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上科大iHuman研究团队解析“趋化因子受体复合物”三维结构,助力抗癌药物研发

[source]: [the author]:Admin [date]:2020-07-01 [Views]:2240

上海科技大学iHuman研究所的科研团队在人体趋化因子系统信号转导研究领域取得重大突破,成功破解了趋化因子受体CXCR2 (CXC chemokine receptor 2)与趋化因子白细胞介素IL8 (Interleukin 8)及下游信号转导分子G蛋白三元复合物的冷冻电镜结构。同时还解析了CXCR2与潜在癌症治疗药物分子复合物的晶体结构。该项研究首次揭示内源性蛋白配体激活G蛋白偶联受体(GPCR)的新机制,为精准的新型抗癌药物设计开启新篇章。该成果以“Structure basis of CXC chemokine receptor 2 activation and signaling”为题,于北京时间7月1日23点发表在国际顶尖学术期刊《Nature》。

该论文的第一作者是上海科技大学生命科学与技术学院2015级研究生刘凯雯, iHuman研究所执行所长、生命学院教授刘志杰及iHuman研究所独立PI华甜研究员是论文的共同通讯作者,上科大是第一完成单位。值得一提的是,刘志杰课题组长期聚焦GPCR的调控机制,系统性研究与重大疾病相关GPCR的结构与功能关系,这是其课题组在《Cell》和《Nature》上发表的第七篇重磅研究成果。

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图1. IL8激活CXCR2趋化T细胞到癌细胞过程的艺术展示图
该图由Julie Liu设计绘制

人体中有近50个趋化因子和20多种趋化因子受体,一种趋化因子可以结合多种不同的趋化因子受体,反之亦然。它们的相互作用构成了复杂的调控网络,介导细胞迁移,与炎症和癌症的发生发展密切相关。趋化因子IL-8可作用于G蛋白偶联受体CXCR2,招募下游信号蛋白并激活第二信使介导的信号传递。CXCR2趋化中性粒细胞、T、B等淋巴细胞的游走、脱颗粒等一系列生物学效应,在炎症、细胞发育和肿瘤细胞的趋化等方面发挥重要作用。大量研究表明,IL8/CXCR2作为肿瘤相关炎症环境的重要成分,能诱导靶细胞趋化性迁移,促进血管生成,影响肿瘤细胞的增殖、存活和运动。对胰腺癌、乳腺癌、结直肠癌等多种恶性肿瘤的微环境构建与调控至关重要。因此,CXCR2是治疗免疫类疾病、癌症等的重要靶标。

对趋化因子IL8及其受体CXCR2的结构和相互作用机制的深入研究,不仅可以揭示GPCR与内源性细胞因子结合并被其调控的结构模型,还有助于相关抗癌症药物的研发。上科大iHuman刘志杰团队通过长期刻苦攻关,首次利用冷冻电镜技术成功解析了CXCR2与两种形式的内源性配体IL8及下游Gi复合物的三维结构,分辨率分别为 3.5 埃(二聚体IL8)和 3.4 埃(单体IL8)。两种结构从原子水平揭示了内源趋化因子IL8独特的浅口袋结合模式和对受体的激活机制,以及结合IL8状态下的CXCR2与Gi蛋白的互作模式和下游信号转导机制。“目前,关于内源性趋化因子调控趋化因子受体以及受体与下游信号蛋白的互作机制非常缺乏,严重限制了人们对新型癌症治疗药物的精准设计,我们很高兴能实现这一突破”文章第一作者刘凯雯说。作为共同通讯作者的华甜研究员补充道“在该篇论文中,我们报道了CXCR2分别在拮抗和激活两种状态下的三维精细结构,通过结构和功能比较分析揭示了CXCR2受体的调控机制,为探索趋化因子受体家族的激活机制和相关多肽、抗体类拮抗药物设计提供了坚实的理论和实验基础”。

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图2. (a) 分别与单体和二体IL8结合的CXCR2与Gi复合物的电镜结构,以及CXCR2与拮抗剂结合的晶体结构; (b) CXCR2的激活机制卡通展示图; (c) 与二体IL8结合的CXCR2结构剖面图。

“该研究成果是我们在GPCR信号转导复合物结构及机制的研究中的又一重要突破。我们后续也将开展基于CXCR2的抗癌药物设计与研发,实现基础研究和转化应用的有效结合” 刘志杰教授说。

参与该项研究的还有中科院深圳先进技术研究院计算机辅助药物设计中心的袁曙光课题组,iHuman研究所赵素文课题组以及上科大膜蛋白线站平台和iHuman研究所的功能研究平台的科研人员。该研究中冷冻电镜数据在上海科技大学生物电镜中心收集,iHuman研究所真核细胞表达平台、基因克隆平台、蛋白纯化平台、功能研究平台的工作人员为该项研究提供了强大的技术支持。该研究同时获得了科技部、国家自然科学基金委及上海市政府的经费支持。

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

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图3. 上科大研究团队合影(从左到右):徐越溟、赵素文、华甜、刘凯雯、刘志杰、武丽杰、吴萌、孙倩倩。

上海科技大学简介

上海科技大学是一所由上海市人民政府与中国科学院共同举办、共同建设,由上海市人民政府主管的全日制普通高等学校,2013年9月30日经教育部批准同意正式建立。学校致力于服务国家经济社会发展战略,培养科技创新创业人才,提供科技解决方案及发挥思想库作用,积极投身高等教育改革、参与上海科创中心建设,努力建设一所小规模、高水平、国际化的研究型、创新型大学。http://www.shanghaitech.edu.cn/

iHuman研究所简介

iHuman研究所是隶属于上海科技大学的一个国际化的高水平研究机构,其聚焦于跨空间和时间尺度的数据整合及通过构建原子分辨率的虚拟人体深入理解人类疾病,研发更加安全有效的新型药物。http://ihuman.shanghaitech.edu.cn/ 

上海科技大学生物电镜中心简介

上海科技大学生物电镜中心利用冷冻电子显微镜服务于学校的科研工作、尤其是生命科学领域内的研究工作。平台支持的技术领域主要有有单颗粒冷冻电镜、电子断层成像、细胞和组织生物学电镜研究等。