杜洋教授團(tuán)隊(duì)在Nature和Science子刊分別發(fā)表最新研究成果
原標(biāo)題：杜洋教授團(tuán)隊(duì)在Nature和Science子刊分別發(fā)表人體生物鐘調(diào)控和腎上腺素靶點(diǎn)的最新研究成果
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近日，香港中文大學(xué)（深圳）生命與健康科學(xué)學(xué)院、醫(yī)學(xué)院、科比爾卡創(chuàng)新藥物開(kāi)發(fā)研究院杜洋教授團(tuán)隊(duì)在國(guó)際一流科技期刊Nature Communication和Science Advances雜志上分別發(fā)表了最新研究成果。其中，杜洋教授團(tuán)隊(duì)在Nature Communications雜志揭示人體生物鐘調(diào)控褪黑素受體的信號(hào)傳導(dǎo)機(jī)制，在Science子刊Science Advances揭示了人體腎上腺素受體藥物作用的分子機(jī)制，其科研成果將為相關(guān)疾病的治療與藥物開(kāi)發(fā)帶來(lái)曙光。
以下為杜洋教授團(tuán)隊(duì)在Nature和Science子刊分別發(fā)表的兩個(gè)具體研究成果：
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? ? ? ? 杜洋教授團(tuán)隊(duì)在Science子刊Science Advances揭示人體腎上腺素受體藥物作用的分子機(jī)制
香港中文大學(xué)（深圳）生命與健康科學(xué)學(xué)院、醫(yī)學(xué)院、科比爾卡創(chuàng)新藥物開(kāi)發(fā)研究院杜洋教授，柳正教授聯(lián)合德國(guó)埃朗根-紐倫堡大學(xué)國(guó)際著名藥理學(xué)家Peter Gmeiner教授研究團(tuán)隊(duì)以及前清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院袁道鵬博士，在國(guó)際一流科技期刊Science Advances雜志（IF=14.136）發(fā)表了最新的研究成果：“Structural insights into ligand recognition, activation, and signaling of the α2A adrenergic receptor”。香港中文大學(xué)（深圳）杜洋教授、柳正教授及紐倫堡大學(xué)Peter Gmeiner教授為本文共同通訊作者。香港中文大學(xué)（深圳）生命與健康科學(xué)學(xué)院、科比爾卡創(chuàng)新藥物開(kāi)發(fā)研究院研究助理徐?。ìF(xiàn)美國(guó)斯坦福大學(xué)Brian Kobilka教授實(shí)驗(yàn)室博士后）和研究助理曹昇為論文共同第一作者，香港中文大學(xué)（深圳）為第一單位。該研究采用冷凍電鏡技術(shù)首次解析了α2A-GoA復(fù)合體分別結(jié)合咪唑啉類(lèi)(imidazoline derivatives)激動(dòng)劑（溴莫尼定Brimonidine、右美托咪啶Dexmedetomidine和羥間唑啉Oxymetazoline），以及結(jié)合內(nèi)源性荷爾蒙去甲腎上腺素（norepinephrine）的三維結(jié)構(gòu)。
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人體超級(jí)能量激素-腎上腺素生理功能
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腎上腺素能受體（Adrenergic receptor）是一種受內(nèi)源性?xún)翰璺影罚I上腺素，去甲腎上腺素）激活，介導(dǎo)生理活動(dòng)的G蛋白偶聯(lián)受體（G-protein coupled receptor, GPCR）【1，2】。在哺乳動(dòng)物中，腎上腺素能受體共有9個(gè)成員，分為三類(lèi)：α1（α1A, α1B和α1D）類(lèi)受體，α2（α2A, α2B和α2C）類(lèi)受體，和β（β1，β2，β3）類(lèi)受體【2，3】，其中α2類(lèi)受體能夠調(diào)節(jié)一系列生理功能，包括心率、血壓、血糖調(diào)節(jié)、胰島素穩(wěn)態(tài)和鎮(zhèn)痛作用，同時(shí)介導(dǎo)去甲腎上腺素能神經(jīng)末端突觸前膜神經(jīng)遞質(zhì)釋放的反饋抑制【4-6】。α2類(lèi)受體主要與Gi/o偶聯(lián)抑制環(huán)磷酸腺苷(CAMP)的產(chǎn)生【4，7】，也有證據(jù)表明其能和Gs偶聯(lián)【7-10】，同時(shí)該類(lèi)受體也可通過(guò)激動(dòng)劑相關(guān)的GRK（G 蛋白偶聯(lián)受體激酶）磷酸化作用和β抑制蛋白偶聯(lián)，實(shí)現(xiàn)受體內(nèi)化和獨(dú)立于G蛋白的信號(hào)傳導(dǎo)【11-13】。