重大突破: 我國科學家揭示HIV感染人體的機製

近日，美國《科學》雜誌—美國科學促進會(hui) 在上海召開新聞發布會(hui) ，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，並據此解釋了抗艾滋病毒感染的藥物馬拉維若是如何作用於(yu) 該受體(ti) 分子進而阻斷病毒入侵的分子機製，相關(guan) 研究成果於(yu) 2013年9月12日發表在雜誌《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(wan) 人死亡。艾滋病毒感染人體(ti) 細胞的*步是病毒與(yu) 細胞的膜融合，這一過程由病毒表麵糖蛋白gp120與(yu) 細胞表麵的受體(ti) CD4以及共受體(ti) CCR5或CXCR4共同作用完成。多年以來，為(wei) 了闡明艾滋病毒侵入細胞的分子機製，科學家們(men) 進行了大量的研究。

在研究的zui初階段，研究人員普遍認為(wei) 艾滋病毒CD4受體(ti) 是致使人們(men) 感染艾滋病的元凶。一直到了1996年，才有科學家通過研究發現除了CD4受體(ti) ，艾滋病毒感染還需要共受體(ti) 的共同作用，這個(ge) 共受體(ti) 通常是指CCR5。CCR5是一種位於(yu) 細胞表麵的受體(ti) 蛋白質，在大多數種類艾滋病毒感染人體(ti) 免疫細胞時發揮重要作用，例如CCR5發生某些特定的突變以後，人感染艾滋病的幾率以及感染後的病程進度明顯降低或減緩。於(yu) 是CCR5引起了研究人員的重視，並且近年來CCR5受體(ti) 成為(wei) 了新型抗艾滋病毒藥物研發中zui受關(guan) 注的靶點之一。科學家們(men) 希望可以據此研發出抗艾滋病毒感染的藥物，通過與(yu) CCR5的競爭(zheng) 性結合或使CCR5受體(ti) 分子處於(yu) 非活性狀態而阻斷艾滋病毒的入侵，並且目前已有少量此類抑製劑被研製成功。但是由於(yu) 共受體(ti) CCR5和CXCR4屬於(yu) G蛋白偶聯受體(ti) （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(ti) 細胞的分子機製長久以來一直困擾著國內(nei) 外科學家。由於(yu) 缺少CCR5受體(ti) 分子的高分辨率結構，藥物設計一直無法實現。

“攻關(guan) ”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(yu) 中國科學院受體(ti) 結構與(yu) 功能重點實驗室研究員吳蓓麗(li) 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(guan) 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，主要致力於(yu) 生物醫學方麵的研究。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(wei) 癌症、類風濕關(guan) 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(cong) 事博士後研究，致力於(yu) 艾滋病毒的兩(liang) 種共受體(ti) CCR5和CXCR4的結構生物學研究。在Stevens教授的支持下，吳蓓麗(li) 於(yu) 2010年成功解析了人源CXCR4受體(ti) 蛋白與(yu) 兩(liang) 種配體(ti) 的複合物晶體(ti) 結構，相關(guan) 研究成果發表在《科學》雜誌上。Stevens教授評價(jia) 她時說：“從(cong) 一開始她的目標就是解析這兩(liang) 種艾滋病毒共受體(ti) 的結構並據此闡釋其功能，這一明確目標一直激勵著她的研究工作。”先前的工作為(wei) 她今天的成果奠定了基礎。

論文通訊作者吳蓓麗(li)

2011年，吳蓓麗(li) 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。但由於(yu) GPCR蛋白表達難度大，獲得足夠量的用於(yu) 結構研究的蛋白質樣品非常困難；並且，由於(yu) GPCR蛋白構象不穩定，獲得可用於(yu) Ｘ射線衍射的蛋白質晶體(ti) 也挑戰。因此與(yu) 其它結構已知的G蛋白偶聯受體(ti) 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(li) 領導的年輕團隊進行了大量的篩選和優(you) 化工作，利用一種新的融合蛋白穩定了CCR5蛋白的構象。與(yu) 此同時，她還與(yu) 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麵進行合作；zui終獲得了高質量的蛋白質晶體(ti) ，成功解析了CCR5與(yu) 一種抗艾滋病毒藥物——馬拉維若複合物的蛋白質結構。 “我們(men) 認為(wei) 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(li) 解釋說。

