重大突破: 我国科学家揭示HIV感染人体的机制
近日，美国《科学》杂志—美国科学促进会在上海召开新闻发布会，介绍该领域取得的重大突破性进展——由中国科学院上海药物研究所和美国 Scripps研究所的科学家组成的研究团队，成功解析了CCR5蛋白质分子的高分辨率三维结构，并据此解释了抗艾滋病毒感染的药物马拉维若是如何作用于该受体分子进而阻断病毒入侵的分子机制，相关研究成果于2013年9月12日发表在国际权威杂志《科学》上。
科学家的困扰
众所周知，艾滋病是由人免疫缺陷病毒(HIV)感染引发的。自1981年美国发现首例艾滋病患者以来，该病已导致全球约三千万人死亡。艾滋病毒感染人体细胞的第一步是病毒与细胞的膜融合，这一过程由病毒表面糖蛋白gp120与细胞表面的受体CD4以及共受体CCR5或CXCR4共同作用完成。多年以来，为了阐明艾滋病毒侵入细胞的分子机制，科学家们进行了大量的研究。
在研究的最初阶段，研究人员普遍认为艾滋病毒CD4受体是致使人们感染艾滋病的元凶。一直到了1996年，才有科学家通过研究发现除了CD4受体，艾滋病毒感染还需要共受体的共同作用，这个共受体通常是指CCR5。CCR5是一种位于细胞表面的受体蛋白质，在大多数种类艾滋病毒感染人体免疫细胞时发挥重要作用，例如CCR5发生某些特定的突变以后，人感染艾滋病的几率以及感染后的病程进度明显降低或减缓。于是CCR5引起了研究人员的重视，并且近年来CCR5受体成为了新型抗艾滋病毒药物研发中最受关注的靶点之一。科学家们希望可以据此研发出抗艾滋病毒感染的药物，通过与CCR5的竞争性结合或使CCR5受体分子处于非活性状态而阻断艾滋病毒的入侵，并且目前已有少量此类抑制剂被研制成功。但是由于共受体CCR5和CXCR4属于G蛋白偶联受体(GPCR)膜蛋白家族，其三维结构解析极具挑战性，因此这艾滋病毒感染人体细胞的分子机制长久以来一直困扰着国内外科学家。由于缺少CCR5受体分子的高分辨率结构，精确药物设计一直无法实现。
“攻关”突破“瓶颈”
该研究论文的通讯作者、中国科学院上海药物研究所与中国科学院受体结构与功能重点实验室研究员吴蓓丽博士回忆自己的科研生涯表示，早在六年前，她就已经开始了相关的工作。那是2007年，她加入Scripps研究所(Scripps研究所是目前世界上最大的私立非盈利性研究机构之一，主要致力于生物医学方面的研究。Scripps研究所因其在科研和人类健康领域做出的重要贡献而享誉全球，其科研成果为癌症、类风湿关节炎、血友病等多种疾病的治疗奠定了基础。)Stevens教授的研究组从事博士后研究，致力于艾滋病毒的两种共受体CCR5和CXCR4的结构生物学研究。在Stevens教授的支持下，吴蓓丽于2010年成功解析了人源CXCR4受体蛋白与两种配体的复合物晶体结构，相关研究成果发表在《科学》杂志上。Stevens教授评价她时说：“从一开始她的目标就是解析这两种艾滋病毒共受体的结构并据此阐释其功能，这一明确目标一直激励着她的研究工作。”先前的工作为她今天的成果奠定了基础。
论文通讯作者吴蓓丽
2011 年，吴蓓丽博士加入中国科学院上海药物研究所组建自己的研究团队，在药物所的支持下继续深入该项研究，进一步探索CCR5的三维结构。但由于GPCR蛋白表达难度大，获得足够量的用于结构研究的蛋白质样品非常困难;并且，由于GPCR蛋白构象不稳定，获得可用于X射线衍射的蛋白质晶体也极具挑战。因此与其它结构已知的G蛋白偶联受体相比，CCR5的结构解析更具挑战性。但是CXCR4结构测定的成功经验给予了她足够的帮助，吴蓓丽领导的年轻团队进行了大量的筛选和优化工作，利用一种新的融合蛋白稳定了CCR5蛋白的构象。与此同时，她还与上海药物所的其他研究员的课题组在计算机模拟、化合物合成和药理功能筛选等方面进行合作;最终获得了高质量的蛋白质晶体，成功解析了CCR5与一种抗艾滋病毒药物——马拉维若复合物的蛋白质结构。 “我们认为马拉维若能够将CCR5的构象锁定在一种非活性状态，希望能够在高分辨率分子水平‘看’到这种构象，”吴蓓丽解释说。
两个重大发现
根据上述研究，吴蓓莉研究团队获取了两个重要的发现。
