【医药】港中大（深圳）杜洋团队在Science等发表多篇创新药物发现成果

导读

港中大（深圳）医学院杜洋教授团队近期在Science、Nature Commun.等合作发表多项高水平的创新药物发现成果。过去三年来杜教授团队依托科比尔卡创新药物开发研究院/冷冻电镜等平台，已经以通讯作者在Cell、Science、Cell Research、Nature Commun.、Science Advances等发表多项生物医药的前沿工作，也体现了香港中文大学（深圳）在粤港澳大湾区乃至国内生物医药大健康领域发展的积极势头和竞争力。

一、靶向肾上腺素能受体的无成瘾镇痛药物开发

疼痛及阿片类药物滥用的大流行凸显了对新的非阿片类药物治疗疼痛的需求。许多非阿片类受体参与疼痛处理（伤害感知），但其中只有少数是已经在治疗上得到证实的镇痛靶标。α2A-肾上腺素能受体（α2AAR）是一种A类G蛋白偶联受体（G-protein coupled receptor, GPCR），其在中枢神经系统中的激活具有缓解疼痛的效果。已知的作用于α2AAR的药物，例如咪唑类药物clonidine (可乐定)和dexmedetomidine (右美托咪啶) ，具有镇痛作用。不幸的是，它们还具有很强的镇静作用；这种镇静作用对这些药物的主要适应症很重要， 但却限制了它们在医院中的作为镇痛药的广泛使用。由于α2AAR能够结合下游多种信号蛋白 （如G 蛋白， 抑制蛋白arrestin 等）， 从而产生不同的生理效应 （如镇痛、镇静作用）， 因此开发一种结构不同于可乐定、右美托咪啶等传统咪唑类药物， 并能选择性 （偏向性） 激活下游特定信号通路的新型激动剂， 可能会消除或降低其镇静作用，从而作为非阿片类镇痛药而得到应用。

香港中文大学（深圳）医学院/科比尔卡创新药物开发研究院杜洋教授，联合埃尔朗根-纽伦堡大学Peter Gmeiner教授和美国加州大学旧金山分校Brian Shoichet教授团队等，共同通讯在国际一流科学期刊Science杂志（IF=63.71）发表了最新的研究成果：“Structure-based discovery of nonopioid analgesics acting through the α2A-adrenergic receptor”。斯坦福大学医学院博士后/原科比尔卡研究院研究助理徐俊、加州大学旧金山分校博士生Elissa Fink、联合埃尔朗根-纽伦堡大学博士Harald Hubner等并列第一作者。

该研究通过分子对接从3.01亿个虚拟分子中筛选出了17个α2AAR的配体，其亲和力低至12nM，其中许多配体为部分激动剂并且偏向Gi和Go信号通路。研究者通过单分子冷冻电镜技术解析了其中两种配体-α2AAR复合物结构，证实了分子对接的预测，并以此为模板进一步优化了配体结构。’9087（最初筛选出的激动剂，中值有效浓度（EC50）52nM）和它的两个类似物，'7075和PS75（EC50分别为4.1和4.8nM），在数个体内疼痛模型中表现出镇痛效应，同时没有镇静的作用和脱靶效应。这些新发现的激动剂展现出丰富的成药潜力，并展现出没有药物依赖（相较于阿片类药物）和镇静作用（相较于咪唑类药物右美托咪啶等）的优势。

该工作主要揭示了三个重要发现。

首先，有效的激动剂能从大数据库中直接筛选出，并可以和已知的激动剂无关。分子对接能鉴别具有体外活性的分子，通过结构活性优化使其有体内活性。虽然直接能发现有效激动剂的情况很少见，但该实验中对接实验直接命中有效配体确实表明大虚拟筛选库的优势，尤其是与已知配体不同的化学型的药效。

