3月21日，美国《科学》杂志（Science）同期发表两篇在线文章，介绍了中科院上海药物研究所徐华强课题组、蒋华良课题组、美国Scripps研究所Ray Stevens课题组、北卡罗那大学（UNC -Chapel Hill）Bryan Roth课题组的联合研究成果。该项研究成功解析了五羟色胺受体1B及2B的两个亚型晶体结构，从而突破了长期以来五羟色胺受体家族结构与功能研究的困境。
五羟色胺（也叫血清素）是人体中最重要的一种神经递质与激素，在中枢神经系统中，五羟色胺控制着认知、学习、感情、情绪等脑神经活动；在外周神经系统中，五羟色胺控制着生殖、代谢、血管收缩、骨骼发育等生理功能。因此，五羟色胺系统一直是药物研究与开发的热点，作用于该系统的药物广泛用于抗精神分裂症、偏头痛、抗呕吐及肥胖症等疾病。但是，因为五羟色胺功能复杂，受体繁多[在人体中共有14种不同的五羟色胺受体，其中13种受体属于G蛋白偶联受体（GPCR）]，临床用的五羟色胺调节剂具有非特异性，常引起毒性副作用，从而导致临床用药的失败。五羟色胺受体与配体结合的分子机制是解决五羟色胺调节剂分子特异性的关键前提。但是由于五羟色胺GPCR受体是七次跨膜的膜蛋白，柔性较大，导致其蛋白质表达、提纯与结晶难度极高。五羟色胺受体结构的长期匮乏，已抑制对五羟色胺受体的生物学理解及其药物的研发。
徐华强课题组长期以来坚持GPCR受体结构与功能关系的研究，发展哺乳动物膜蛋白表达纯化系统，对五羟色胺受体进行系统性研究，并于2012年初联手GPCR结构学权威Ray Stevens，共同带领上海药物所博士工作人员蒋轶、美国Van Andel研究所博士后马金鸣、Scripps研究所博士生王翀及Daniel Wacker，同时攻克了五羟色胺受体1B及2B的两个亚型的激动剂复合物的晶体结构。
在此基础上，他们与上海药物所蒋华良课题组合作，利用计算生物学手段，对五羟色胺受体系统的配体识别机制进行系统的研究归纳，深入阐述了五羟色胺受体-配体结合的分子机制。同时，现有的大部分GPCR结构都是抑制剂结构，与此相反，两个五羟色胺受体结构都是激动剂复合体结构。在结构测定的基础上，他们又与美国北卡罗那大学（UNC - Chapel Hill）Bryan Roth合作，利用点突变及下游信号传导的分析，详细地揭示了五羟色胺受体亚型的信号传导特异性。这两项研究成果代表着五羟色胺研究领域的关键里程碑，因此，Science将这两项成果作为两篇论文同期发表。这些研究成果将会对五羟色胺系统的生物学发展及药物研究具有深刻的影响，特别是对如何增强五羟色胺配体的特异性，降低其副作用有重要意义。五羟色胺1B和2B的结构将对精神分裂症、偏头痛、肥胖症、心脏病等重要疾病的药物研发具有重要的指导价值。
同时，五羟色胺受体1B及2B亚型的结构解析将对我国的医药产业发展具有重要的实际意义。GPCR是药物研发最重要、最成功的靶点，当前约50%的上市药物作用于GPCR，但是在800多个成员里仅有约30个GPCR是已知药物的靶点（约4%的GPCR），其余96%的GPCR仍待药物研发。因此，GPCR的药物研发前景广阔。GPCR结构与功能研究一直是生物学与药物研发的研究热点，2012年诺贝尔化学奖也授予两位研究GPCR的科学家。由于广阔的药物研发前景，GPCR结构与功能研究已成国际各大制药公司激烈竞争的领域。
针对基于GPCR药物研发机遇与挑战，中国科学院上海药物研究所专门成立了受体结构与功能研究中心，2012年底拟升级为中国科学院受体结构与功能重点实验室，重点研究GPCR的结构与功能，为我国药物研发的源头创新提供新结构、新功能、新机制及新靶点。近两年来，实验室建设、人才引进和科研等方面均取得重要进展，通过国家“千人计划”引进徐华强作为实验室主任，还引进了国际著名GPCR结构生物学家Ray Stevens教授(获得国家首批外专“千人计划”资助)，还通过中科院“百人计划”引进两位年轻的GPCR结构生物学家吴蓓丽和赵强。这些人才的引进，填补了药物研究所受体结构生物学研究的空白，他们迅速与药物所原有的药物化学家、药理学家建立良好的合作关系，在GPCR结构测定、功能研究和药物研究等方面取得重要进展。这些成果将会对我国靶向GPCR的药物研发产生重要影响。
该研究项目得到了科技部、基金委、新药重大专项、中科院、美国Van Andel研究所及中国安利的资助。徐华强研究员和Ray Stevens研究员分别是中科院上海药物所的“千人计划”与外专“千人计划”专家。两篇文章的第一作者分别是王翀、蒋轶、马金鸣及Daniel Wacker。其中来自于上海药物所的蒋轶自2010年致力于五羟色胺受体1B的研究工作，发展了GPCR受体的表达、提纯及结晶方法。（生物谷Bioon.com）
doi:10.1126/science.1232807
PMC:
PMID:
Structural Basis for Molecular Recognition at Serotonin Receptors
Chong Wang1,*, Yi Jiang1,2,*, Jinming Ma1,3,*, Huixian Wu1, Daniel Wacker1, Vsevolod Katritch1, Gye Won Han1, Wei Liu1, Xi-Ping Huang4, Eyal Vardy4, John D. McCorvy4, Xiang Gao3, Edward X. Zhou3, Karsten Melcher3, Chenghai Zhang2,3, Fang Bai5, Huaiyu Yang6, Linlin Yang6, Hualiang Jiang6, Bryan L. Roth4, Vadim Cherezov1, Raymond C. Stevens1,†, H. Eric Xu2,3,†