過(guò)去的幾十年里，科學(xué)家開(kāi)發(fā)了很多α2類(lèi)受體的激動(dòng)劑，其中部分被用于麻醉、痛覺(jué)管理和高血壓治療【14，15】。但是相比于藥物作用的分子基礎(chǔ)被充分研究的β類(lèi)受體【16-21】，α2類(lèi)受體藥物作用和激活機(jī)理的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)尚不明確。α2類(lèi)受體和不同激動(dòng)劑結(jié)合的結(jié)構(gòu)研究將為G蛋白偶聯(lián)的特異性提供新視角，為新激動(dòng)劑開(kāi)發(fā)提供理論依據(jù)。
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alpha2AR腎上腺素受體與不同藥物結(jié)合的高分辨率結(jié)構(gòu)
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本研究對(duì)腎上腺素能受體的配體識(shí)別、激活機(jī)理以及信號(hào)傳導(dǎo)選擇等都具有廣泛的影響，列舉如下：（1）揭示了α2AAR的正位結(jié)合口袋（orthosteric binding pocket，OBP）識(shí)別內(nèi)源性荷爾蒙去甲腎上腺素及咪唑啉類(lèi)激動(dòng)劑的機(jī)制；（2）揭示了內(nèi)源性荷爾蒙去甲腎上腺素對(duì)于α2類(lèi)受體親和力高于β類(lèi)受體的機(jī)理；（3）發(fā)現(xiàn)了在受體激活過(guò)程中重要的芳香性開(kāi)關(guān)；（4）發(fā)現(xiàn)了和β類(lèi)受體不同的、與激活相關(guān)的結(jié)構(gòu)變化，但共有正構(gòu)口袋和G蛋白偶聯(lián)區(qū)的變構(gòu)機(jī)理；（5）提出了α2AAR對(duì)G蛋白、β抑制蛋白偶聯(lián)和選擇性的關(guān)鍵區(qū)域和殘基。值得一提的是，研究中使用的咪唑啉類(lèi)激動(dòng)劑，溴莫尼定、右美托咪啶和羥間唑啉均為上市藥物，分別用于治療開(kāi)角型青光眼及高眼壓、鎮(zhèn)靜止痛和減輕炎癥所致的充血和水腫。其中羥間唑啉在對(duì)α2AAR殘基Y4096.55的突變實(shí)驗(yàn)中，有別于其他兩個(gè)激動(dòng)劑及去甲腎上腺素對(duì)于G蛋白、β抑制蛋白招募效能的降低，尤其展現(xiàn)出了更高的β抑制蛋白招募效能，表明該殘基在偏向信號(hào)傳導(dǎo)（biased signaling）中扮演復(fù)雜和重要的角色。無(wú)獨(dú)有偶，最近對(duì)于β2AR 6.55位置的結(jié)構(gòu)功能研究和計(jì)算研究也表明該位置的殘基在調(diào)控偏向中的重要地位【20，22】。該發(fā)現(xiàn)為偏向藥物（biased drug）的分子機(jī)理研究和藥物開(kāi)發(fā)提供了新的切入點(diǎn)。
綜上所述，該團(tuán)隊(duì)利用單顆粒冷凍電鏡技術(shù)解析了腎上腺素能受體α2AAR與G蛋白的復(fù)合物結(jié)構(gòu)，從而在原子層面上詳細(xì)闡釋了α2AAR的配體識(shí)別、別構(gòu)調(diào)節(jié)及與G蛋白偶聯(lián)的機(jī)制，該項(xiàng)研究將促進(jìn)基于α2AAR結(jié)構(gòu)的藥物研究，為鎮(zhèn)痛藥物開(kāi)發(fā)和高血壓治療帶來(lái)新的曙光。
? ? ? ? 原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abj5347
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? ? ? ? 杜洋教授團(tuán)隊(duì)在Nature Communications揭示人體生物鐘調(diào)控褪黑素受體的信號(hào)傳導(dǎo)機(jī)制
香港中文大學(xué)（深圳）生命與健康科學(xué)學(xué)院、醫(yī)學(xué)院、科比爾卡創(chuàng)新藥物開(kāi)發(fā)研究院杜洋教授，柳正教授聯(lián)合中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)陶余勇教授研究團(tuán)隊(duì)，在國(guó)際一流科技期刊Nature Communication雜志（IF=14.919）發(fā)表了最新的研究成果：“Structural basis of the ligand binding and signaling mechanism of melatonin receptors”。香港中文大學(xué)（深圳）杜洋教授、柳正教授及中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)陶余勇教授為本文共同通訊作者。