近日，美國《科學》雜志—美國科學促進會在上海召開新聞發布會，介紹該領域取得的重大突破性進展——由中國科學院上海藥物研究所和美國Scripps研究所的科學家組成的研究團隊，成功解析了CCR5蛋白質分子的高分辨率三維結構，并據此解釋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而阻斷病毒入侵的分子機制，相關研究成果于2013年9月12日發表在雜志《科學》上。

科學家的困擾

*，艾滋病是由人免疫缺陷病毒（HIV）感染引發的。自1981年美國發現*艾滋病患者以來，該病已導致約三千萬人死亡。艾滋病毒感染人體細胞的*步是病毒與細胞的膜融合，這一過程由病毒表面糖蛋白gp120與細胞表面的受體CD4以及共受體CCR5或CXCR4共同作用完成。多年以來，為了闡明艾滋病毒侵入細胞的分子機制，科學家們進行了大量的研究。

在研究的zui初階段，研究人員普遍認為艾滋病毒CD4受體是致使人們感染艾滋病的元兇。一直到了1996年，才有科學家通過研究發現除了CD4受體，艾滋病毒感染還需要共受體的共同作用，這個共受體通常是指CCR5。CCR5是一種位于細胞表面的受體蛋白質，在大多數種類艾滋病毒感染人體免疫細胞時發揮重要作用，例如CCR5發生某些特定的突變以后，人感染艾滋病的幾率以及感染后的病程進度明顯降低或減緩。于是CCR5引起了研究人員的重視，并且近年來CCR5受體成為了新型抗艾滋病毒藥物研發中zui受關注的靶點之一。科學家們希望可以據此研發出抗艾滋病毒感染的藥物，通過與CCR5的競爭性結合或使CCR5受體分子處于非活性狀態而阻斷艾滋病毒的入侵，并且目前已有少量此類抑制劑被研制成功。但是由于共受體CCR5和CXCR4屬于G蛋白偶聯受體（GPCR）膜蛋白家族，其三維結構解析挑戰性，因此這艾滋病毒感染人體細胞的分子機制長久以來一直困擾著國內外科學家。由于缺少CCR5受體分子的高分辨率結構，藥物設計一直無法實現。

“攻關”突破“瓶頸”

該研究論文的通訊作者、中國科學院上海藥物研究所與中國科學院受體結構與功能重點實驗室研究員吳蓓麗博士回憶自己的科研生涯表示，早在六年前，她就已經開始了相關的工作。那是2007年，她加入Scripps研究所（Scripps研究所是目前世界上zui大的私立非盈利性研究機構之一，主要致力于生物醫學方面的研究。Scripps研究所因其在科研和人類健康領域做出的重要貢獻而享譽，其科研成果為癌癥、類風濕關節炎、血友病等多種疾病的治療奠定了基礎。）Stevens教授的研究組從事博士后研究，致力于艾滋病毒的兩種共受體CCR5和CXCR4的結構生物學研究。在Stevens教授的支持下，吳蓓麗于2010年成功解析了人源CXCR4受體蛋白與兩種配體的復合物晶體結構，相關研究成果發表在《科學》雜志上。Stevens教授評價她時說：“從一開始她的目標就是解析這兩種艾滋病毒共受體的結構并據此闡釋其功能，這一明確目標一直激勵著她的研究工作。”先前的工作為她今天的成果奠定了基礎。

論文通訊作者吳蓓麗

2011年，吳蓓麗博士加入中國科學院上海藥物研究所組建自己的研究團隊，在藥物所的支持下繼續深入該項研究，進一步探索CCR5的三維結構。但由于GPCR蛋白表達難度大，獲得足夠量的用于結構研究的蛋白質樣品非常困難；并且，由于GPCR蛋白構象不穩定，獲得可用于Ｘ射線衍射的蛋白質晶體也挑戰。因此與其它結構已知的G蛋白偶聯受體相比，CCR5的結構解析更具挑戰性。但是CXCR4結構測定的成功經驗給予了她足夠的幫助，吳蓓麗領導的年輕團隊進行了大量的篩選和優化工作，利用一種新的融合蛋白穩定了CCR5蛋白的構象。與此同時，她還與上海藥物所的其他研究員的課題組在計算機模擬、化合物合成和藥理功能篩選等方面進行合作；zui終獲得了高質量的蛋白質晶體，成功解析了CCR5與一種抗艾滋病毒藥物——馬拉維若復合物的蛋白質結構。 “我們認為馬拉維若能夠將CCR5的構象鎖定在一種非活性狀態，希望能夠在高分辨率分子水平‘看’到這種構象，”吳蓓麗解釋說。

