速览华甜研究员CNS系列成果

一、背景介绍

2022年9月16日，《Science》期刊发表了题为“Structural basis for strychnine activation of human bitter taste receptor TAS2R46”的研究性文章，这是上海科技大学刘志杰和华甜联合研究团队又一次发表在CNS上的高水平文章。更让人值得一提的是，自华甜毕业后直聘副研究员六年时间内，她已经连续发表了六篇CNS。

二、文献分析

1. 马钱子碱激活人苦味受体TAS2R46的结构基础研究

第一作者：Xu Weixiu

通讯作者：刘志杰、华甜

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abo1633

发表日期：2022年9月16日

味觉感知是一个复杂的化学感觉过程。苦、甜和鲜味是由G蛋白偶联受体(GPCRs)传递的，其中甜味和鲜味由味觉受体1型（TAS1R）家族的三个成员结合起来感知，而对于苦味的感知则是由另一个特殊的味觉受体2型（TAS2R）来完成。徐甜等人将目标定位在人类苦味受体TAS2R46的结构，这是一种光谱类的苦味受体，能够感知多种类型的苦味分子。在这里，华甜等人报道了以马钱子碱结合和载脂蛋白的形式存在的TAS2R46与嵌合的mini-G蛋白味转导素复合的冷冻电子显微镜结构，首次揭示了苦味受体独特的三维结构和调控机制—马钱子碱结合在TAS2R46的口袋之中。为探索苦味受体的结构和作用机制开创了新途径。

图1.马钱子碱结合在TAS2R46口袋

2．不同配体对M受体M4R的非常规激活作用

第一作者：Wang Jingjing

通讯作者：程建军、汪胜、华甜

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-022-30595-y

发表日期：2022年5月23日

图2.左 化合物-100，右M4R-化合物-110-Gi-scFv16(M4R-c110-Gi)复合结构

毒蕈碱型乙酰胆碱受体(MAChRs)由重要的神经递质乙酰胆碱(ACh)激活，参与多种生理过程。毒蕈碱受体4（M4R）是治疗阿尔茨海默病和精神分裂症等神经和精神疾病的有前途的药物靶点。由于缺乏对亚型选择性激动剂激活M4R的了解，阻碍了其在治疗中的应用。华甜等人报道了三种正构体激动剂Iperoxo结合M4R-Gi与/不与正变构调节剂（PAM）形成络合物的结构和变构激动剂化合物-110结合M4R-Gi，通过全面的分析，揭示了不同的激动剂和PAM稳定的M4R的活性构象。值得注意的是，变构激动剂化合物-110与M4R以一种独特的结合姿势进行结合—垂直结合。

3. 孤儿受体GPR139的配体识别和G蛋白偶联的分子机制

第一作者：Zhou Yali

通讯作者：华甜、刘志杰等

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41422-021-00591-w

发表日期：2021年12月17日

图3. 不同状态下JNJ-63533054结合GPR139-G蛋白复合体的冷冻电子显微镜结构，以及配体JNJ-63533054/TAK-041与GPR139的结构分析。

G蛋白偶联受体GPR139参与神经调节，其激动剂之一正在进行治疗认知障碍和精神分裂症阴性症状的临床试验。虽然GPR139是一个未被充分研究的“孤儿”受体，但它可以被氨基酸L-Trp、L-Phe1或α-黑素细胞刺激素(α-MSH)激活，后者是黑素皮质素受体的内源性激动剂。华甜等人报告了GPR139与关键参考配体JNJ-63533054形成的络合物，以及分别处于GDP态和GTP结合态的GPR139-JNJ-63533054-MINGs/q复合体的冷冻电子显微镜结构。四种不同形式的 GPR139 复合物的结构提供了对 GPR139 激活和信号传导的机制见解，与JNJ-63533054 表现出不同的结合姿势，这些姿势与不同 G 蛋白亚型或状态的偶联相关，这项研究有助于发现新的治疗方法。

