9月12日，美國《科學(xué)》雜志-美國科學(xué)促進(jìn)會（Science-AAAS）在中國科學(xué)院上海藥物研究所召開新聞發(fā)布會，介紹中科院上海藥物研究所吳蓓麗研究員研究組在趨化因子受體CCR5結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域取得重大突破性進(jìn)展。相關(guān)研究成果發(fā)表在Science上,，吳蓓麗研究員為唯一通訊作者,，上海藥物研究所為第一單位,。這也是《科學(xué)》雜志-美國科學(xué)促進(jìn)會第一次在上海召開的新聞發(fā)布會,，之前僅在北京做過一次新聞發(fā)布,。
CCR5是一種位于細(xì)胞表面的受體蛋白質(zhì)，作為艾滋病毒共受體之一,，在大多數(shù)種類艾滋病毒感染人體免疫細(xì)胞時(shí)發(fā)揮重要作用,。然而，其三維結(jié)構(gòu)的解析極具挑戰(zhàn)性,，長久以來一直困擾著國內(nèi)外科學(xué)家,。日前，由中國科學(xué)院上海藥物研究所和美國Scripps研究所的科學(xué)家組成的研究團(tuán)隊(duì)終于在該項(xiàng)研究中取得了突破性研究成果,，成功解析了CCR5蛋白質(zhì)分子的高分辨率三維結(jié)構(gòu),，并據(jù)此揭示了抗艾滋病毒感染的藥物馬拉維若是如何作用于該受體分子進(jìn)而阻斷病毒入侵的分子機(jī)制。
“這些結(jié)構(gòu)信息將幫助我們更加準(zhǔn)確地理解艾滋病毒感染細(xì)胞的機(jī)制,，并有助于研發(fā)出更為有效的抗艾滋病毒感染的新型藥物,，”中國科學(xué)院上海藥物研究所的吳蓓麗研究員說。吳蓓麗研究員是該項(xiàng)研究的負(fù)責(zé)人,，相關(guān)研究成果于2013年9月12日發(fā)表在國際權(quán)威雜志《科學(xué)》（Science）上,。
這項(xiàng)針對艾滋病毒共受體CCR5的研究獲得了來自中美兩國的科研經(jīng)費(fèi)支持，“解決重大科學(xué)難題需要更多類似的國際合作,，”該研究的主要合作者之一——美國加州Scripps研究所的Raymond C.Stevens教授說,，“目前我們已經(jīng)解析了兩種艾滋病毒共受體CXCR4和CCR5的三維結(jié)構(gòu)，抗艾滋病毒感染新方法的研究也將有望取得突破,。”
一種重要的藥物靶點(diǎn)
CCR5受體是新型抗艾滋病毒藥物研發(fā)中最受關(guān)注的靶點(diǎn)之一,。最初，人們認(rèn)為艾滋病毒僅通過受體CD4的作用即可感染人體細(xì)胞,，直到1996年,，科學(xué)家才發(fā)現(xiàn)艾滋病毒感染還需要共受體（通常是CCR5）的共同作用。研究人員發(fā)現(xiàn)某些特定的CCR5突變體能夠顯著地提高或降低人體被艾滋病毒感染的幾率以及被感染后病情發(fā)展的速度,，例如,，研究發(fā)現(xiàn)約百分之十的歐洲人體內(nèi)具有一種截短的CCR5突變體，該突變體無法在細(xì)胞表面表達(dá),，而攜帶這種突變體的人群對于艾滋病毒的感染幾乎是完全免疫的,。至此，CCR5在艾滋病毒感染中的重要作用才引起人們的重視,。
科學(xué)家們希望可以據(jù)此研發(fā)出抗艾滋病毒感染的藥物,，通過與CCR5的競爭性結(jié)合或使CCR5受體分子處于非活性狀態(tài)而阻斷艾滋病毒的入侵，目前已有少量此類抑制劑被研制成功,，然而在此之前它們的作用機(jī)制仍無法被明確闡明,。“我們?nèi)鄙俚木褪强捎糜诰_藥物設(shè)計(jì)的CCR5受體分子的高分辨率結(jié)構(gòu),，”吳蓓麗研究員說。
艱苦的探索
2007年,，吳蓓麗博士加入Scripps研究所Stevens教授的研究組開展博士后研究工作,，致力于艾滋病毒的兩種共受體CCR5和CXCR4的結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究。CXCR4是除CCR5外的另一種艾滋病毒共受體,，少數(shù)種類的艾滋病毒以CXCR4為共受體,，與CD4共同作用完成病毒入侵過程。
Stevens教授說：“從一開始她的目標(biāo)就是解析這兩種艾滋病毒共受體的結(jié)構(gòu)并據(jù)此闡釋其功能,，這一明確目標(biāo)一直激勵(lì)著她的研究工作,。”在博士后工作期間，吳蓓麗博士的研究主要集中在CXCR4受體上,，她取得的重大研究成果——CXCR4的晶體結(jié)構(gòu)于2010年發(fā)表在《科學(xué)》雜志上,，這些工作為CCR5的結(jié)構(gòu)測定奠定了基礎(chǔ)。2011年,，吳蓓麗博士加入中國科學(xué)院上海藥物研究所組建自己的研究團(tuán)隊(duì),，在藥物研究所的支持下，她繼續(xù)深入該項(xiàng)研究,，進(jìn)一步探索CCR5的三維結(jié)構(gòu),。
