专访徐华强：兴趣+坚持=Science等多篇重要成果

　　

 “从事科学研究，一是对科学的兴趣，尤其对生命科学的各种奥秘感兴趣；二是贵在坚持，科学研究是探索，长年的工作才有一点点突破，就是最大的欣慰；三是在于努力，科学研究的成功就是99%的努力工作，再加上1%的运气。”
                                      ——中科院上海药物研究所徐华强研究员

 

G蛋白偶联受体(GPCR)是与G蛋白有信号连接的一大类受体家族，也是最著名的药物靶标分子家族，因此一直以来都是科学家们关注的热点之一，该研究领域曾多次荣获诺贝尔奖殊荣。

来自中科院上海药物研究所的徐华强研究组长期浸润于GPCR受体结构与功能关系的研究，近期这一研究组与蒋华良研究组，还有美国Scripps研究所，北卡罗那大学的研究人员合作，在Science杂志上发表两篇文章，成功解析了一种G蛋白偶联受体：五羟色胺受体1B及2B的两个亚型晶体结构，突破了长期以来五羟色胺受体家族结构与功能研究的困境。

当谈及这些重要成果的时候，徐华强教授表示，“从事科学研究，一是对科学的兴趣，尤其对生命科学的各种奥秘感兴趣；二是贵在坚持，科学研究是探索，长年的工作才有一点点突破，就是最大的欣慰；三是在于努力，科学研究的成功就是99%的努力工作，再加上1%的运气。”

对于他来说，科学兴趣支持着他一步步，踏踏实实的走着自己的科研道路。为了解读这个精彩成果背后的精彩故事，生物通也特别联系了徐华强教授，就读者感兴趣的问题请教了他。

破解五羟色胺受体（血清素受体）结构奥秘

据介绍，五羟色胺（也叫血清素）是人体中最重要的一种神经递质与激素，在中枢神经系统中，五羟色胺控制着认知、学习、感情、情绪等脑神经活动；在外周神经系统中，五羟色胺控制着生殖、代谢、血管收缩、骨骼发育等生理功能。因此五羟色胺系统一直是药物研究与开发的热点，作用于该系统的药物广泛用于抗精神分裂症、偏头痛、抗呕吐及肥胖症等疾病。

但是因为五羟色胺功能复杂，受体繁多[在人体中共有14种不同的五羟色胺受体，其中13种受体属于G蛋白偶联受体（GPCR）]，临床用的五羟色胺调节剂具有非特异性，常引起毒性副作用，从而导致临床用药的失败。

五羟色胺受体与配体结合的分子机制是解决五羟色胺调节剂分子特异性的关键前提。但是由于五羟色胺GPCR受体是七次跨膜的膜蛋白，柔性较大，导致其蛋白质表达、提纯与结晶难度极高。五羟色胺受体结构的长期匮乏，已抑制对五羟色胺受体的生物学的理解及其药物的研发。

为了能够攻克这一难题，研究组采用了之前的昆虫表达方法、提纯方法与LCP结晶方法，徐教授表示，“我们只是成功地综合这些方法，并成功地解决了5-HT受体的问题。”

具体来说，研究人员借助于名为BRIL（脱血红素细胞色素b562RIL）的一种特殊融合蛋白，稳定与麦角胺（ergotamine）或双氢麦角胺（dihydroergotamine）结合的5-HT1B受体，获得了它们的晶体。并通过X-射线晶体学以高分辨率揭示了其原子结构，研究人员还利用计算生物学手段，对五羟色胺受体系统的配体识别机制进行系统的研究归纳，深入阐述了五羟色胺受体-配体结合的分子机制。现有的大部分GPCR结构都是抑制剂结构，与此相反，两个五羟色胺受体结构都是激动剂复合体结构。

