物靶标。大麻素主要包括植物性大麻 素（phytocannabinoids）、内源性大麻素（endocannabinoids）和合成型大麻素（synthetic cannabinoids）等三大类。文章回顾了大麻及大麻素的历史,总结了大麻素受体CB1和CB2的结构与功能研究进展,以及它们在学习与认知、情 绪、肥胖、疼痛及免疫等相关疾病治疗中的应用前景。     

张弦式网壳结构的设计与研究

张弦式网壳结构与其他空间结构形式相比有诸多优点,成为现代大跨度空间结构的发展方向。针对张弦式网壳结构的特点,讨论了预应力拉索在该结构中的作用,指出了在设计中应注意的问题,为类似工程的设计提供了参考。     

平面不规则结构抗震设计方法的探讨

在地震作用下,平面布置不规则的建筑结构的地震反应复杂,为保证结构安全,结构的动力反应不能超过一些限定值。文章在对平面不规则结构的类别和与抗震设计有关的概念的深入剖析的基础上,分析不规则结构在地震作用下的动力反应特点,总结出设计平面不规则结构的一些方法。并引入动力规则性的概念和判别标准。以对结构设计工作效率的提高提供参考。     

破解非晶结构之谜：连接非晶态和晶态的中程序结构单元

非晶态结构本质一直是凝聚态物理和材料科学中最有趣和最基本的问题之一。非晶合金因其简单的金属键结合及密堆积结构而成为研究非晶物理的理想材料模型。研究发现,非晶中存在着不同尺度的局域有序结构,其中5~20 埃米尺度范围对应中程序。近来研究揭示其在非晶合金的相变和形变过程中发挥了越来越关键的作用。现有的理论或者实验结果难以确定非晶态材料与其对应的晶态材料间是否存在中程或更大尺度范围的结构联系,同时现有的表征手段难以精确解析其短程到中 程尺度有序结构,导致中程序结构解析问题十分复杂。最近在经典大块非晶合金体系钯-镍-磷中通过对一种独特的亚稳立方 中间相进行解析,发现了一种桥接非晶态与晶态的手性中程序结构基元六元三帽三棱柱(6M-TTP)。该结构的短程序团簇以 一种奇特的手性结构构成约12.5埃米的中程序结构基元,其在铸态为长程无序堆积,而在一定温度可以转变成有序堆积的亚稳立方相。中程序结构的捕获和解析为揭示非晶态结构本质提供了新的结构模型,并且对非晶合金亚稳态中间相的析出动力学规律提出了新的解释。这些发现将有助于阐明非晶合金在中程序以及更大尺度上的结构排列,为解析非晶态的结构本质提供新的思路。     

破解非晶结构之谜：连接非晶态和晶态的中程序结构单元

非晶态结构本质一直是凝聚态物理和材料科学中最有趣和最基本的问题之一。非晶合金因其简单的金属键结合及密堆积结构而成为研究非晶物理的理想材料模型。研究发现，非晶中存在着不同尺度的局域有序结构，其中5~20 埃米尺度范围对应中程序。近来研究揭示其在非晶合金的相变和形变过程中发挥了越来越关键的作用。现有的理论或者实验结果难以确定非晶态材料与其对应的晶态材料间是否存在中程或更大尺度范围的结构联系，同时现有的表征手段难以精确解析其短程到中 程尺度有序结构，导致中程序结构解析问题十分复杂。最近在经典大块非晶合金体系钯-镍-磷中通过对一种独特的亚稳立方 中间相进行解析，发现了一种桥接非晶态与晶态的手性中程序结构基元六元三帽三棱柱(6M-TTP)。该结构的短程序团簇以 一种奇特的手性结构构成约12.5埃米的中程序结构基元，其在铸态为长程无序堆积，而在一定温度可以转变成有序堆积的亚稳立方相。中程序结构的捕获和解析为揭示非晶态结构本质提供了新的结构模型，并且对非晶合金亚稳态中间相的析出动力学规律提出了新的解释。这些发现将有助于阐明非晶合金在中程序以及更大尺度上的结构排列，为解析非晶态的结构本质提供新的思路。     

生态结构与结构生态学

本文提出了生态结构的概念。生态结构可以理解为生态单位（或生态实体）中构成要素的关系格局,可分为一级结构、二级结构和三级结构。文中还讨论了生态结构的动态特征、进化特征、耗散特征和多样性特征。在此基础上提出了结构生态学。结构生态学是以生态结构作为研究对象,其基本研究内容包括：生态结构的特征、生态结构与功能的关系、生态结构的动态与进化、生态结构的设计和保护。作者相信用“生态结构”这一概念来表述生态学研究中涉及的各种结构现象,并将此作为结构生态学的研究对象将会引起更多的注意,获得更多的成果,使学科间的综合有更坚实的基础。     

A review on promotingstructure research of polysaccharide from natural resources

Polysaccharides widely exist in plants,animals and microorganisms,and have important impacts on the diet and health of humans.However,the research on polysaccharide has progressed much slower than that of protein,due to the complexity of polysaccharide structures,limitations on structural theory,and poor understanding of the mechanism of the bioactivities.In order to promote related research fields,this review provided recommendations to solve the critical issues in the research of polysaccharide structure.The followings are recommended:correct understanding structure types of polysaccharide,improving the preparation efficiency of polysaccharide to ensure reproducibility, and improving characterization of fine structures utilizing "partial degradation-methylation-NMR".Importantly,the theories and research ideas for protein research should not be indiscriminately applied to polysaccharide research.Proper theories and research methods for polysaccharide should be established to promote the field.