其次，虽然’9087和其类似物’7075、PS75偏向Gi/o/z途径并没有β阻遏蛋白路径活性，但是设计时并未以功能选择性为设计标准，这可能是因为它们新的化学型。虽然在其他研究中经常出现类似情况，未表征的化学型会引起新的信号传导途径这一逻辑仍需更多研究。

第三，’9087和其类似物’7075、PS75不会在镇痛剂量下引起镇静或运动障碍，这有着广泛的应用前景，并且证明α2AAR激动剂能根据两种效果被区分。

该研究从超大数据库中对接筛选出了低EC50 α2AAR的部分激动剂，且与已知的配体无关，让之前未发现的配体受体相互作用赋予了新药理。一些先前未经表征的激动剂在神经性和炎症性疼痛模型中起到扛异常疼痛和镇痛作用，并且能在正常动物中缓解急性伤害感受。最有前途的是’9087和PS75，它们都有强烈的镇痛作用，没有右美托咪定的镇静副作用，并且是可口服。虽然其对于心血管的副作用未作充分研究，这些药物前体为新型非阿片类疼痛疗法带来新的曙光。

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn7065?cookieSet=1

二、揭示大脑孤儿受体GPR88激活和别构调节机制

G蛋白偶联受体（G-protein coupled receptor, GPCR）是人类基因组中最大的膜信号蛋白家族，包含800多个成员。然而其中大约140个受体的内源性配体仍然未被确定。这些孤儿受体（orphan GPCR, oGPCR）的配体结合和信号传导机理尚不明确，例如自激活机制。因此，为oGPCR“脱孤”以及解析它们的结构能够帮助研究者进一步了解GPCR的分子机理，为相关疾病的药物开发带来新的思路。GPR88隶属于A类GPCR，在大脑（特别是纹状体）中特异性表达。该受体能够调节GABA和谷氨酸信号通路，以及包括多巴胺受体和阿片类受体等一些其他的GPCR活性。转录分析和小鼠敲除研究表明，GPR88在调节大脑和行为功能（例如认知，情绪，基于奖励的学习和运动控制）中起着重要作用。因此，GPR88是治疗中枢神经系统相关疾病（包括精神分裂症，帕金森氏病，躁郁症，焦虑，抑郁症和成瘾）的潜在药物靶标。

近日，香港中文大学（深圳）医学院、科比尔卡创新药物开发研究院杜洋教授、柳正教授联合埃尔朗根-纽伦堡大学Peter Gmeiner教授和日本东北大学Asuka Inoue教授团队，在国际一流科学期刊Nature Communication杂志（IF=17.69）发表了最新的研究成果：“Activation and allosteric regulation of the orphan GPR88-Gi1 signaling complex”。香港中文大学（深圳）为第一作者单位，杜洋教授为该研究最后通讯作者。陈耕博士、徐俊博士、Maximilian Schmidt和Asuka Inoue并列第一作者。

该研究基于冷冻电镜技术（cryo-EM）解析了人类GPR88-Gi1和合成激动剂（1R，2R）-2-PCCA信号复合物的结构，表明了（1R，2R）-2-PCCA结合在由跨膜螺旋5、6的细胞质末端和Gi1的α5螺旋C末端组成的变构位点，展示了正构结合位点的电子密度代表未知的内源性配体。MD和突变研究揭示了一组独特的结构特征和水介导的极性网络的GPR88的独特激活机制，为理解GPR88的配体结合、激活和信号传导机制提供了一个结构框架，并将促进神经精神疾病的创新药物发现以及该受体的“脱孤”。