CCR5和CXCR4均屬于人體內(nèi)最大的受體蛋白家族——G蛋白偶聯(lián)受體（GPCR）。由于GPCR蛋白表達(dá)難度大,，獲得足夠量的用于結(jié)構(gòu)研究的蛋白質(zhì)樣品非常困難,；并且，由于GPCR蛋白構(gòu)象不穩(wěn)定,，獲得可用于Ｘ射線衍射的蛋白質(zhì)晶體也極具挑戰(zhàn),。與CXCR4相比，CCR5的結(jié)構(gòu)解析需要克服更多的困難,，但是,，憑借解析CXCR4結(jié)構(gòu)的成功經(jīng)驗(yàn)，吳蓓麗研究員領(lǐng)導(dǎo)她的年輕團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了大量的篩選和優(yōu)化工作,，利用一種新的融合蛋白穩(wěn)定了CCR5蛋白的構(gòu)象,；同時(shí)，與上海藥物所的蔣華良,、柳紅和謝欣等三位研究員的研究組在計(jì)算機(jī)模擬,、化合物合成和藥理功能篩選等方面進(jìn)行合作；最終獲得了高質(zhì)量的蛋白質(zhì)晶體,，成功解析了CCR5的三維結(jié)構(gòu)。
與其他GPCR受體結(jié)構(gòu)解析類似,，吳蓓麗研究員的團(tuán)隊(duì)還利用一種可與CCR5特異性結(jié)合的化合物穩(wěn)定其構(gòu)象,，這種化合物就是輝瑞公司研制的藥物馬拉維若（在美國以外地區(qū)銷售的商標(biāo)為Selzentry,？和Celsentri？）,，馬拉維若于2007年獲批上市用于抵抗艾滋病毒感染,，這種藥物可抑制以CCR5為共受體的艾滋病毒侵染人體細(xì)胞。“我們認(rèn)為馬拉維若能夠?qū)CR5的構(gòu)象鎖定在一種非活性狀態(tài),，希望能夠在高分辨率分子水平‘看’到這種構(gòu)象,，”吳蓓麗研究員說。
CCR5的三維結(jié)構(gòu)信息揭示了其抵抗艾滋病毒結(jié)合的精細(xì)構(gòu)象,，以及馬拉維若在受體分子中的精確結(jié)合位點(diǎn),。雖然該結(jié)合位點(diǎn)與公認(rèn)的艾滋病毒結(jié)合位點(diǎn)不同，且與CCR5天然配體的作用區(qū)域也不相同,，但藥物分子仍可有效地抑制受體的功能,，因此，馬拉維若可能是通過間接機(jī)制抑制CCR5與艾滋病毒的結(jié)合,，即不直接與病毒競爭結(jié)合CCR5,，但通過其與CCR5的結(jié)合改變CCR5的分子構(gòu)象，使其處于艾滋病毒非敏感狀態(tài),，從而實(shí)現(xiàn)阻斷CCR5與病毒結(jié)合的功效,。
中國科技部等部門與美國國立衛(wèi)生研究院（NIH）共同資助了該項(xiàng)研究。NIH綜合醫(yī)學(xué)研究所的Peter Preusch博士這樣評論該項(xiàng)研究：“蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)信息可揭示蛋白質(zhì)與藥物分子的相互作用機(jī)制,，并且有助于新型治療藥物的研發(fā),。這一研究成果揭示了馬拉維若與抗艾滋病毒藥物靶點(diǎn)CCR5的相互作用模式，可以幫助人們在分子水平理解該類藥物的作用機(jī)理,，有助于在生物學(xué)角度進(jìn)一步研究艾滋病毒,，并促進(jìn)此類作用模式的靶向藥物研究。”
重要發(fā)現(xiàn)
大多數(shù)種類的艾滋病毒在侵染人體細(xì)胞初期以CCR5為共受體,，但是經(jīng)過一段時(shí)間后,，病毒共受體轉(zhuǎn)化為CXCR4，使得人體中更多類型的細(xì)胞被感染,，加劇了病毒在人體內(nèi)的進(jìn)一步擴(kuò)散,、加速了疾病的發(fā)展，最終導(dǎo)致艾滋病的發(fā)生和患者死亡,。因此,，利用此項(xiàng)研究成果比較CCR5結(jié)構(gòu)與之前解析的CXCR4結(jié)構(gòu)異同，可以為艾滋病毒感染機(jī)制研究提供重要線索,。