兩個重大發現

根據上述研究，吳蓓莉研究團隊獲取了兩個重要的發現。

首先，解析CCR5和CXCR4這兩種共受體的結構有助于深入理解艾滋病毒感染人體細胞的分子機制，以及決定病毒蛋白gp120結合的各種因素。大多數種類的艾滋病毒在侵染人體細胞初期以CCR5為共受體，但是經過一段時間后，病毒共受體轉化為CXCR4，使得人體中更多類型的細胞被感染，加劇了病毒在人體內的進一步擴散、加速了疾病的發展，zui終導致艾滋病的發生和患者死亡。而在人體內，即使是極少數氨基酸的不同，也可能顯著影響蛋白質結合區域的形狀和分子識別能力。因此艾滋病毒對于共受體的選擇性可能就是由CCR5和CXCR4這兩種共受體的結構在形狀及電荷分布等方面的細微差異造成的，這可能是艾滋病毒對共受體具有選擇性的主要原因。目前，吳蓓麗的研究團隊正進一步深入，希望通過解析CCR5和CXCR4與艾滋病毒表面蛋白gp120以及CD4的復合物結構，為研究病毒感染機制提供更多信息。

此外，CCR5的結構揭示了藥物馬拉維若在受體分子中的結合位點，該結合位點與*的gp120結合位點不同，因此，馬拉維若可能是通過間接機制抑制CCR5與艾滋病毒的結合，即不直接與病毒競爭結合CCR5，但通過其與CCR5的結合改變CCR5的分子構象，使其處于艾滋病毒非敏感狀態，從而實現阻斷CCR5與病毒結合的功效。CCR5與配體的相互作用模式，及CXCR4晶體結構信息，為研發抵抗不同類型艾滋病毒感染的新型藥物打下了堅實的基礎。NIH綜合醫學研究所的Peter Preusch博士這樣評論該項研究：“蛋白質三維結構信息可揭示蛋白質與藥物分子的相互作用機制，并且有助于新型治療藥物的研發。這一研究成果揭示了馬拉維若與抗艾滋病毒藥物靶點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理，有助于在生物學角度進一步研究艾滋病毒，并促進此類作用模式的靶向藥物研究。”

抗艾滋病毒藥物馬拉維若通過與CCR5結合將其鎖定在非活性狀態，從而抵制艾滋病毒侵染人體細胞

加強合作

美國Scripps研究所分子生物學系與化學系教授、上海科技大學iHuman研究所首任所長Raymond Stevens 博士在新聞發布會上指出，GPCR相關研究雖然已經得到了飛速發展，然而，GPCR家族非常龐大，包括826個成員，其中與人類疾病相關的重要藥物靶點至少有300余種，目前超過40%的上市藥物以GPCR為靶點。以目前的科研水平，如果要全面地了解這個人體內zui大蛋白質家族，至少需要幾十年。開展GPCR結構生物學研究及基于此的藥物研發工作耗資巨大，僅靠一個國家的科研機構和科研經費支持無法完成，因此大力開展合作對未來該領域的發展至關重要。目前，GPCR結構生物學研究領域保持著良好、緊密的協作關系，可以在范圍內進行協調，避免重復浪費的科研力量投入。

論文*作者譚秋香

Raymond Stevens 博士

據悉，該研究項目除了吳蓓麗研究員和Raymone C. Stevens教授以外，參與者還包括中國科學院上海藥物所的譚秋香、朱亞和來自吳蓓麗、趙強、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、Vadim Cherezov和加州大學圣地亞哥分校的Irina Kufareva。 該項研究獲得了包括科技部“973計劃”（2012CB518000、2012CB910400）、美國國立衛生研究院（R01 AI100604、U54 GM094618及其中美生物醫藥合作研究補充項目）、國家自然科學基金委（31270766、81161120425、81025017）和上海市科委（11JC1414800、12PJ1410500）的資助。

配體結合位點上的微小差異對于相近受體蛋白識別病毒等分子的機制研究至關重要，因此在未來，利用*技術平臺以及良好的合作基礎，科研人員將側重于研究CCR5和CXCR4這兩種相近受體之間的細微異同之處。 CXCR4和CCR5的高純度蛋白樣品的獲得為運用其它生物物理手段進一步研究艾滋病毒感染機制鋪平了道路。兩種艾滋病毒共受體的三維結構的解析，為相關藥物研發奠定了基礎，新一代抗艾滋病毒藥物的研究將很有可能取得突破性進展。目前，上海藥物研究所業已組織團隊聯合攻關，根據解析的CCR5結構開展藥物設計，已獲得抗病毒活性更好的化合物。（轉自 生物探索）