GPR88-Gi1冷冻电镜结构

该研究展示了结合或不结合合成激动剂（2-PCCA）的GPR88-Gi1信号传导复合物结构。这些结构在GPR88的规范正构袋中揭示了相似的电子密度，该密度可能代表受体的假定内源配体。2-PCCA是一种变构激动剂，与变构位点结合，直接涉及与G蛋白的相互作用，进一步稳定了信号传导复合物，从而促进了GPCR88的高活性。Apo-GPR88-Gi和2-PCCA-GPR88-Gi的高分辨率结构对比表明，正构袋中的假定内源配体可以与GPR88共纯化。此外，未确定的密度和正位口袋的特性表明GPR88可能是响应某些生物活性脂质的受体。令人感兴趣的是，与其内源性激动剂S1P结合的鞘氨醇1-磷酸（S1P）受体的最新结构显示出与GPR88相似的正位结合口袋，口袋中形成了用于结合S1P的穿透性长隧道。因此研究者推测，GPR88的内源性激动剂可能是一种与S1P相似的脂质分子，并且该脂质配体可能能够与GPR88的变构位点结合以调节信号传导。但是，我们不能排除脂质分子具有分支结构和未确定的电子密度由灵活区形成的可能性。

总而言之，该研究提供了理解孤儿受体GPR88的配体结合，激活和信号转导的结构基础。这些发现将促进GPR88的“脱孤”。基于结构的激动剂、拮抗剂设计可能会为中枢神经系统疾病提供有价值的候选药物。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-30081-5

三、揭示人体甲酰肽受体激活机制、助力新型抗菌抗感染药物发现

香港中文大学（深圳）医学院、科比尔卡创新药物开发研究院叶德全教授，联合杜洋教授和胡红丽教授在国际一流科技期刊Nature Communication杂志（IF=17.69）发表了最新的研究成果：“Structural basis for recognition of N-formyl peptides as pathogen-associated molecular patterns”。叶德全教授，杜洋教授和胡红丽教授为共同通讯作者。杜洋教授团队陈耕博士为论文第一作者，王先坤、廖绮文、葛运军为论文共同第一作者。该研究通过冷冻电镜技术，分别解析了甲酰肽受体FPR1结合大肠杆菌甲酰三肽fMLF和金黄色葡萄球菌甲酰四肽fMIFL的结构，揭示了FPR1对N端甲酰基的具体识别机制，为今后以FPR1为靶点研发疗效好副作用小的新型抗菌抗感染药物提供结构基础。

甲酰肽受体FPR属于Gi蛋白偶联的A类GPCR，是一种重要的模式识别受体，与固有免疫系统中机体的防御密切相关。FPRs由三个成员组成，包括FPR1、FPR2和FPR3，主要通过偶联G蛋白家族中的Gi/o异源三聚体介导信号传递。这些受体主要分布于中性粒细胞、嗜酸性粒细胞、巨噬细胞和树突状细胞等免疫细胞中，被甲酰肽激活后，一方面诱导中性粒细胞、肥大细胞等激活，释放炎症细胞因子，促使炎症发生，同时，作为趋化物招募巨噬细胞等快速富集，引起活性氧的产生消灭病原微生物，并对病原体以及受损组织进行吞噬清除，在免疫防御和调节过程起重要作用。原核生物如细菌的蛋白质合成起始于被甲酰化的甲硫氨酸，这一特征是哺乳动物免疫细胞识别病原细菌的一个重要标志，免疫细胞利用专门识别甲酰肽的受体FPR，发现追踪入侵机体的细菌并将其杀灭。

本工作依托大学的冷冻电镜平台，解析了FPR1与高亲和力配体fMLF和fMIFL及 Gi 蛋白的复合体结构，并根据结构确认了对甲酰肽识别和受体激活至关重要的独特 R201XXR205 (RXXR) 序列。R201和 R205与 D106在甲酰基和 fMet 侧链的识别中发挥关键作用，并能够稳定FPR1 的配体结合口袋。同时，该工作还在受体内部发现了促进甲酰肽结合的多个氢键作用力和疏水簇提供的疏水力，充分全面的阐述了FPR1识别和结合配体的分子机制。同时，这些结构特点也得到了分子动力学模拟实验的证明，进一步说明了结构的合理性和可信度。