4. CXC趋化因子受体2激活和信号传导的结构基础

第一作者：Liu Kaiwen

通讯作者：华甜、刘志杰

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2492-5

发表日期：2020年7月1日

图4.CXCR2与CXC L8和Gi蛋白的相互作用

趋化因子及其受体介导细胞迁移，从而影响多种基本生物过程和疾病状况，例如炎症和癌症。尽管在趋化因子受体和受体-趋化因子识别的结构研究中投入了大量精力，但对内源性趋化因子诱导的受体激活和G蛋白偶联知之甚少。华甜等展示了与 Gi 蛋白复合的白细胞介素 8（IL-8，也称为 CXCL8）激活的人 CXC 趋化因子受体 2（CXCR2）的冷冻电子显微镜结构，以及与设计的结合的 CXCR2 的晶体结构。结果揭示了 CXCL8 和 CXCR2 之间独特的浅层结合模式，并且还显示了 CXCR2 和Gi  蛋白之间的相互作用。

5.大麻素受体-Gi 复合结构揭示的激活和信号传导机制

第一作者：Hua Tian、Li Xiaoting

通讯作者：华甜、刘志杰

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2018.12.011

发表日期：2020年2月1日

图5.CB1-Gi 和 CB2-Gi 配合物的冷冻电镜结构

人类内源性大麻素系统主要通过激活大麻素受体 CB1 和 CB2 来调节多种生理过程。它们的高序列相似性、低激动剂选择性、缺乏活化和 G 蛋白偶联知识阻碍了治疗应用的发展。在这里，华甜等报告了与 Gi 复合的合成大麻素结合的 CB2 和 CB1 的冷冻电子显微镜结构，以及激动剂结合的 CB2 晶体结构。研究的结果揭示了多种激活和信号传导机制、CB2 选择性激动剂设计的结构基础，以及胆固醇与 CB1 的意外相互作用，暗示了其内源性变构调节作用。

6. 人大麻素受体 CB2 的晶体结构

第一作者：Li Xiaoting、Hua Tian

通讯作者：刘志杰

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2018.12.011

发表日期：2019年1月24日

图6.AM10257-CB2 复合体的整体结构

大麻素受体 CB2 主要在免疫系统中表达，在没有 CB1 的精神活性的情况下，选择性调节 CB2 在炎症、纤维化和神经退行性疾病中具有治疗潜力。在这里，华甜等报告了人类 CB2 与合理设计的拮抗剂 AM10257 复合的晶体结构，与 CB1 相比，CB2-AM10257 结构显示出明显不同的结合姿势。然而，拮抗剂结合的 CB2 的细胞外部分与激动剂结合的 CB1 具有高度的构象相似性，这一发现导致AM10257 的 CB2 拮抗作用与 CB1 激动作用具有出人意料的相反功能特征。使用诱变研究和分子对接的进一步结构分析揭示了它们对 CB2 和 CB1 的功能和选择性的分子基础。目前的研究结果有助于合理的药物设计，以精确调节内源性大麻素系统。

7. 人大麻素受体CB1的晶体结构

第一作者：华甜

通讯作者：刘志杰等

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cell.2016.10.004

发表日期：2016年10月20日

图7.人源大麻素受体（CB1）与拮抗剂AM6538复合物的总体结构

大麻素受体（CB1）是一种特定的G-蛋白偶联受体（GPCR）—是由826个蛋白质组成的最大的蛋白质家族。CB1是一种特定的GPCR，CB1是大麻的主要成分四氢大麻酚（THC）的主要靶点。THC是一种从大麻中提取的具有精神活性的化学物质，具有广泛的治疗和其他历史。CB1被内源性大麻素激活，是治疗疼痛、炎症、肥胖和物质滥用障碍的有前途的靶点。在这里华甜等人合成并表征了人CB1与拮抗剂AM6538的晶体结构，该结构揭示了受体的关键特征和拮抗剂结合的关键相互作用。结合功能研究和分子建模，该结构加深了对天然存在的CB1配体（如THC）和合成大麻素的理解，同时为下一代CB1靶向药物提供了新的机遇。