比較結(jié)果表明,，艾滋病毒對于共受體的選擇性可能是由CCR5和CXCR4這兩種共受體的結(jié)構(gòu)在形狀及電荷分布等方面的細(xì)微差異造成的，這些特點(diǎn)對于抗艾滋病毒的藥物研發(fā)具有重要意義。正如吳蓓麗研究員所說：“了解CXCR4和CCR5的結(jié)構(gòu)信息將加速抗不同種類艾滋病毒的藥物研發(fā),。”目前,，她的研究團(tuán)隊(duì)正進(jìn)一步深入，希望通過解析CCR5和CXCR4與艾滋病毒表面蛋白gp120以及CD4的復(fù)合物結(jié)構(gòu),，為研究病毒感染機(jī)制提供更多信息,。此外，CCR5結(jié)構(gòu)解析之后,，上海藥物所已組織團(tuán)隊(duì)聯(lián)合攻關(guān),，開展基于結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計(jì)，目前已獲得抗病毒活性更好的化合物,，進(jìn)一步說明了CCR5結(jié)構(gòu)對于研發(fā)抗艾滋病毒藥物的重要作用,。
除了吳蓓麗研究員和Raymone C. Stevens教授以外，該項(xiàng)研究（Structure of the CCR5 Chemokine Receptor –HIV Entry Inhibitor Maraviroc Complex）的參與者還包括中國科學(xué)院上海藥物所的譚秋香,、朱亞和來自吳蓓麗,、趙強(qiáng)、柳紅,、蔣華良,、謝欣等研究組的多名研究人員，以及美國Scripps研究所的Gye Won Han,、Gustavo Fenanlti,、VadimCherezov和加州大學(xué)圣地亞哥分校的Irina Kufareva。
該項(xiàng)研究獲得了包括科技部“973計(jì)劃”（2012CB518000,、2012CB910400）,、美國國立衛(wèi)生研究院（R01 AI100604、U54 GM094618及其中美生物醫(yī)藥合作研究補(bǔ)充項(xiàng)目）,、國家自然科學(xué)基金委（31270766,、81161120425、81025017）和上海市科委（11JC1414800,、12PJ1410500）的資助,。（生物谷Bioon.com）
doi:10.1126/science.1241475
PMC:
PMID:
Structure of the CCR5 Chemokine Receptor–HIV Entry Inhibitor Maraviroc Complex
Qiuxiang Tan1,*, Ya Zhu1,*, Jian Li1, Zhuxi Chen2, Gye Won Han3, Irina Kufareva4, Tingting Li1, Limin Ma1, Gustavo Fenalti3, Jing Li1, Wenru Zhang1, Xin Xie1, Huaiyu Yang2, Hualiang Jiang2, Vadim Cherezov3, Hong Liu1, Raymond C. Stevens1,3,5, Qiang Zhao1, Beili Wu1,†
The CCR5 chemokine receptor acts as a co-receptor for HIV-1 viral entry. Here, we report the 2.7 Å resolution crystal structure of human CCR5 bound to the marketed HIV drug Maraviroc. The structure reveals a ligand-binding site that is distinct from the proposed major recognition sites for chemokines and the viral glycoprotein gp120, providing insights into the mechanism of allosteric inhibition of chemokine signaling and viral entry. A comparison between CCR5 and CXCR4 crystal structures, along with models of co-receptor/gp120-V3 complexes, suggests that different charge distributions and steric hindrances caused by residue substitutions may be major determinants of HIV-1 co-receptor selectivity. These high-resolution insights into CCR5 can enable structure-based drug discovery for the treatment of HIV-1 infection.