综上所述，我们利用单颗粒冷冻电镜技术解析甲酰肽受体FPR1与Gi蛋白的高分辨率复合物结构，从而在原子层面上详细阐释了FPR1的配体识别及与G蛋白偶联的机制。该项研究将促进基于FPR1结构的药物研究，为新型抗菌抗感染药物的研发提供结构基础。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-32822-y

四、揭示人体孤儿受体GPR17调控机制，助力神经精神疾病药物发现（封面文章）

多发性硬化症、脑外伤、中风和阿尔茨海默症与中枢神经系统的髓鞘损伤密切相关。研究表明，GPR17可以调控少突胶质前体细胞分化成有髓鞘的成熟少突胶质细胞，恢复髓鞘的功能。因此，GPR17可能是治疗多发性硬化症等神经退行性疾病的潜在靶点。GPR17属于A类G蛋白偶联受体（G-protein coupled receptor, GPCR），主要在少突胶质细胞中表达。GPR17激活后，通过与下游的Gi蛋白结合，抑制cAMP的产生，调控神经元的代谢信号及生理功能。前期研究表明，GPR17有较高的“自激活”活性，但对这种“自激活”的原因和结构基础尚不清楚，限制了靶向GPR17小分子药物的开发。

2022年9月10日，香港中文大学（深圳）医学院杜洋教授团队在本土快速发展的主流期刊MedComm在线发表了最新的研究成果“Cryo-EM structure of G-protein-coupled receptor GPR17 in complex with inhibitory G protein”，并被选为封面文章重点报道。香港中文大学（深圳）杜洋教授为本文通讯作者，叶芳博士后，黄天仕研究员和陈耕副研究员为论文共同第一作者。香港中文大学（深圳）作为第一单位。

本研究首次解析了GPR17-Gi复合物的冷冻电镜结构，揭示了GPR17的ECL2占据配体结合口袋，调控受体“自激活”的机制，为靶向GPR1的神经系统退行性疾病药物开发提供了重要的结构基础。

为解析GPR17的结构，杜洋课题组在昆虫细胞SF9细胞共表达GPR17和Gi蛋白三聚体的复合物样品，在未加入小分子配体情况下，通过冷冻电镜技术，解析了分辨率为3.02 Å GPR17-Gi复合物结构。通过结构分析，GPR17的ECL2巧妙的插入受体的正位结合口袋，与TM7(跨膜螺旋7),TM3(跨膜螺旋3)的氨基酸相互作用，激活GPR17。研究人员进一步通过cAMP实验验证了ECL2上的关键氨基酸对受体的激活作用。通过对ECL2占据GPR17正位结合口袋分析，GPR17的内源性配体可能是亲水性分子，GPR17未来的“去孤儿化”研究可以考虑集中筛选中枢神经系统中的亲水分子。

图二 GPR17冷冻电镜结构及ECL2上的关键氨基酸与跨膜螺旋相互作用机制

本研究揭示了GPR17与下游信号分子Gi蛋白的相互作用机制。GPR17的TM3，Helix8和ICL3上的关键氨基酸参与了Gi相互作用界面，稳定受体的激活构象。这也为解释GPR17与G蛋白结合，调控下游cAMP活性等信号通路提供了结构基础。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/mco2.159

杜洋教授简介

杜洋，国家级高层次人才，校长学者，深圳市优秀教师。香港中文大学（深圳）医学院/科比尔卡创新药物开发研究院研究员。获得中国科学技术大学博士学位后，赴美国斯坦福大学医学院师从2012年诺贝尔化学奖得主Brian Kobilka教授从事博士后和研究科学家研究工作多年，获得美国心脏协会全额奖学金和密歇根大学安娜堡医学院助理教授职位。研究领域为G蛋白偶联受体、冷冻电镜和基于结构的药物设计等。杜教授已入选国家省市区等各级高层次人才计划，并承担各级多项科研项目开展前沿研究。

来源：香港中文大学深圳