Serotonin or 5-hydroxytryptamine (5-HT) regulates a wide spectrum of human physiology through the 5-HT receptor family. We report the crystal structures of the human 5-HT1B G protein–coupled receptor bound to the agonist antimigraine medications ergotamine and dihydroergotamine. The structures reveal similar binding modes for these ligands, which occupy the orthosteric pocket and an extended binding pocket close to the extracellular loops. The orthosteric pocket is formed by residues conserved in the 5-HT receptor family, clarifying the family-wide agonist activity of 5-HT. Compared with the accompanying structure of the 5-HT2B receptor, the 5-HT1B receptor displays a 3-angstrom outward shift at the extracellular end of helix V, resulting in a more open extended pocket that explains subtype selectivity. Together with docking and mutagenesis studies, these structures provide a comprehensive structural basis for understanding receptor-ligand interactions and designing subtype-selective serotonergic drugs.
doi:10.1126/science.1232808
PMC:
PMID:
Structural Features for Functional Selectivity at Serotonin Receptors
Daniel Wacker1, Chong Wang1, Vsevolod Katritch1, Gye Won Han1, Xi-Ping Huang2, Eyal Vardy2, John D. McCorvy2, Yi Jiang1,3, Meihua Chu1, Fai Yiu Siu1, Wei Liu1, H. Eric Xu3,4, Vadim Cherezov1, Bryan L. Roth2,*, Raymond C. Stevens1,*
Drugs active at G protein–coupled receptors (GPCRs) can differentially modulate either canonical or noncanonical signaling pathways via a phenomenon known as functional selectivity or biased signaling. We report biochemical studies that show that the hallucinogen lysergic acid diethylamide (LSD), its precursor ergotamine (ERG), and related ergolines display strong functional selectivity for β-arrestin signaling at the 5-hydroxytryptamine (5-HT) receptor 5-HT2B, while being relatively unbiased at the 5-HT1B receptor. To investigate the structural basis for biased signaling, we determined the crystal structure of the human 5-HT2B receptor bound to ERG, and compared it with the 5-HT1B/ERG structure. Given the relatively poor understanding of GPCR structure-function to date, insight into different GPCR signaling pathways is important to better understand both adverse and favorable therapeutic activities.