此外，徐教授研究组还与北卡罗那大学合作，利用点突变及下游信号传导的分析，详细地揭示了五羟色胺受体亚型的信号传导特异性。

徐教授表示，“5-HT受体的非选择性激活有极大副作用，包括导致心脏病，两个结构揭示了配体结合位点亚型的特异性，从而给基于结构的药物设计提供了基础”。

两项发现的重要意义

这两项研究分别揭示了5-HT2B和5-HT1B的结构，当问及这两种结构的差别的时候，徐教授回答到，“5-HT1B和2B最大的差异在于配体结合口袋的差异。5-HT1B口袋张开较大，5-HT2B口袋收缩较大。”

在获得了这两个受体的结构后，这一研究组又模拟了各种药物的结合情况。他们发现例如曲坦类（triptans）抗偏头痛药应该可以很好地结合5-HT1B受体，而非5-HT2B受体结构，这是因为5-HT2B受体的扩展结合口袋不容易进入。相似的，研究小组还通过计算证实，芬氟拉明的活性代谢产物可以非常紧密地结合5-HT2B受体。“模拟药物结合的结果说明了药物选择性的机制”，徐教授说。

这也是这些研究的重要意义所在，Science将这两项成果作为两篇论文同时连载发表，指出这些研究将会对五羟色胺系统的生物学发展及药物研究具有深刻的影响，特别是对如何增强五羟色胺配体的特异性，降低其副作用有重要意义。五羟色胺1B和2B的结构将对精神分裂症、偏头痛、肥胖症、心脏病等重要疾病的药物研发具有重要的指导价值。

那么作为此项研究的主要研究手段之一：计算生物学研究技术，研究组主要采用了哪些新工具呢？对此，徐教授详细解释道，“我们采用了以结构为基础的分子模拟对接技术。该技术的优势在于速度快，不需要长期的晶体实验；缺点是准确度差，需要实验的验证。”

今后的计划

这项研究可谓是五羟色胺研究领域具有里程碑式意义的成果，对此徐教授评价道：“这项研究将对未来该领域产生的两个方面的影响：（1） 为5-HT系统的药物发现提供了结构基础；（2） 理解5-HT受体亚型的配体及功能选择性。”

“下一步我们的工作将是解析全部5-HT受体亚型的结构，为设计5-HT亚型选择性药物提供结构基础”。

据介绍，针对基于GPCR药物研发机遇与挑战，中科院上海药物研究所专门成立了受体结构与功能研究中心，2012年底拟升级为中国科学院受体结构与功能重点实验室，重点研究GPCR的结构与功能，为我国药物研发的源头创新提供新结构、新功能、新机制及新靶点。近两年来，实验室建设、人才引进和科研等方面均取得重要进展，通过国家****引进徐华强作为实验室主任，还引进了国际著名GPCR结构生物学家Ray Stevens教授(获得国家首批外专****资助)，还通过中科院****引进两位年轻的GPCR结构生物学家吴蓓丽和赵强。

这些人才的引进，填补了药物研究所受体结构生物学研究的空白，他们迅速与药物所原有的药物化学家、药理学家建立良好的合作关系，在GPCR结构测定，功能研究和药物研究等方面取得重要进展。这些成果将会对我国靶向GPCR的药物研发产生重要影响。

（生物通：王蕾）

原文摘要：

Structural Basis for Molecular Recognition at Serotonin Receptors

Serotonin or 5-hydroxytryptamine (5-HT) regulates a wide spectrum of human physiology through the 5-HT receptor family. We report the crystal structures of the human 5-HT1B G protein–coupled receptor bound to the agonist antimigraine medications ergotamine and dihydroergotamine. The structures reveal similar binding modes for these ligands, which occupy the orthosteric pocket and an extended binding pocket close to the extracellular loops. The orthosteric pocket is formed by residues conserved in the 5-HT receptor family, clarifying the family-wide agonist activity of 5-HT. Compared with the accompanying structure of the 5-HT2B receptor, the 5-HT1B receptor displays a 3-angstrom outward shift at the extracellular end of helix V, resulting in a more open extended pocket that explains subtype selectivity. Together with docking and mutagenesis studies, these structures provide a comprehensive structural basis for understanding receptor-ligand interactions and designing subtype-selective serotonergic drugs.