香港中文大學(xué)（深圳）生命與健康科學(xué)學(xué)院、科比爾卡創(chuàng)新藥物開(kāi)發(fā)研究院訪(fǎng)問(wèn)博士生王慶功，香港中文大學(xué)（深圳）生命與健康科學(xué)學(xué)院、科比爾卡創(chuàng)新藥物開(kāi)發(fā)研究院技術(shù)員盧秋遠(yuǎn)為論文共同第一作者。該研究采用冷凍電鏡技術(shù)解析了MT1-Gi復(fù)合體分別結(jié)合激動(dòng)劑2-碘褪黑激素（2-iodomelatonin）、雷美替胺(ramelteon)，以及MT2-Gi復(fù)合體結(jié)合ramelteon三維結(jié)構(gòu)，并闡明了褪黑素和藥物的激活機(jī)制。
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人體生物鐘調(diào)節(jié)激素-褪黑素調(diào)控晝夜節(jié)律
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在脊椎動(dòng)物中，褪黑素激素主要由松果體分泌，遵循晝夜節(jié)律的分泌模式。通過(guò)作用于褪黑激素受體 (MT)，在調(diào)節(jié)機(jī)體晝夜節(jié)律和維持穩(wěn)定睡眠模式中發(fā)揮重要的作用(1, 2)。此外，越來(lái)越多研究表明褪黑素-MT信號(hào)通路的激活還可以調(diào)節(jié)其他生理過(guò)程，包括調(diào)節(jié)心血管系統(tǒng)和免疫系統(tǒng)(3, 4)。該信號(hào)通路激活在抑制癌癥、促進(jìn)骨形成、調(diào)節(jié)糖代謝以及調(diào)劑神經(jīng)退行性疾病中的作用也得到了證實(shí)(5-7)。褪黑素受體是一類(lèi)既可以在中樞神經(jīng)系統(tǒng) (CNS)，又外周組織中表達(dá)的class A GPCR的亞家族。在人類(lèi)中，MT 家族由兩個(gè)結(jié)構(gòu)序列高度保守的成員組成，包括MT1 和 MT2受體，它們?cè)谡麄€(gè)序列和跨膜部分序列分別具有 55% 和 70%相似性。MT1 和 MT2 都主要通過(guò)與Gi/o 蛋白偶聯(lián)，從而抑制腺苷酸環(huán)化酶活性并降低細(xì)胞內(nèi) 3',5'-環(huán)磷酸腺苷 (adenosine 3’,5’-cyclic monophosphate；cAMP) 的濃度，去發(fā)揮其重要的生理作用。盡管目前有報(bào)道MT1受體還可以結(jié)合下游Gq/11蛋白，但是目前關(guān)于與G 蛋白家族確切的偶聯(lián)譜仍不清楚。在人大腦中，MT1 主要在藍(lán)斑和下丘腦外側(cè)等重要神經(jīng)功能區(qū)中表達(dá)于REM 區(qū)域）(8, 9)，參與調(diào)節(jié)睡眠中警覺(jué)狀態(tài)的快速眼動(dòng) (REM) 階段(10)；但 MT2 主要在網(wǎng)狀丘腦合成及分泌（NREM 區(qū)域）(8, 9)，可以選擇性地調(diào)節(jié)非快速眼動(dòng) (NREM) 睡眠階段(10, 11)，此外MT2還與 2 型糖尿病 (type-2 diabetes；T2D)形成相關(guān)。鑒于 MT1 和 MT2 的不同生理作用，獲得選擇性配體具有重要應(yīng)用前景。然而，市場(chǎng)上或臨床評(píng)估中的大多數(shù)藥物，如雷美替昂, 他司美替昂和阿戈美拉汀，都是非選擇性的(12, 13)。因此，通過(guò)解析 MTs-配體結(jié)合口袋結(jié)構(gòu)信息，對(duì)開(kāi)發(fā)高效的選擇性激動(dòng)劑藥物提供理論依據(jù)，具有重要研究?jī)r(jià)值。
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褪黑素受體與不同藥物結(jié)合的高分辨率結(jié)構(gòu)
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本研究對(duì)褪黑素受體的配體識(shí)別、激活機(jī)理以及信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)選擇等都具有廣泛的影響，列舉如下：（1）發(fā)現(xiàn)了H5.46, N4.60, 及 Y5.38三個(gè)殘基位點(diǎn)在MT受體正位結(jié)合口袋（orthosteric binding pocket，OBP）識(shí)別激動(dòng)劑配體中的起到重要作用；（2）揭示了MT1與MT2的OBP與激動(dòng)劑結(jié)合狀態(tài)下結(jié)構(gòu)差異及特征，通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)藥理學(xué)實(shí)驗(yàn)和分子動(dòng)力學(xué)模擬對(duì)該位點(diǎn)進(jìn)行了驗(yàn)證，為設(shè)計(jì)有效靶向小分子藥物的設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)，具有重要意義；（3）通過(guò)與inactive狀態(tài)下比較，闡釋褪黑素受體激活機(jī)制，通過(guò)生理生化實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證關(guān)鍵的殘基位點(diǎn)。