首先，解析CCR5和CXCR4这两种共受体的结构有助于深入理解艾滋病毒感染人体细胞的分子机制，以及决定病毒蛋白gp120结合的各种因素。大多数种类的艾滋病毒在侵染人体细胞初期以CCR5为共受体，但是经过一段时间后，病毒共受体转化为CXCR4，使得人体中更多类型的细胞被感染，加剧了病毒在人体内的进一步扩散、加速了疾病的发展，最终导致艾滋病的发生和患者死亡。而在人体内，即使是极少数氨基酸的不同，也可能显著影响蛋白质结合区域的形状和分子识别能力。因此艾滋病毒对于共受体的选择性可能就是由CCR5和CXCR4这两种共受体的结构在形状及电荷分布等方面的细微差异造成的，这可能是艾滋病毒对共受体具有选择性的主要原因。目前，吴蓓丽的研究团队正进一步深入，希望通过解析CCR5和CXCR4与艾滋病毒表面蛋白gp120以及CD4的复合物结构，为研究病毒感染机制提供更多信息。
此外，CCR5的结构揭示了药物马拉维若在受体分子中的精确结合位点，该结合位点与公认的 gp120结合位点不同，因此，马拉维若可能是通过间接机制抑制CCR5与艾滋病毒的结合，即不直接与病毒竞争结合CCR5，但通过其与CCR5的结合改变CCR5的分子构象，使其处于艾滋病毒非敏感状态，从而实现阻断CCR5与病毒结合的功效。CCR5与配体的相互作用模式，及CXCR4晶体结构信息，为研发抵抗不同类型艾滋病毒感染的新型药物打下了坚实的基础。NIH综合医学研究所的Peter Preusch博士这样评论该项研究：“蛋白质三维结构信息可揭示蛋白质与药物分子的相互作用机制，并且有助于新型治疗药物的研发。这一研究成果揭示了马拉维若与抗艾滋病毒药物靶点CCR5的相互作用模式，可以帮助人们在分子水平理解该类药物的作用机理，有助于在生物学角度进一步研究艾滋病毒，并促进此类作用模式的靶向药物研究。”
抗艾滋病毒药物马拉维若通过与CCR5结合将其锁定在非活性状态，从而抵制艾滋病毒侵染人体细胞
加强国际合作
美国Scripps研究所分子生物学系与化学系教授、上海科技大学iHuman研究所首任所长Raymond Stevens 博士在新闻发布会上指出，GPCR相关研究虽然已经得到了飞速发展，然而，GPCR家族非常庞大，包括826个成员，其中与人类疾病相关的重要药物靶点至少有300余种，目前超过40%的上市药物以GPCR为靶点。以目前的科研水平，如果要全面地了解这个人体内最大蛋白质家族，至少需要几十年。开展 GPCR结构生物学研究及基于此的药物研发工作耗资巨大，仅靠一个国家的科研机构和科研经费支持无法完成，因此大力开展国际合作对未来该领域的发展至关重要。目前，GPCR结构生物学研究领域保持着良好、紧密的国际协作关系，可以在全球范围内进行协调，避免重复浪费的科研力量投入。
论文第一作者谭秋香
Raymond Stevens 博士
据悉，该研究项目除了吴蓓丽研究员和Raymone C. Stevens教授以外，参与者还包括中国科学院上海药物所的谭秋香、朱亚和来自吴蓓丽、赵强、柳红、蒋华良、谢欣等研究组的多名研究人员，以及美国 Scripps研究所的Gye Won Han、Gustavo Fenanlti、Vadim Cherezov和加州大学圣地亚哥分校的Irina Kufareva。 该项研究获得了包括科技部“973计划”(2012CB518000、2012CB910400)、美国国立卫生研究院(R01 AI100604、U54 GM094618及其中美生物医药合作研究补充项目)、国家自然科学基金委(31270766、81161120425、81025017)和上海市科委(11JC1414800、12PJ1410500)的资助。
配体结合位点上的微小差异对于相近受体蛋白识别病毒等分子的机制研究至关重要，因此在未来，利用先进的技术平台以及良好的合作基础，科研人员将侧重于研究CCR5和CXCR4这两种相近受体之间的细微异同之处。 CXCR4和CCR5的高纯度蛋白样品的获得为运用其它生物物理手段进一步研究艾滋病毒感染机制铺平了道路。两种艾滋病毒共受体的三维结构的解析，为相关药物研发奠定了基础，新一代抗艾滋病毒药物的研究将很有可能取得突破性进展。目前，上海药物研究所业已组织团队联合攻关，根据解析的CCR5结构开展药物设计，已获得抗病毒活性更好的化合物。
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