Structural Features for Functional Selectivity at Serotonin Receptors

Drugs active at G protein–coupled receptors (GPCRs) can differentially modulate either canonical or noncanonical signaling pathways via a phenomenon known as functional selectivity or biased signaling. We report biochemical studies that show that the hallucinogen lysergic acid diethylamide (LSD), its precursor ergotamine (ERG), and related ergolines display strong functional selectivity for β-arrestin signaling at the 5-hydroxytryptamine (5-HT) receptor 5-HT2B, while being relatively unbiased at the 5-HT1B receptor. To investigate the structural basis for biased signaling, we determined the crystal structure of the human 5-HT2B receptor bound to ERG, and compared it with the 5-HT1B/ERG structure. Given the relatively poor understanding of GPCR structure-function to date, insight into different GPCR signaling pathways is important to better understand both adverse and favorable therapeutic activities.

作者简介：

徐华强 
1980-1985 清华大学核子物理工程专业，学士学位
1985-1988 清华大学生物物理专业，硕士学位
1989-1990 美国杜克大学植物遗传系
1991-1994 美国德州大学西南医学中心，生物化学与分子生物学专业，博士学位
1994-1996 美国麻省理工学院(MIT)生物系, 哈佛休斯医学研究所，研究助理
1996-1999 美国格兰素威康研究所结构化学系，一级研究院
1999-2001 美国格兰素威康研究所结构化学系，二级研究员
2001-2002 美国GSK研究所结构科学部，高级研究人员
2002-2007.3 美国Van Andel研究所结构科学部实验室负责人，资深PI/教授
2007.3-2009.12 美国Van Andel研究所结构科学部实验室负责人，杰出PI/教授
2010.1-至今 美国Van Andel研究所结构科学与药物发现中心主任，实验室负责人，杰出PI/教授
2010.7-至今 2009年入选国家****,现担任中国科学院上海药物研究所研究员 

研究方向： 
蛋白质结构与药物开发 

专家类别： 
研究员；**** 

职务： 
教授，研究员 

科研成果： 

专利:1. Activators of PPAR delta. US Patent Number 6,710,063. Issued 03/23/2004. 
2. Activator of PPAR delta. US Patent Number 6,723,740. Issued 04/20/2004. 
3. Activator of PPAR delta. US Patent Application Serial Number 10/383,011. Filed 03/06/2003. 
4. Crystallized PPARα Ligand Binding Domain Polypeptide and Screening Methods Employing Same. US Patent Application Serial Number 10/467,048. Filed 08/01/2003. 
5. Crystallized Glucocorticoid Receptor Ligand Binding Domain Polypeptide and Screening Methods Employing Same. US Patent Application Serial Number 10/484,061. Filed 01/16/2004. 
6. Ligands for Orphan Nuclear Hormone Receptor Steroidogenic Factor-1 (SF-1). US Patent Application Serial Number 11/348,207. Filed 02/06/2006. 
7. Ligands for Mineralocorticoid Receptor (MR) and Methods for Screening for or Designing MR Ligands. PCT Patent Application Serial Number PCT/US2006/044620. Filed 11/15/2006. 

文章:2009年发表ABA受体研究新成果文章“脱落酸受体晶体结构与分子机制” 发表在《自然》封面文章，被《科学》杂志评为2009年十大突破之一。

承担科研项目情况： 
1.12/01/07-11/30/12，Van Andel研究所研究项目，项目负责人
2.08/01/09-06/30/13，美国NIH RO1，项目负责人 
3.08/01/07-06/30/11，美国NIH RO1，项目负责人 
4.07/01/06-07/31/11，美国NIH RO1，项目负责人 
5.08/01/05-07/31/10，美国NIH RO1，项目负责人 
6.01/01/08 -12/31/09，Schering-Plough Corporation，项目负责人 
7.“****” 启动资金, 国家多个重大专项或基金项目

获奖及荣誉： 
1993年获美国德州大学西南医学中心the Twenty-Fifth Sigma Xi研究生研究奖 
1999年获格兰素威康杰出研究奖 
2001年9月获GSK杰出研究奖