（4）解析了MT1與MT2在激動(dòng)劑激活狀態(tài)下結(jié)構(gòu)上的差異, 提出了MT受體對(duì)Gi蛋白偶聯(lián)和選擇性的關(guān)鍵殘基，進(jìn)一步分析與下游G蛋白結(jié)合位點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)第二個(gè)胞內(nèi)環(huán)(ICL2)構(gòu)象具有明顯差異，這初步解釋MT1受體可以結(jié)合下游Gq/11蛋白，而MT2受體不能結(jié)合的原因。為GPCR選擇性激活下游不同G蛋白的機(jī)制提供理論基礎(chǔ)。
綜上所述，該團(tuán)隊(duì)利用單顆粒冷凍電鏡技術(shù)解析了褪黑素受體MT1及MT2與G蛋白的復(fù)合物結(jié)構(gòu)，從而在原子層面上詳細(xì)闡釋了褪黑素受體的配體識(shí)別、別構(gòu)調(diào)節(jié)及與G蛋白偶聯(lián)的機(jī)制，該項(xiàng)研究將為失眠癥、情緒障礙和癌癥等疾病的高選擇性藥物開(kāi)發(fā)和治療帶來(lái)新的曙光。
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教授簡(jiǎn)介
杜洋
生命與健康科學(xué)學(xué)院、醫(yī)學(xué)院助理教授
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? ? ? ? 博士（中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)）
? ? ? ? 學(xué)士 （中南大學(xué)）
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G蛋白偶聯(lián)受體、受體生物學(xué)、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、結(jié)構(gòu)藥理學(xué)、基于結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計(jì)
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杜洋教授現(xiàn)為香港中文大學(xué)（深圳）生命與健康科學(xué)學(xué)院、醫(yī)學(xué)院助理教授，博士生導(dǎo)師，校長(zhǎng)學(xué)者，教育部青年，廣東省珠江青年拔尖人才。他還是香港中文大學(xué)（深圳）科比爾卡創(chuàng)新藥物開(kāi)發(fā)研究院責(zé)任研究員，領(lǐng)導(dǎo)團(tuán)隊(duì)從事GPCR的轉(zhuǎn)化研究和新藥開(kāi)發(fā)工作。
杜洋教授在2011年于中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)取得博士學(xué)位。之后赴美國(guó)斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院，師從2012年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主Brian Kobilka教授從事G蛋白偶聯(lián)受體（GPCR）相關(guān)的博士后研究工作。2016年提升為斯坦福醫(yī)學(xué)中心固定職位的研究科學(xué)家。期間獲美國(guó)心臟協(xié)會(huì)全額博士后獎(jiǎng)學(xué)金、斯坦福心血管研究所資助和密歇根大學(xué)安娜堡醫(yī)學(xué)院藥學(xué)系tenure-track助理教授職位等。
主要研究方向是以重要藥物靶點(diǎn)GPCR為對(duì)象，從事其與下游信號(hào)分子復(fù)合物的結(jié)構(gòu)、功能和藥物發(fā)現(xiàn)工作。迄今已發(fā)表50多篇高質(zhì)量SCI論文，包括以第一或通訊作者（含共同）在Cell、Sci. Adv.、JACS、Nature Comm.、Cell Res.等國(guó)際一流期刊報(bào)道的一系列科研成果，作為無(wú)成癮止痛藥開(kāi)發(fā)的美國(guó)專(zhuān)利共同發(fā)明人。并受邀為Science、Nature Comm.等多種國(guó)際頂尖科學(xué)雜志審稿，同時(shí)是國(guó)自然交叉科學(xué)部和教育部項(xiàng)目評(píng)閱人。
