上海藥物所合作解析人源二型大麻素受體CB2信號轉導機制

　　大麻作為藥用植物被用于致幻、鎮痛的歷史可以追溯至幾千年之前的世界各大文明之中。大麻的藥用價值比較復雜，內含包括四氫大麻酚（THC）、大麻二酚（CBD）等在內的幾十種大麻素。植物來源大麻素和合成大麻素通過人體內的內源大麻系統（ECS）發揮多種生理功能。ECS包括兩種被稱為大麻素受體的G蛋白偶聯受體（GPCR），分別為CB1和CB2，通過G蛋白偶聯信號通路介導THC以及若干種內源性大麻素類化合物發揮生理作用。其中，CB1主要分布在中樞神經系統，CB2主要分布在外周免疫細胞中。相比較于靶向CB1受體的藥物出現的強烈神經精神類副作用等問題，CB2集中分布在免疫系統中這一優勢在靶向ECS藥物的開發上尤為顯著，使之成為時下熱門的研究靶點。選擇性靶向CB2的藥物研發也成為潛在的治療包括神經退行性疾病、炎癥、疼痛等疾病在內的重要手段，同時規避了CB1受體引起的精神類副作用。然而，CB2的激活機制一直處于未知狀態，嚴重阻礙了相關藥物的開發，目前臨床上尚無特異性激活CB2的藥物上市。

　　中國科學院上海藥物研究所徐華強課題組與美國匹茲堡大學Xiang-Qun Xie、Cheng Zhang團隊合作，使用冷凍電鏡技術（Cryo-EM）解析了結合激動劑WIN 55,212-2的人源二型大麻素受體（Cannabinoid receptor subtype 2, CB2）與Gi蛋白復合物的三維結構，揭示了激動劑WIN 55,212-2特異性激活CB2的機制，以及CB2與下游信號轉導蛋白Gi異源三聚體的相互作用方式。同時，研究團隊開發了一個更為高效的算法，得出了結合口袋中的關鍵氨基酸殘基在配體結合中的能量貢獻分布，闡述了CB2區分拮抗劑和激動劑的結構基礎，并基于此結構基礎設計和合成了CB2反向激動劑Xie55和選擇性部分激動劑Xie57。以上成果為以CB2為藥物靶點的選擇性激動劑藥物的設計和開發提供了結構基礎和理論依據。研究論文“Cryo-EM Structure of the Human Cannabinoid Receptor CB2-Gi Signaling Complex”于1月30日發表于國際期刊《細胞》（Cell）。

　　徐華強課題組長期以來致力于與重大疾病相關的GPCR結構和功能研究。近年來，依托新興的冷凍電鏡技術，課題組與多單位科研團隊合作解決了GPCR領域的諸多重大科學問題，包括首個Gi偶聯的GPCR-G蛋白信號復合物Rhodopsin-Gi（Yanyong. Kang, et al. 2018. Nature, 與μOR-Gi同期發表），首個非視覺阻遏蛋白（Arrestin2）與神經降壓素受體（NTSR1）復合物（Wangchao. Yin, et al. 2019. Cell Research）以及1型人源甲狀旁腺激素受體（PTH1R）與Gs蛋白復合物(Lihua. Zhao, et al. 2019. Science)的冷凍電鏡結構解析，為相關疾病藥物的開發和GPCR偏好性配體的設計奠定了堅實基礎。為揭示CB2的激活機制，此次徐華強課題組與美國匹茲堡大學兩個課題組強強聯合，克服了蛋白表達以及復合物穩定性等諸多難題，共同攻克了重要藥靶CB2-Gi復合物的結構解析以及闡釋CB2對配體選擇性的機制等諸多科學問題，是該課題組對靶向GPCR藥物設計領域的又一貢獻。

　　值得一提的是，1月30日同期Cell上，來自上海科技大學劉志杰團隊以“背靠背”形式發表了“Activation and Signaling Mechanism Revealed by Cannabinoid Receptor-Gi Complex Structures”研究論文，該研究通過冷凍電鏡和晶體學的方法解析了CB2-AM12033的晶體結構，CB2-Gi-AM12033以及CB1-Gi-AM841的冷凍電鏡結構，揭示了新合成的化合物AM12033激活CB2，以及AM841激活CB1的結構基礎。AM12033和AM841均屬于THC類似物，在分類上屬于經典結構的大麻素受體激動劑；WIN55212-2屬于Aminoalkylindole類大麻素受體激動劑。

　　美國匹茲堡大學Xiang-Qun Xie課題組Changrui Xing和Zhiwei Fen、上海藥物所徐華強課題組博士生莊友文、美國溫安洛研究所（Van Andel Institute）博士后徐廷海（藥物所2017屆博士畢業生）為論文的共同第一作者。參加這項研究的單位還有美國匹茲堡大學和美國溫安洛研究所。此項工作得到國家科學技術部、美國國立衛生研究院和Van Andel基金會的經費支持。此外，在該項研究中，上海藥物所博士生莊友文得到中國科學院大學國際聯合培養項目的資金支持，在該項研究中攻克了蛋白樣品表達及優化、復合物穩定性等難題，與徐廷海一起完成了冷凍電鏡數據收集和相關結構解析。

　　WIN55212-2激活下人源2型大麻素受體CB2與Gi蛋白復合物的冷凍電鏡三維結構。圖的左邊展示了結合口袋重要氨基酸的能量貢獻分布，基于結構設計并合成的新的CB2選擇性配體XIE55和XIE57以及CB2受體ICL3與Gαi的相互作用界面。