精神神經疾病的研究取得進展

　　當前，全世界約有7000萬至1億人患有早期阿爾茨海默病，10億人正遭受精神障礙困擾。精神神經系統疾病的新藥創制迫在眉睫。

　　6月16日，《自然》在線發表了兩項“背靠背”研究成果。一篇題為《代謝型谷氨酸受體mGlu2和mGlu4與G蛋白復合物結構》，另一篇題為《人源mGlu2和mGlu7同源和異源二聚體結構》。上述研究首次對代謝型谷氨酸受體（mGlu）從非活化到完全活化狀態精細構象變化過程進行了全面闡釋，并揭示了其同源和異源二聚體復雜的信號轉導模式，為深入認識該類受體在中樞神經系統中的功能調控機理提供了重要依據，對全面認識C類G蛋白偶聯受體（GPCR）的信號轉導機制具有重大意義。

　　上述兩項研究成果由中科院上海藥物研究所研究員吳蓓麗研究組、趙強研究組、王明偉研究組、柳紅研究組，中科院生物物理研究所研究員孫飛研究組以及華中科技大學教授劉劍峰研究組合作完成。

　　新的治療靶點

　　《科學美國人》曾刊文稱，阿爾茨海默病的藥物研發失敗率高達99.6%。

　　mGlu屬于C類GPCR家族，是人體內最重要的神經遞質受體之一。目前人體共發現了8種mGlu（mGlu1-8），其功能涉及學習、記憶、情緒以及疼痛感知等，是阿爾茨海默病和精神分裂癥等疾病的治療靶點。

　　然而，迄今尚無靶向這類受體的藥物成功上市。C類GPCR結構與功能研究對精神神經系統疾病的新藥創制具有重要意義。

　　“與其它類型GPCR不同，mGlu等C類GPCR具有獨特的激活機制，受體必須形成同源或異源二聚體才能行使功能。”吳蓓麗在接受《中國科學報》采訪時表示。

　　但是，長期以來不同類型二聚化對于受體活性的調控機制和該類受體如何激活G蛋白等細胞內效應蛋白一直不清楚。

　　為了輔助精神神經系統疾病的藥物研發，探明mGlu2與潛在藥物分子相互作用的機制，2015年，吳蓓麗團隊開始瞄準mGlu進行研究。

　　隨著研究團隊的壯大和研究經驗的積累，吳蓓麗團隊逐漸深化研究內容，由最初的輔助藥物開發，轉變為同時系統地解決亟待回答的科學問題。

　　“GPCR結構研究本身就具有一定難度，由于C類GPCR的構象更為復雜性，因此對它進行結構和功能研究更加困難。”吳蓓麗說。

　　解析三維結構

　　以往研究表明，C類GPCR二聚體通過調節兩個亞基間的相對構象調控受體的功能。在此次研究中，研究團隊通過解析不同mGlu的結構，發現不同受體以不同方式形成同源二聚體將各自構象穩定在非活化狀態。

　　研究顯示，與之前測定的mGlu5結構類似，mGlu7的非激活態結構呈現出一個完全開放的構象，兩個亞基的跨膜結構域之間距離較遠，沒有直接接觸。

　　不同的是， mGlu2二聚體中的兩個跨膜結構域彼此靠近，通過各自的第四跨膜螺旋形成緊密的相互作用。

　　對此，研究人員利用氨基酸突變和細胞信號轉導實驗，進一步證實mGlu2中的這一二聚體界面是該受體亞型特有的，在穩定受體的非活性狀態中發揮著重要作用。“這一發現展示了該類受體功能調控模式的多樣性。”吳蓓麗說。

　　“我們希望全面解析不同活性狀態下的mGlu，尤其是激活態。”為此，吳蓓麗團隊又針對mGlu2與激動劑結合的復合物開展研究。

　　基于mGlu2分別處于非激活態、激活中間態和完全激活態的結構，研究團隊首次完整闡釋了mGlu在整個活化過程中的精細構象變化，為深入理解C類GPCR的激活機制提供了關鍵信息。

　　此外，研究團隊還解析了mGlu2跨膜結構域分別與兩種負性變構調節劑結合的復合物結構，并開展了系統的功能研究。

　　團隊“背靠背”作戰

　　實際上，國內外對C類GPCR的研究已有一段時間，在吳蓓麗看來，此次之所以能揭示C類GPCR二聚化及功能調控機制，一方面得益于冷凍電鏡技術的發展，另一方面在于“背靠背”作戰的大團隊。

　　雖然有了冷凍電鏡技術的加持，但研究仍很困難。“我們從現有的8種mGlu中篩選出了mGlu2，但當時的冷凍電鏡技術并不太適合解析mGlu2的結構，所以我們采用了X射線晶體衍射法測定蛋白質的方法，但這需要獲得非常穩定的蛋白樣品。”吳蓓麗說。

　　由于缺乏經驗，研究團隊最初是摸著石頭過河。經過兩年多的摸索，他們終于獲得了高質量的蛋白樣品。

　　然而挑戰才剛剛開始。“雖然獲得不錯的蛋白樣品后，可以開始嘗試使用冷凍電鏡技術，但由于經驗不足，加上mGlu2具有較強的構象靈活性，整個工作充滿了挑戰。”吳蓓麗告訴《中國科學報》。

　　隨著研究的進一步深入，就在大家認為已經取得了非常好的蛋白樣品時，研究團隊又陷入了數據收集的困境。“由于C類GPCR具有很強的構象靈活性，很難收集到高分辨率的數據，需要通過收集海量的數據，才能選出最優數據。”吳蓓麗說。

　　課題組除了教師外，還有多位博士生將主要精力放在了這項研究上，看到多年努力始終沒有取得重大突破，面對畢業等各方面的壓力，學生們也一度感到苦惱。

　　為此，課題組教師鼓勵學生成立互幫互助小團隊，彼此鼓勵，互相學習。最終又經過一年多的探索，解析了6個電鏡結構，“每一個結構后面都有海量數據，少則需要3~4天的收集時間，多則需要7~8天的收集時間。”吳蓓麗說，為了爭分奪秒地整理數據，這些學生在實驗室度過了大年三十。

　　在吳蓓麗看來，這些問題的突破也得益于大團隊的研究成果，“很多科學問題是觸類旁通的，隨著整個平臺成果的積累，很多難題也就迎刃而解了。”

　　“mGlu還有很多科學問題待解，未來我們希望在回答科學問題的同時，輔助藥物研發，這是我們最主要的方向之一。”吳蓓麗表示。