大麻作為藥用植物被用于致幻、鎮(zhèn)痛的歷史可以追溯至幾千年之前的世界各大文明之中。大麻的藥用價值比較復(fù)雜，內(nèi)含包括四氫大麻酚（THC）、大麻二酚（CBD）等在內(nèi)的幾十種大麻素。植物來源大麻素和合成大麻素通過人體內(nèi)的內(nèi)源大麻系統(tǒng)（ECS）發(fā)揮多種生理功能。ECS包括兩種被稱為大麻素受體的G蛋白偶聯(lián)受體（GPCR），分別為CB1和CB2，通過G蛋白偶聯(lián)信號通路介導(dǎo)THC以及若干種內(nèi)源性大麻素類化合物發(fā)揮生理作用。其中，CB1主要分布在中樞神經(jīng)系統(tǒng)，CB2主要分布在外周免疫細(xì)胞中。相比較于靶向CB1受體的藥物出現(xiàn)的強(qiáng)烈神經(jīng)精神類副作用等問題，CB2集中分布在免疫系統(tǒng)中這一優(yōu)勢在靶向ECS藥物的開發(fā)上尤為顯著，使之成為時下熱門的研究靶點。選擇性靶向CB2的藥物研發(fā)也成為潛在的治療包括神經(jīng)退行性疾病、炎癥、疼痛等疾病在內(nèi)的重要手段，同時規(guī)避了CB1受體引起的精神類副作用。然而，CB2的激活機(jī)制一直處于未知狀態(tài)，嚴(yán)重阻礙了相關(guān)藥物的開發(fā)，目前臨床上尚無特異性激活CB2的藥物上市。

中國科學(xué)院上海藥物研究所徐華強(qiáng)課題組與美國匹茲堡大學(xué)Xiang-Qun Xie、Cheng Zhang團(tuán)隊合作，使用冷凍電鏡技術(shù)（Cryo-EM）解析了結(jié)合激動劑WIN 55,212-2的人源二型大麻素受體（Cannabinoid receptor subtype 2, CB2）與Gi蛋白復(fù)合物的三維結(jié)構(gòu)，揭示了激動劑WIN 55,212-2特異性激活CB2的機(jī)制，以及CB2與下游信號轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白Gi異源三聚體的相互作用方式。同時，研究團(tuán)隊開發(fā)了一個更為高效的算法，得出了結(jié)合口袋中的關(guān)鍵氨基酸殘基在配體結(jié)合中的能量貢獻(xiàn)分布，闡述了CB2區(qū)分拮抗劑和激動劑的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，并基于此結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計和合成了CB2反向激動劑Xie55和選擇性部分激動劑Xie57。以上成果為以CB2為藥物靶點的選擇性激動劑藥物的設(shè)計和開發(fā)提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)和理論依據(jù)。研究論文“Cryo-EM Structure of the Human Cannabinoid Receptor CB2-Gi Signaling Complex”于1月30日發(fā)表于國際期刊《細(xì)胞》（Cell）。

徐華強(qiáng)課題組長期以來致力于與重大疾病相關(guān)的GPCR結(jié)構(gòu)和功能研究。近年來，依托新興的冷凍電鏡技術(shù)，課題組與多單位科研團(tuán)隊合作解決了GPCR領(lǐng)域的諸多重大科學(xué)問題，包括首個Gi偶聯(lián)的GPCR-G蛋白信號復(fù)合物Rhodopsin-Gi（Yanyong. Kang, et al. 2018. Nature, 與μOR-Gi同期發(fā)表），首個非視覺阻遏蛋白（Arrestin2）與神經(jīng)降壓素受體（NTSR1）復(fù)合物（Wangchao. Yin, et al. 2019. Cell Research）以及1型人源甲狀旁腺激素受體（PTH1R）與Gs蛋白復(fù)合物(Lihua. Zhao, et al. 2019. Science)的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)解析，為相關(guān)疾病藥物的開發(fā)和GPCR偏好性配體的設(shè)計奠定了堅實基礎(chǔ)。為揭示CB2的激活機(jī)制，此次徐華強(qiáng)課題組與美國匹茲堡大學(xué)兩個課題組強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，克服了蛋白表達(dá)以及復(fù)合物穩(wěn)定性等諸多難題，共同攻克了重要藥靶CB2-Gi復(fù)合物的結(jié)構(gòu)解析以及闡釋CB2對配體選擇性的機(jī)制等諸多科學(xué)問題，是該課題組對靶向GPCR藥物設(shè)計領(lǐng)域的又一貢獻(xiàn)。

值得一提的是，1月30日同期Cell上，來自上?？萍即髮W(xué)劉志杰團(tuán)隊以“背靠背”形式發(fā)表了“Activation and Signaling Mechanism Revealed by Cannabinoid Receptor-Gi Complex Structures”研究論文，該研究通過冷凍電鏡和晶體學(xué)的方法解析了CB2-AM12033的晶體結(jié)構(gòu)，CB2-Gi-AM12033以及CB1-Gi-AM841的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，揭示了新合成的化合物AM12033激活CB2，以及AM841激活CB1的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。AM12033和AM841均屬于THC類似物，在分類上屬于經(jīng)典結(jié)構(gòu)的大麻素受體激動劑；WIN55212-2屬于Aminoalkylindole類大麻素受體激動劑。

美國匹茲堡大學(xué)Xiang-Qun Xie課題組Changrui Xing和Zhiwei Fen、上海藥物所徐華強(qiáng)課題組博士生莊友文、美國溫安洛研究所（Van Andel Institute）博士后徐廷海（藥物所2017屆博士畢業(yè)生）為論文的共同第一作者。參加這項研究的單位還有美國匹茲堡大學(xué)和美國溫安洛研究所。此項工作得到國家科學(xué)技術(shù)部、美國國立衛(wèi)生研究院和Van Andel基金會的經(jīng)費(fèi)支持。此外，在該項研究中，上海藥物所博士生莊友文得到中國科學(xué)院大學(xué)國際聯(lián)合培養(yǎng)項目的資金支持，在該項研究中攻克了蛋白樣品表達(dá)及優(yōu)化、復(fù)合物穩(wěn)定性等難題，與徐廷海一起完成了冷凍電鏡數(shù)據(jù)收集和相關(guān)結(jié)構(gòu)解析。

論文鏈接

　　WIN55212-2激活下人源2型大麻素受體CB2與Gi蛋白復(fù)合物的冷凍電鏡三維結(jié)構(gòu)。圖的左邊展示了結(jié)合口袋重要氨基酸的能量貢獻(xiàn)分布，基于結(jié)構(gòu)設(shè)計并合成的新的CB2選擇性配體XIE55和XIE57以及CB2受體ICL3與Gαi的相互作用界面。

來源： 上海藥物研究所