上海科技大学iHuman研究所刘志杰老师应邀访问国家重点实验室

2020年12月4日，来自上海科技大学iHuman研究所的刘志杰老师应肖俊宇老师的邀请，来到北京大学生科院、蛋白质与植物基因研究国家重点实验室，为全院师生奉献了非常精彩的学术报告，题为《Activation and Signaling Mechanism of Human Cannabinoid Receptors》。

正式报告开始之前，刘老师大致介绍了位于上海浦东新区的上海科技大学和iHuman研究所的情况，附近还坐落着许多国家科研设施，如上海光源等，为研究提供了便利。之后的报告主要内容分为三部分：1、大麻素受体CB1和CB2；2、通过结构解析揭示大麻素受体的分子调控机制；3、大麻素受体和药物分子的别构调控机制。

大麻素受体属于GPCR蛋白家族，GPCR是细胞中数目最多的一类膜蛋白受体，分为A、B、C、F四个亚家族，共同特征是7次跨膜，并且结构复杂，表达量低，热稳定性差，在膜上高度活跃，构象十分不稳定。其中A亚家族占比最大，接近二分之一，其中数目最多的是嗅觉受体，这可能由于在演化上嗅觉在个体生存中发挥着重要作用。大麻素受体CB1和CB2也属于A亚家族，毒品大麻中的主要功能成分THC（tetrahydrocannabinol，四氢大麻酚）即通过结合大麻素受体使人感到兴奋愉悦；除此之外，工业大麻中富含的药物分子CBD（cannabidiol，大麻二酚）虽然和THC分子式一样，是其的同分异构体，但是目前的研究表明CBD在缓解炎症反应、抗衰老和治疗癌症等方面都有很好的效果，未来应用前景广泛。

因此大麻素受体作为药物靶点吸引了许多制药公司的注意，现在已经有几款药物上市或处于临床试验期。因为大麻素受体CB1主要分布在中枢神经系统，更容易具有成瘾性，所以分布于外周神经系统的低成瘾性的CB2受体是更有前景的药物靶点。但是在2017年之前，CB1和CB2被激活或抑制时的结构迟迟未被解析，只有计算上的三维结构预测，这对药物设计的精确性带来了极大的困扰。

于是从2013年开始，刘老师和他的博士生华甜便开始了深入研究大麻素受体结构的工作中。通过筛选合适的N端、C端截短和突变体，插入不同的稳定融合蛋白，如Flavodoxin，以及加入合作者开发的可以稳定大麻素受体结构的配体分子，利用晶体学技术率先解析了CB1受体激活状态的结构，并发现其具有独特的twin-toggle switch区域，与之前三维预测的结构差别很大。随后的几年时间里，他们陆续解析了CB1与拮抗剂结合时的结构、CB2类激活状态以及与拮抗剂结合时的结构，在原子水平上阐释了大麻素受体从抑制到激活状态的结构改变。在结构分析中，发现CB1的类激活状态和CB2与拮抗剂结合的状态很类似，然而两者在激活时的结构变化又是完全不同的。

考虑到药物设计，由于CB1和CB2的正构结合位点十分相似，所以很难设计特异性的正构结合药物，不过GPCR家族一般还具有别构调节位点，在内源性配体存在的情况下，药物通过结合别构位点发挥正向或者反向调节作用。在之前的报道中，小分子Org27579可以促进CB1和激动剂的结合，同时可以减弱下游信号。于是刘志杰老师试图通过解析该小分子和CB1结合的结构来解释其结合位点和作用机制，经过一系列工作，认为二者的相互作用是瞬间的，因此目前还没有成功定位到该结合位点。