兩(liang) 個(ge) 重大發現

根據上述研究，吳蓓莉研究團隊獲取了兩(liang) 個(ge) 重要的發現。

首先，解析CCR5和CXCR4這兩(liang) 種共受體(ti) 的結構有助於(yu) 深入理解艾滋病毒感染人體(ti) 細胞的分子機製，以及決(jue) 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(ti) 細胞初期以CCR5為(wei) 共受體(ti) ，但是經過一段時間後，病毒共受體(ti) 轉化為(wei) CXCR4，使得人體(ti) 中更多類型的細胞被感染，加劇了病毒在人體(ti) 內(nei) 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(ti) 內(nei) ，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。因此艾滋病毒對於(yu) 共受體(ti) 的選擇性可能就是由CCR5和CXCR4這兩(liang) 種共受體(ti) 的結構在形狀及電荷分布等方麵的細微差異造成的，這可能是艾滋病毒對共受體(ti) 具有選擇性的主要原因。目前，吳蓓麗(li) 的研究團隊正進一步深入，希望通過解析CCR5和CXCR4與(yu) 艾滋病毒表麵蛋白gp120以及CD4的複合物結構，為(wei) 研究病毒感染機製提供更多信息。

此外，CCR5的結構揭示了藥物馬拉維若在受體(ti) 分子中的結合位點，該結合位點與(yu) *的gp120結合位點不同，因此，馬拉維若可能是通過間接機製抑製CCR5與(yu) 艾滋病毒的結合，即不直接與(yu) 病毒競爭(zheng) 結合CCR5，但通過其與(yu) CCR5的結合改變CCR5的分子構象，使其處於(yu) 艾滋病毒非敏感狀態，從(cong) 而實現阻斷CCR5與(yu) 病毒結合的功效。CCR5與(yu) 配體(ti) 的相互作用模式，及CXCR4晶體(ti) 結構信息，為(wei) 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(yu) 藥物分子的相互作用機製，並且有助於(yu) 新型治療藥物的研發。這一研究成果揭示了馬拉維若與(yu) 抗艾滋病毒藥物靶點CCR5的相互作用模式，可以幫助人們(men) 在分子水平理解該類藥物的作用機理，有助於(yu) 在生物學角度進一步研究艾滋病毒，並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(yu) CCR5結合將其鎖定在非活性狀態，從(cong) 而抵製艾滋病毒侵染人體(ti) 細胞

加強合作

美國Scripps研究所分子生物學係與(yu) 化學係教授、上海科技大學iHuman研究所首任所長Raymond Stevens 博士在新聞發布會(hui) 上指出，GPCR相關(guan) 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(ge) 成員，其中與(yu) 人類疾病相關(guan) 的重要藥物靶點至少有300餘(yu) 種，目前超過40%的上市藥物以GPCR為(wei) 靶點。以目前的科研水平，如果要全麵地了解這個(ge) 人體(ti) 內(nei) 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於(yu) 此的藥物研發工作耗資巨大，僅(jin) 靠一個(ge) 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(guan) 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(guan) 係，可以在範圍內(nei) 進行協調，避免重複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(li) 研究員和Raymone C. Stevens教授以外，參與(yu) 者還包括中國科學院上海藥物所的譚秋香、朱亞(ya) 和來自吳蓓麗(li) 、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和加州大學聖地亞(ya) 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(ti) 結合位點上的微小差異對於(yu) 相近受體(ti) 蛋白識別病毒等分子的機製研究至關(guan) 重要，因此在未來，利用*技術平台以及良好的合作基礎，科研人員將側(ce) 重於(yu) 研究CCR5和CXCR4這兩(liang) 種相近受體(ti) 之間的細微異同之處。 CXCR4和CCR5的高純度蛋白樣品的獲得為(wei) 運用其它生物物理手段進一步研究艾滋病毒感染機製鋪平了道路。兩(liang) 種艾滋病毒共受體(ti) 的三維結構的解析，為(wei) 相關(guan) 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(ye) 已組織團隊聯合攻關(guan) ，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）